摻石灰石粉的水工混凝土耐久性試驗研究

周妍妍

（北票市五間房水利服務站，遼寧 北票 122100）

近年來，隨著水利工程的大規模建設，水工混凝土等原材料消耗量巨大。在大規模生產混凝土的同時也面臨著一系列的問題，如水泥制造過程中會釋放二氧化碳，并耗費大量天然材料和能源，造成生態環境的破壞以及經濟成本的提升。因此，如何解決水泥生產所帶來的不良影響逐漸成為行業內研究的熱點問題[1-4]。目前，高性能綠色混凝土被廣泛應用于水利工程領域，低熟料膠凝材料體系必然成為未來的發展趨勢。然而，早期使用的礦物摻合料也存在著一些問題，如礦渣粉和粉煤灰使用成本劇增，各種原材料日益短缺，急需一種既具有較好經濟性又有利于環境保護的礦物摻合料來替代礦渣粉、粉煤灰，石灰石粉能夠滿足以上要求，早期的水利工程就有使用石灰石粉的案例，并且機制砂中的石粉含量往往較高[5-6]。因此，可以將部分石灰石粉摻入水工混凝土，通過耐久性試驗判定石灰石粉能否作為摻合料使用。本文以石灰石粉摻量為變量，試驗分析了石灰石粉對新拌混凝土和易性、抗壓強度、抗凍性能、抗碳化性和抗氯離子滲透性的影響特征，可為消除水工混凝土中石灰石粉的使用顧慮提供一定支持。

1 試驗方法

1.1 原材料性能

①水泥：渾河P·O 42.5級水泥，安定性（沸煮法）合格，細度(80μm)0.6%，標稠用水量26.5%，初凝、終凝時間150min和225min，3d、28d抗折強度為5.7MPa和8.2MPa，抗壓強度為29.1MPa和50.5MPa。②粉煤灰：綏中電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，45μm篩余4.6%，密度2.2g/cm3，需水量比94.2%，燒失量3.1%。③石灰石粉：魯能實業生產的石粉，亞甲藍值1.0g/kg，需水量比100%，比表面積445m2/kg，45μm篩余3.22%，密度2.61g/cm3。④礦粉：鐵嶺金泰S95級礦渣粉，需水量比96%，比表面積40m2/kg，45μm篩余3.22%，密度2.82g/cm3。⑤骨料：粗骨料用粒徑5～25mm連續級配的天然碎石，空隙率41%，堆積密度1580kg/m3，表觀密度2740kg/m3，含泥量0.1%，針片狀含量5.8%，壓碎指標5.0%；細骨料用天然河砂，細度模數2.5，含泥量2.0%，空隙率35%，堆積密度1580kg/m3，表觀密度2670kg/m3。⑥外加劑：沈陽廣源達GYD-1聚羧酸高效減水劑，固含量45%，含氣量2.1%，減水率30%。

1.2 試驗方法

試驗設計C30、C50兩種水工混凝土，以膠凝材料用量的0%、15%、20%、25%、30%作為石灰石粉摻量，配合比設計如表1所示。

以《水工混凝土試驗規程》、《水工混凝土耐久性技術規范》、《水運工程混凝土施工規范》等相關標準，試驗測定新拌混凝土的和易性、抗壓強度、抗凍性能、抗碳化性以及抗氯離子滲透性。

2 試驗結果與分析

2.1 摻石灰石粉的拌合物和易性

對于拌合物工作性能大流態水工混凝土具有較高要求，試驗時必須控制擴展度和坍落度處于合理范圍，即C30新拌混凝土擴展度≥400mm，坍落度處于190～230mm范圍，C50新拌混凝土擴展度不低于500mm，坍落度處于220～260mm范圍。通過調整減水劑用量判定拌合物和易性受石灰石粉摻量的影響，試驗結果如表2所示。

表2 拌合物工作性能

由表2可知，對于符合擴展度和坍落度要求的新拌混凝土，石粉摻量越高則減水劑用量越多；摻15%石粉時，基準組減水劑用量高于試驗組，其擴展度和坍落度較小；石粉摻量不超過20%時，試驗組略優于基準組的和易性。這是因為石粉的平均粒徑小于水泥，從而發揮一定的填充效應，水泥顆粒的間隙減少會增大自由水的占比，從而改善拌合物流動性。摻量超過20%時減水劑用量明顯提高，這表明拌合物的和易性變差，究其原因是膠凝材料用量相同情況下，石粉摻量越大則拌合物需水量越高。綜上分析，石粉具有一定的分散填充效應，摻入適量的石粉能夠改善拌合物和易性，其最佳摻量不超過20%。

2.2 摻石灰石粉的混凝土抗壓強度

水工混凝土摻不同石灰石粉的抗壓強度變化規律如圖1所示。由圖1可知，隨著石粉摻量的增加各齡期C30、C50混凝土強度均表現出逐漸減小趨勢，石粉摻量低于20%時試驗組抗壓強度與基準組相差不大。究其原因，摻入適量的石灰石粉能夠發揮一定的微集料效應，優化內部體系的級配，沒有過多的石粉參與后期水化，從而使得局部水膠比有所增大，更加充分地完成水化，石粉具有正向積極作用；隨著石灰石粉的逐漸增多，因比表面積明顯大于水泥，多余石粉會優先吸附更多的拌和水，在一定程度上抑制水泥水化，水化產物C-S-H減少，各組分無法較好地膠結成整體，從而大大增加 了內部缺陷的形成概率，抗壓強度偏低[7]。

圖1 不同石粉摻量的抗壓強度變化曲線

2.3 摻石灰石粉的混凝土抗凍性能

采用“快凍法”測試不同石粉摻量的混凝土抗凍性，不同凍融循環下水工混凝土的相對動彈模量如圖2所示。

圖2 不同石粉摻量的相對動彈模量變化曲線

由圖2可知，石粉摻量和水膠比顯著影響著水工混凝土的抗凍性能，并且高強度等級的抗凍性略優于中低強度，摻量不超過15%時試驗組與基準組的抗凍性能相當。混凝土抗凍性能隨著摻量的進一步增加而下降，但均符合現行規范對抗凍性的要求，如摻20%石粉組的C30、C50水工混凝土能夠達到F200和F300抗凍等級。究其原因是石粉摻量超過20%時，石灰石粉的填充效應難以充分發揮，在熟料總量不變的情況下水化程度減弱，混凝土的致密性和抗壓強度也隨之下降。凍融循環過程中混凝土內部的水反復發生結冰膨脹和融解，使得混凝土逐漸發生破壞劣化[8-9]。

2.4 摻石灰石粉的混凝土抗碳化性

采用“快凍碳化法”測試不同石粉摻量的混凝土抗碳化性，不同凍融循環下水工混凝土的碳化深度如圖3所示。

圖3 不同石粉摻量的28d碳化深度變化曲線

由圖3可知，摻15%石粉組略優于基準組的抗碳化性能；摻20%石粉組的碳化深度略高于基準組，但相差不明顯，C50強度混凝土碳化深度不超過2mm，C30強度混凝土碳化深度≤5mm，低強度混凝土碳化深度明顯大于高強度混凝土。因此，混凝土碳化深度在很大程度上取決于水膠比，水膠比越小則致密性越優，內部缺陷的形成概率越小，CO2和水更難滲入混凝土內部，從而增強了其抗碳化性能。本試驗只有摻30%石粉的C30水工混凝土抗碳化性能未達到工程要求，其它組均符合工程要求，如摻25%石粉的C30組碳化深度為8.6mm，符合小于10mm的標準要求[10-11]。

2.5 摻石灰石粉的混凝土抗氯離子滲透性

采用電通量快速試驗法測試不同石粉摻量的混凝土抗氯離子滲透性，如圖4所示。

圖4 不同石粉摻量的電通量變化曲線

由圖4可知，隨石粉摻量增加A組和B阻抗滲透性能均表現出逐漸減小趨勢，并且A的電通量明顯高于B組，表明高強度等級明顯優于低強度等級的水工混凝土抗氯離子滲透性，再次表明水工混凝土抗氯離子滲透性受水膠比影響較大[12-14]。總體而言，15%石粉組與基準組的抗氯離子滲透性相差不大，A-4組的電通量值最高達到1672C，各組抗氯離子滲透性整體較好。

3 結 論

1）摻20%石粉時，基準組與試驗組的減水劑用量相差不大，但摻石粉組的新拌混凝土和易性較好，隨著石粉摻量的進一步增大減水劑用量明顯增加。摻15%石粉時，各齡期C30、C50水工混凝土強度基本不減小，摻25%及以內石粉時C30混凝土符合28d設計強度要求，摻20%及以內石粉時C50混凝土符合28d設計強度要求，摻25%及以內石粉時C30、C50混凝土均符合56d設計強度要求。

2）15%石粉組與基準組的電通量相差不大，摻20%石粉組的電通量未明顯增大，并且高強度等級明顯優于低強度等級的抗氯離子滲透性。摻15%石粉時，水工混凝土與基準組抗凍性能相差不大，進一步增大石粉摻量混凝土抗凍性能開始下降，摻量不超過20%時其降低抗凍性能的作用不明顯。

3）摻15%石粉時，試驗組與基準組的抗碳化性能相差不大，摻25%石粉組略高于基準組的碳化深度，本試驗只有摻30%石粉的C30混凝土抗碳化性能未達到工程要求，其它組均符合工程要求。在水工混凝土中摻入適量石灰石粉具有一定的技術可行性，為保證各齡期混凝土的耐久性和強度石粉摻量不宜超過20%。