摻石灰石粉水工混凝土耐久性研究

倪倩文

(大連大水規劃設計有限公司,遼寧 大連 116001)

粉體材料多元化是現代混凝土發展的主要特征之一,磨細高爐礦渣粉活性較高,多被用于高強混凝土的配制,而粉煤灰的水化熱低,多被用于大體積混凝土的配制,這些粉體材料的使用顯著改變了硬化混凝土與拌合物的性能及其配制技術。在反復凍融條件下飽水的混凝土易出現微損傷甚至開裂剝落,從而使得骨料外露[1-2]。石灰石粉是一種不同于膠凝材料的新型惰性填料,在凍融循環作用下可有效改變混凝土的微結構和耐久性能,探究摻石灰石粉水工混凝土的耐久性能具有重要意義。

目前,研究膠凝材料與石灰石粉復合、摻量、細度等因素對混凝土抗凍性的較多,如Wang等歸納分析了水泥基材料中的石灰石粉作用,提出要進一步探討水泥基材料抗凍性受石灰石粉摻入方式、細度、摻量的影響;劉文嫻等探究了碾壓混凝土抗凍性受玄武巖粉摻合料的影響程度,結果顯示摻石灰巖粉與玄武巖粉混凝土的抗凍等級相同,均達到粉煤灰混凝土的0.5倍;Diab AM等試驗分析了混凝土摻石灰巖粉的耐久性和力學性能,結果表明石灰巖粉摻量不宜超過10%;Li等研究發現凍融循環350次時,摻20%花崗巖粉混凝土的動彈模量小幅減小,摻量增大到30%時的動彈模量明顯降低;楊海成等探討了礦渣粉、粉煤灰分別與石灰石粉、花崗巖粉、玄武巖粉及片麻巖粉復摻條件下,膠砂抗壓強度及流動度變化規律;劉數華系統探究了石灰石粉的潛在活性,試驗發現石灰石粉可以為Ca(OH)2晶體提供晶核,促進C3S水化及CaCO3顆粒表面Ca(OH)2晶體的生長,通過發揮晶核作用增強界面黏結強度;周明凱等研究表明石灰石粉發揮著水化促進作用,水化碳鋁酸鈣與Ca(OH)2晶體數量會隨著石灰石粉含量的增加而增大[3-5]。在修筑水庫大壩等水利工程時,已有工程實例利用石灰石粉替代粉煤灰配制低水化熱混凝土,相關技術規程和應用標準的制定也推動了石灰石粉的實際應用[6-8]。因此,現有研究大多數集中于水泥水化與石灰石粉之間的關系分析,較少考慮對耐久性能的影響作用。文章以石粉摻量和比表面積為變量,通過試驗探討其對水工混凝土強度、工作性和耐久性的影響規律。

1 試驗方法

1.1 原材料

試驗選用金隅牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥和自行粉磨0.5h、1.0h、1.5h的石灰石粉,水泥比表面積365m2/kg,主要性能指標如表1,三種石粉比表面積依次為515m2/kg(編號Ⅰ)、620m2/kg(編號Ⅱ)、780m2/kg(編號Ⅲ),石灰石粉與水泥化學成分如表2。砂選用渾河天然中砂,細度模數3.0,含泥量1.2%,表觀密度2650kg/m3,級配良好;石選用5～25mm連續級配花崗巖碎石,含水率0.5%,表觀密度2620kg/m3;外加劑用建研昆侖聚羧酸高效減水劑,減水率30%,固含量23.5%,液態,拌合水用實驗室自來水。

表1 水泥的主要性能指標

表2 石灰石粉與水泥化學成分

1.2 測試方法

試驗參照《水工混凝土試驗規程》等相關規范,測定拌合物工作性能、硬化混凝土抗折、抗壓強度以及抗氯離子滲透性。

1.3 試驗方案

水工混凝土性能受摻合料摻量及其比表面積(細度)的影響最顯著,對于偏高嶺土、硅灰、礦粉以及粉煤灰等摻合料,材料自身結構、粉磨細度以及摻入量都會影響拌合物工作性能,并在一定程度上影響硬化混凝土的強度和耐久性,所以對細度一定的摻合料都存在一個最佳摻量。為更加全面地研究石灰石粉摻量、比表面積對拌合物工作性及硬化混凝土耐久性影響,試驗選用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種比表面積的石粉等量替代10%、20%、30%水泥,固定水膠比0.33和砂率40%不變,試驗配合比見表3。

表3 試驗配合比

2 試驗結果與分析

2.1 拌合物工作性能

試驗測定不同摻量及比表面積石灰石粉混凝土的擴展度、坍落度經時損失,如表4所示。

表4 拌合物工作性能

由表4可知,各組拌合物擴展度均≥530mm,這表明新拌混凝土具有較好的流動性和黏聚性;未摻石灰石粉組具有較大的經時損失,初始坍落度170mm,60min后只有130mm,損失率達到23.5%;石粉能夠明顯提高了混凝土坍落度初始值,有效改善了坍落度保持性,其工作性能隨著石粉摻量的增加不斷改善,說明摻入適量范圍的石灰石粉能夠降低坍落度損失,有效改善拌合物性能,其工作性能隨摻量的增加逐漸改善。

通過對比分析可知,摻Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3種石灰石粉混凝土初始坍落度基本相同,總體圍繞210mm波動,并且Ⅰ-2、Ⅱ-2、Ⅲ-2組和Ⅰ-3、Ⅱ-3、Ⅲ-3組也表現出相似變化規律,說明拌合物工作性能受石灰石粉比表面積的影響較低,各項指標基本相近。因此,石灰石粉摻量是影響拌合物工作性能的關鍵因素,比表面積(細度)的影響很低,石灰石粉的摻入可以有效促進拌合物工作性能[9-12]。

將石灰石粉等量替代水泥摻入混凝土中,其較好的填充和微集料效應能夠減少拌合物用水量,粒徑更小的石粉可以填充水泥顆粒間的空隙,起到一定的分散效應,并且對初期水泥解絮具有積極促進作用,有利于改善拌合物工作性。摻入石灰石粉相當于降低了水泥用量,在水膠比相同情況下使得水化速率放緩,從而降低拌合物坍落度損失。

2.2 混凝土抗壓強度

試驗測定不同摻量及比表面積石灰石粉混凝土的3d、28d齡期抗壓強度,如圖1所示。

(a)3d齡期

由圖1可知,摻10%Ⅲ類石粉組均明顯高于基準對照組各齡期抗壓強度,而摻Ⅰ類、Ⅱ類石粉組與基準對照組各齡期強度基本相同,說明摻比表面積較小石灰石粉,對早期強度的增強效果不明顯,甚至有所降低;隨著比表面積的增大,石灰石粉對早期強度的增強效果明顯提升,在不改變拌合物坍落度的條件下,比表面積越大石灰石粉增強后期強度的作用效果越明顯。摻20%、30%石灰石粉混凝土的3d和28d齡期強度均有所減小,并且降幅較為明顯,隨著摻量的進一步增加石灰石粉不利于抗壓強度的提升,實際應用時應控制石粉摻量不宜過高,在水工混凝土一般≤10%。

水工混凝土是一種由碎石、砂、水泥、摻合料等粒徑連續顆粒堆積而成的復合材料,砂填充碎石之間的空隙,水泥顆粒填充砂之間的空隙,并以粒徑更細的摻合料填充水泥之間的空隙[13]。石粉相較于水泥的細度更小,在混凝土中發揮一定的骨架填充作用,可以改善水泥基體的整體密實性,因此細度越小越有利于增強強度,但石粉摻量過高相當于水泥參與水化反應的總量過小,水泥生成的網絡結構變得稀疏,從而大大降低混凝土的強度。

2.3 混凝土抗氯離子滲透性

試驗測定不同摻量及比表面積石粉混凝土的氯離子擴散系數,并進一步分析影響規律,如圖2所示。

圖2 氯離子擴散系數

由圖2可知,摻石粉組相較于基準對照組的氯離子擴散系數明顯較高,說明石粉的摻入會使混凝土抗氯離子滲透能力下降。通過對比分析發現,Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3組混凝土的氯離子擴散系數隨著石灰石粉摻量的增加逐漸增大,Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3組和Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅲ-3組混凝土也表現出相似的變化規律。另外,Ⅰ-1、Ⅱ-1和Ⅲ-1組試件的氯離子擴散系數相差很小,而Ⅰ-2、Ⅱ-2、Ⅲ-2組和Ⅰ-3、Ⅱ-3、Ⅲ-3組試件的氯離子擴散系數也相近,說明抗氯離子滲透性受石粉細度的影響較低,主要與摻量相關,并且抗氯離子滲透性隨摻量的增大而下降。

3 結 論

1)石灰石粉的摻入可以明顯提高新拌混凝土坍落度初始值,有效改善拌合物坍落度保持性,摻入適量范圍的石粉能夠降低坍落度損失,其工作性能隨著石粉摻量的增加逐漸改善。石粉摻量是影響拌合物工作性能的關鍵因素,比表面積(細度)的影響很低,這是因為摻入石粉相當于降低了水泥用量,在水膠比相同情況下使水化速率放緩,降低了拌合物坍落度損失。

2)摻10%比表面積780m2/kg的石粉可以明顯混凝土抗壓強度,而摻比表面積較小石灰石粉,對早期強度的增強效果不明顯,甚至有所降低;在不改變拌合物坍落度的條件下,比表面積越大石灰石粉增強后期強度的作用效果越明顯。另外,隨著摻量的進一步增加石粉的增強作用減弱,實際應用時應控制石粉摻量不宜過高,在水工混凝土中石灰石粉摻量≤10%。

3)摻石粉明顯高于未摻時的抗氯離子滲透性,說明抗氯離子滲透性受石粉細度的影響較低,主要與摻量相關,并且抗氯離子滲透性隨摻量的增大而下降。