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46 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）不同凝灰岩粉掺量的水工混凝土性能研究周 爽（辽宁省北票市下府水利服务站，辽宁 北票 122113）摘 要：文章研究了水工混凝土抗硫酸盐侵蚀性能、抗渗抗冻性能受凝灰岩粉比表面积和掺量的影响，从微观上利用压汞法分析水工混凝土掺凝灰岩粉后的孔结构。结果表明：凝灰岩粉掺量不超过 30%且比表面积 350m2/km 时，对增强水工混凝土抗硫酸盐侵蚀和抗渗性能具有正面影响，比表面积越大则凝灰岩粉填充混凝土内部小孔的效应越优，但填充大孔的效应不明显。关键词：水工混凝土；凝灰岩粉；耐久性能；试验分析 中图分类号：TV431 文献标识码：B文章编号:1007-7596（2022）12-0046-03 收稿日期 2022-11-19作者简介 周爽（1 9 7 9-），女，辽宁北票人，工程师，研究方向为农田水利、河道防洪、农村饮水安全、水土保持等近年来，水利事业的快速发展，使得水利工程建设对矿物掺合料的需求量急剧增大，特别是东北地区面临着严重的矿粉、粉煤灰短缺问题，市场上矿物掺合料供不应求，价格居高不下。为加快转变原材料短缺的局面，结合当地特点寻找性能稳定、价格低廉的矿物掺合料已势在必行1-3。我国东北部的凝灰岩(火山碎屑岩)储量丰富，将其破碎、球磨后替代部分水泥，既能够有效解决混凝土成本增加和当地矿物掺合料短缺的问题，还可以在一定程度上减轻环境污染压力4。一般地，凝灰岩内部含有较多的无定型玻璃体和铝、硅等元素，其火山灰活性明显。关于凝灰岩国内诸多学者开展了广泛研究，有学者利用沸石化凝灰岩、钙质凝灰岩探讨了制备环境友好型凝胶材料和水工混凝土的可能性；UZAL 等在水泥中掺入火山灰质材料，发现特定细度和水胶比下掺 55%火山灰质复合水泥与纯水泥具有相当的 120d 抗压强度，并提出与火山灰效应的关系5-7。本研究将凝灰岩破碎、球磨至合适的比表面积，试验分析了水工混凝土抗硫酸盐侵蚀性、抗冻抗渗性受凝灰岩粉掺量的影响，从微观上利用压汞法探讨了混凝土掺凝灰岩粉后的孔隙结构，旨在为水工混凝土中凝灰岩的资源化利用提供一定借鉴。1 试验方案1.1 原材料水泥：大连天瑞水泥有限公司生产的 PO 42.5 级通用硅酸盐水泥，比表面积 320m2/kg，标稠用水量 24%，化学成分如表 1 所示。凝灰岩粉：来源于辽宁丹东地区，将凝灰岩破碎、球磨至比表面积 350m2/kg，450m2/kg 的粉末，化学成分如表 1 所示。表 1 凝灰岩粉和水泥的化学成分%原材料CaOSiO2Al2O3SO3MgOF2O3K2ONaOLOI水泥62.61 22.044.462.412.883.520.80/1.28岩粉0.4570.30 24.80/0.46/1.150.102.74粗、细骨料：粗骨料用天然花岗岩碎石，粒径520mm，密度 2.6g/cm3，含泥量 0.5%，细骨料用浑河河砂，细度模数 2.8，最大粒径 4.75mm，密度2.4g/cm3，含泥量 2.0%。DOI:10.14122/ki.hskj.2022.12.013 47 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）外加剂：试验用 XK-540P 型聚羧酸高效减水剂，掺量取胶凝材料用量的 2.0%，含固量 15.1%，减水率 25%。拌合水：当地自来水。1.2 配合比设计试验采用等质量的方式，用凝灰岩粉取代10%、20%、30%的水泥，配合比设计如表 2 所示。其中 J0 代表基准组，M1、M2 代表比表面积350m2/kg，450m2/kg 的凝灰岩粉。表 2 配合比设计编号水水泥砂石减水剂凝灰岩粉350m2/kg 450m2/kgJ016040075011004.000M1-1016036075011004.0400M1-2016032075011004.0800M2-2016032075011004.0080M1-3016028075011004.012001.3 试验方法依据水工混凝土试验规程推荐的快速硫酸盐侵蚀法、快速冻融试验法和相对渗透性试验法测定水工混凝土性能，其中抗硫酸盐侵蚀试样为 100mm100mm100m，每组试样 3 个；快速冻融试件为 400mm100mm100m，每组试样 3个，相对渗透性试件尺寸为高 150mm 下口径185mm上口径175mm截头圆锥体，每组6个试样。采用设计配合比拌制混凝土，拆模成型后标养至规定龄期依次开展相应试验。采用 MIP 全自动压汞仪进行水工混凝土压汞试验，将标养 28d 的试样劈裂取中心区样，控制水泥浆颗粒直径不超过 5mm，将试样完全浸入无水乙醇，促使水泥水化终止，然后用真空干燥箱(温度4050)干燥 24h，冷却至室温后按操作流程开展压汞试验。2 结果与分析2.1 抗渗抗冻性水工混凝土抗渗性受不同凝灰岩粉掺量的影响，如图 1 所示。图 1 掺凝灰岩粉的相对渗透系数由图 1 可知，水工混凝土中掺凝灰岩粉可以有效改善其抗渗性。对于比表面积 350m2/kg 的凝灰岩粉，水工混凝土的相对渗透系数随着凝灰岩粉掺量的增加而增大，但都低于 J0 基准组。究其原因，虽然凝灰岩粉取代水泥后减少了C-S-H凝胶数量，但 C-S-H 凝胶空间结构的复杂性以及基体材料内部的曲折性、孔隙长度明显增加，外界水分的渗透路径得到一定程度的延伸，外界水的渗透阻力随之增大8-9。因此，水工混凝土中掺 30%以下的凝灰岩粉，有利于减小相对渗透系数，从而增强其抗渗性能。此外，掺量相同情况下，M2-20 组(凝灰岩粉比表面积 450m2/kg)低于 M1-20 组(凝灰岩粉比表面积 350m2/kg)的相对渗透系数，说明细度越高则凝灰岩粉改善抗渗性能的效应越优。水工混凝相对动弹模量、质量损失率受不同凝灰岩粉掺量的影响，如图 2 所示。(a)质量损失率 (b)相对动弹模量图 2 掺凝灰岩粉的质量损失率与相对动弹模量 48 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）由图 2 可知，对于比表面积 350m2/kg 的凝灰岩粉，水工混凝土的质量损失率随着凝灰岩粉掺量的增加整体呈上升趋势，而相对动弹模量呈波动下降趋势；掺 10%、20%凝灰岩粉时，水工混凝土的相对动弹模量都在 65%以上，质量损失率均不超过 5%，该掺量下的水工混凝土抗冻等级(F300)与基准混凝土相当，究其原因是掺入适量的凝灰岩粉可以填充内部的孔隙，使得水分迁移和渗透受阻，水结冰膨胀的冻胀力以及试样的动弹模量损失、质量损失减小10；掺 30%凝灰岩粉时，水工混凝土的相对动弹模量显著减小，而质量损失率明显增大，其抗冻等级(F200)低于基准对照组(F300)，究其原因是掺过多的凝灰岩粉致使水泥用量明显减少，水化生成的 C-S-H 凝胶量过多减少，不利于增强基体与骨料间的黏结强度以及结构的整体性，水工混凝土相对动弹模量随着冻融循环的持续明显降低，质量损失率明显增大，抗冻等级也随之下降。此外，掺量相同情况下，M2-20 组(凝灰岩粉比表面积 450m2/kg)优于 M1-20 组(凝灰岩粉比表面积350m2/kg)的抗冻性能，说明细度越高则凝灰岩粉改善抗冻性能的效应越优。2.2 抗硫酸盐侵蚀性定义基准强度为标准养护同龄期受硫酸盐腐蚀试件的抗压强度，腐蚀后强度为受硫酸盐腐蚀干湿循环 150 次的试件抗压强度，水工混凝土掺凝灰岩粉的抗压强度和耐腐蚀系数，如图 3 所示。(a)抗压强度 (b)耐腐蚀系数图 3 水工混凝土抗压强度与耐腐蚀系数由图 3 可知，受腐蚀后 J0 基准组的抗压强度下降较多，其抗硫酸盐侵蚀性较差。水工混凝土掺比表面积 350m2/kg 凝灰岩粉后的抗压强度耐腐蚀系数明显高于 J0 组，这表明凝灰岩粉的加入有效增强了抗硫酸盐侵蚀性；控制掺量 20%以内时，受腐蚀后水工混凝土抗压强度降幅随凝灰岩粉掺量的增加而减小，耐腐蚀系数不断上升；掺量超过20%时，其抗压强度耐腐蚀系数随凝灰岩粉掺量的增大明显下降。此外，掺量相同情况下，M2-20 组(凝灰岩粉比表面积 450m2/kg)的抗压强度耐腐蚀系数高于 M1-20 组(凝灰岩粉比表面积 350m2/kg)，说明细度越高则凝灰岩粉改善抗硫酸盐侵蚀性能的效应越优。2.3 微观孔结构水工混凝土掺凝灰岩粉后的微观孔径分布参数如表 3 所示，孔结构受凝灰岩粉的影响特征如图 4所示。表 3 微观孔径分布参数编号最可几孔径/nm总孔径/nm平均孔径/nm孔隙率/%孔径分布/%200502002050 20J06.150.05825.1611.8529.5120.3719.2630.86M1-106.160.05020.6111.4616.4214.0624.8144.71M1-206.200.05123.2410.6718.6619.8425.3036.20M2-206.170.05222.6010.3114.2017.6826.8241.30M1-307.300.08138.3516.6821.1244.6713.3720.84由表 3 可知，掺 20%比表面积 350m2/kg 的凝灰岩粉时，M1-20 组的孔隙率较 J0 基准组减小了10.2%，该组的孔隙率也最低。此外，掺量相同情况下，M2-20 组(凝灰岩粉比表面积 450m2/kg)的孔隙率低于 M1-20 组(凝灰岩粉比表面积 350m2/kg)。（下转第 231 页）231 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）定经济适用的水生态治理技术方案；对现有硬质护坡和岸线进行生态改造和多样性改造，增加水文化元素；将各地区、各部门独立的信息系统和业务系统互联互通，与现代大数据系统建设和共享平台建设结合等。参考文献：1 王同旭，崔月关于建设大庆水利信息化建设的几点建 议 J黑龙江水利科技,2016,44(09):127-1282 张夏天.南阳盆地历史地理研究D.西安:陕西师范大学，2020.3 吴双南阳市宛城区农田水利设施成为农民增产增收的 硬支撑 J中国农业综合开发,2021,(06):554 王森玉，王建德南阳市中心城区生态水利建设探析 J 合作经济与科技，2015(15),29-305 曾庆凡水资源规划与管理的利用与意义 J中国纤检，2013(02):40-42.图 4 孔结构受影响特征宏观上，水工混凝土耐久性受孔结构的影响较大，结合相关研究成果将混凝土孔划分成多害孔、有害孔、少害孔、无害孔，所对应的孔径为 200nm、50200nm、2050nm、20nm。由图 4可知，掺 20%及以下比表面积 350m2/kg 凝灰岩粉的水工混凝土组，其少害孔和无害孔体积占比之和明显高于 J0 基准组，究其原因是水工混凝土中掺凝灰岩粉有效增强了其抗硫酸盐侵蚀、抗冻抗渗性能；掺量提高到 30%时，水泥减少带来的负效应高于凝灰岩的微集料正效应，致使多害孔和有害孔数量增加，抗冻等级也随之下降，但其抗硫酸盐侵蚀性、抗渗性仍高于 J0 基准组11-12。此外，掺量相同情况下，M2-20 组(凝灰岩粉比表面积 450m2/kg)的少害孔和无害孔体积占比之和低于 M1-20 组(凝灰岩粉比表面积 350m2/kg)，说明细度越高则凝灰岩粉改善孔结构的效应越优，混凝土耐久性也就越好。3 结 论1）控制比表面积 350m2/kg