摻石灰石粉混凝土長(zhǎng)期耐久性研究

王 毅， 冉 璟

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 監(jiān)測(cè)及試驗(yàn)研究所，四川 成都 610072)

摻石灰石粉混凝土長(zhǎng)期耐久性研究

王 毅， 冉 璟

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 監(jiān)測(cè)及試驗(yàn)研究所，四川 成都 610072)

為研究摻石灰石粉混凝土在實(shí)際工程中的長(zhǎng)期耐久性，結(jié)合某工程進(jìn)行摻石灰石粉混凝土的澆筑，并于2 a后進(jìn)行鉆芯取樣，通過(guò)SEM、XRD、孔徑分析及氣泡參數(shù)分析，對(duì)其微觀形貌、水化產(chǎn)物、孔結(jié)構(gòu)及氣泡參數(shù)進(jìn)行了分析，并與粉煤灰混凝土進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明：混凝土芯樣微觀結(jié)構(gòu)致密，孔結(jié)構(gòu)均勻細(xì)化，氣泡參數(shù)合理，表現(xiàn)出良好的抗凍和抗?jié)B性能，表明摻石灰石粉混凝土具有良好的長(zhǎng)期耐久性。

混凝土；摻合料；石灰石粉；芯樣；耐久性

1 概 述

水電能源作為可再生能源受到國(guó)家極大的重視并得到大力發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)未開(kāi)發(fā)的水電資源主要集中在西藏及與西藏緊鄰的四川、云南和青海地區(qū)。受區(qū)域發(fā)展的限制，該地區(qū)基本沒(méi)有大型的熱電廠，致使在水電工程中普遍使用的摻合料——粉煤灰資源極度匱乏。如果從內(nèi)地運(yùn)輸，由于運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，粉煤灰成本很高(甚至高于水泥單價(jià))，致使工程用混凝土造價(jià)高，不經(jīng)濟(jì)。同時(shí)受運(yùn)輸距離遠(yuǎn)、運(yùn)輸路況差等影響，運(yùn)輸保障率也會(huì)大幅降低。粉煤灰短缺問(wèn)題已成為水電開(kāi)發(fā)中一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。因此，尋找替代粉煤灰的新型摻和料勢(shì)在必行。

石粉主要為由石灰?guī)r、花崗巖等石料經(jīng)機(jī)械加工后的顆粒小于0.16 mm的微細(xì)粒，其廉價(jià)、易獲得，如果其可用作混凝土摻和料，則對(duì)于就地取材、降低工程造價(jià)具有積極意義。目前，在石粉當(dāng)中對(duì)石灰石粉在混凝土中的應(yīng)用研究最多，其中原因之一就是因?yàn)槭沂畠r(jià)且易磨性好。研究表明：石灰石粉的摻入可以改善新拌混凝土的和易性，提高混凝土的抗?jié)B性能。石灰石粉在混凝土中主要起填充作用，可以改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)[1]。另外，石灰石粉顆粒的成核效應(yīng)會(huì)促進(jìn)C3S的早期水化[2]，提高混凝土的早期強(qiáng)度；但石灰石粉活性較低，石灰石粉混凝土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)不如粉煤灰混凝土。

雖然大量的研究表明石灰石粉用作混凝土摻和料在技術(shù)上可行，但由于石灰石粉活性較低，從而其更多的是在混凝土中起物理填充作用，與傳統(tǒng)的活性摻和料區(qū)別較大。目前，尚無(wú)資料對(duì)其在實(shí)際工況中的長(zhǎng)期耐久性進(jìn)行研究，人們對(duì)其長(zhǎng)期性能仍存有疑慮，進(jìn)而影響到它的推廣使用。筆者針對(duì)該問(wèn)題，對(duì)澆筑2 a的摻石灰石粉混凝土進(jìn)行了鉆芯取樣，運(yùn)用SEM、XRD和孔徑分析等手段對(duì)摻石灰石粉混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并與粉煤灰混凝土進(jìn)行了對(duì)比，為全面了解摻石灰石粉混凝土在實(shí)際工況下的長(zhǎng)期耐久性能提供了數(shù)據(jù)參考。

2 試驗(yàn)混凝土的相關(guān)資料

本次試驗(yàn)選擇三級(jí)配大壩常態(tài)混凝土，設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C9015W4F100，摻和料為粉煤灰與石灰石粉復(fù)摻方案。采用的膠凝材料為P.MH42.5中熱水泥，摻和料為Ⅱ級(jí)粉煤灰和石灰石粉，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，粉煤灰和石灰石粉的物理力學(xué)性能見(jiàn)表2。

試驗(yàn)采用的骨料為工地現(xiàn)場(chǎng)砂石系統(tǒng)生產(chǎn)的花崗巖人工骨料，骨料的密度為2.66 kg/m3，人工砂的細(xì)度模數(shù)為2.9，石粉含量為11.5%。配合比及拌合物性能見(jiàn)表3。

混凝土澆筑時(shí)，在出機(jī)口對(duì)混凝土進(jìn)行了取樣，并對(duì)混凝土的強(qiáng)度、抗凍和抗?jié)B性能進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

為使取樣具有代表性，在三個(gè)不同澆筑部位鉆取了三組芯樣，直徑150 mm(圖1)。根據(jù)取芯部位將芯樣分別編號(hào)A、B和C，并對(duì)其基本物理力學(xué)性能進(jìn)行了檢測(cè)(表5)，從檢測(cè)結(jié)果可以看到混凝土后期強(qiáng)度有將近50%的增長(zhǎng)幅度。

表1 主要原材料化學(xué)成分表

表2 粉煤灰和石灰石粉物理力學(xué)性能表

表3 混凝土配合比表

表4 出機(jī)口混凝土性能表

圖1 混凝土芯樣外觀圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)是混凝土微觀結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其對(duì)混凝土材料的抗?jié)B性能、抗凍性能、力學(xué)性能等宏觀物理性能具有重要的影響。

筆者對(duì)混凝土芯樣分別進(jìn)行了掃描電鏡(SEM)測(cè)試、X射線衍射分析(XRD)測(cè)試、壓汞法孔結(jié)構(gòu)測(cè)試和氣泡參數(shù)測(cè)試。為了比較石灰石粉混凝土與粉煤灰混凝土微觀結(jié)構(gòu)的差異，選擇了一個(gè)室內(nèi)成型養(yǎng)護(hù)的全摻粉煤灰混凝土(編號(hào)D)作為對(duì)比樣。

3.1 SEM測(cè)試

在四組混凝土試件中各取砂漿小試塊進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試，試樣SEM圖片見(jiàn)圖2。由圖2可以看出：試樣A和C中已看不到明顯的粉煤灰和石灰石粉顆粒，水化程度較高；試樣B有些泛白，可能是未水化的石灰石粉；試樣D中粉煤灰明顯已發(fā)生水化，其表面覆蓋了水化產(chǎn)物Ca(OH)2晶體，已由圓滑的球形變?yōu)槔饨菭??？傮w來(lái)看，四個(gè)試樣表觀形貌均較為致密，不存在明顯的孔隙。

表5 混凝土芯樣物理力學(xué)性能表

3.2 XRD測(cè)試

X射線衍射分析(XRD)可以通過(guò)對(duì)混凝土進(jìn)行X射線衍射分析其衍射圖譜，獲得混凝土的成分、內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)等信息。

在四組混凝土試件中各取砂漿小試塊進(jìn)行XRD測(cè)試，試樣X(jué)RD圖譜見(jiàn)圖3。

(a)試樣A

(b)試樣B

(c)試樣C

(d)試樣D 圖2 試樣SEM圖像

圖3 混凝土試樣X(jué)RD圖譜

由圖3可以看出：XRD圖譜中主要存在SiO2、Ca(OH)2兩種晶體。因?yàn)樗鶞y(cè)試的試樣取自混凝土樣品中的砂漿，砂的含量高，因此，在每個(gè)試樣中均存在較為明顯的SiO2晶體的衍射峰。D試樣中XRD圖譜存在C3S，為未水化的水泥礦物；B試樣X(jué)RD圖譜中存在一個(gè)較為明顯的CaCO3晶體衍射峰，結(jié)合SEM觀測(cè)結(jié)果看，筆者認(rèn)為其是未水化的石灰石粉；A和C中沒(méi)有明顯的CaCO3晶體衍射峰，說(shuō)明石灰石粉可能已發(fā)生了水化。

3.3 壓汞法孔結(jié)構(gòu)測(cè)試

混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)是混凝土微觀結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其對(duì)混凝土材料的抗?jié)B性能、抗凍性能、力學(xué)性能等宏觀物理性能具有重要的影響。一般而言，混凝土孔隙的重要參數(shù)有：(1)累計(jì)孔隙體積；(2)最可幾孔徑；(3)閾值孔徑。在四組混凝土試件中各取砂漿小試塊進(jìn)行壓汞法孔結(jié)構(gòu)測(cè)試，試件孔徑分布微分和累計(jì)曲線見(jiàn)圖4。

(a) 混凝土試件孔徑累計(jì)曲線圖 (b) 混凝土試件孔徑微分曲線圖圖4 混凝土試件孔徑分布微分和累計(jì)曲線圖

(1)孔隙率：微分曲線與橫軸包納的面積表示總孔隙面積，其面積越大，試件的孔隙總體積越大。從圖4(a)可以看出：試樣A、C和D總孔隙率接近，B孔隙率相對(duì)較大。

(2)最可幾孔徑：為出現(xiàn)概率最高的孔徑。由圖4(b)可以看出：四種試樣的最可幾孔徑均小于100 nm，其中試樣A和D的最可幾孔徑小于10 nm。據(jù)最可幾孔徑的大小，混凝土中的孔一般可以分為凝膠孔(<10 nm)、過(guò)渡孔(10～100 nm)、大毛細(xì)孔(100～1 000 nm)。其中凝膠孔為無(wú)害孔，過(guò)渡孔對(duì)混凝土體積的穩(wěn)定性具有重要影響，對(duì)混凝土耐久性影響較小，為少害孔；而大毛細(xì)孔對(duì)混凝土耐久性有重要影響，應(yīng)盡量減少。從測(cè)試結(jié)果看，上述混凝土試樣的孔隙均以無(wú)害孔和少害孔為主，孔隙較細(xì)，其中試樣B的大毛細(xì)孔相對(duì)較多。

(3)閾值孔隙：壓入汞體積開(kāi)始急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的孔徑反映了混凝土中孔隙的連通性和滲透路徑的曲折性，閾值孔隙越大，表明其連通性越好，反之則差。四種試樣閾值孔隙均小于100 nm，表明上述試樣均以小孔隙為主，孔隙的連通性較差。

3.4 氣泡參數(shù)測(cè)試

RapidAir型硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀是由Concrete Experts International公司研發(fā)的，是以人工顯微鏡直線導(dǎo)線法為基礎(chǔ)，融合高倍攝像頭自動(dòng)掃描系統(tǒng)與圖像分析軟件二合一的全自動(dòng)儀。筆者基于RapidAir測(cè)試技術(shù)測(cè)試了不同混凝土的氣泡參數(shù)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5和表6。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：粉煤灰混凝土中的直徑1.5～2 mm的氣泡數(shù)量明顯高于摻石灰石粉混凝土，因而其平均孔徑要略大于摻石粉混凝土，總體而言，二者氣泡參數(shù)比較接近。

混凝土抗凍性能與硬化混凝土含氣量、氣泡間距系數(shù)和平均氣泡徑等參數(shù)密切相關(guān)。在一定含氣量下混凝土的抗凍性取決于氣泡的間距系數(shù)和數(shù)量，氣泡間距越小、氣泡個(gè)數(shù)越多，混凝土抗凍性就越好。ACI201.2R(混凝土耐久性導(dǎo)則)指出：抗凍性良好的混凝土，其氣泡間距系數(shù)應(yīng)小于0.2 mm。美國(guó)學(xué)者T. C. Powers指出：當(dāng)氣泡間距系數(shù)小于0.2 mm時(shí)，混凝土具有較好的抗凍性，抗凍等級(jí)可以達(dá)到F300以上。由氣泡參數(shù)測(cè)試結(jié)果可以看到：上述混凝土試樣的氣泡間距系數(shù)均未超過(guò)0.15 mm，小于0.2 mm的臨界值。

(a)試樣A (b)試樣B

(c)試樣C (d)試樣D圖5 氣泡分布圖

編號(hào)測(cè)試結(jié)果含氣量/%氣泡間距系數(shù)/mm氣泡數(shù)量/個(gè)平均弦長(zhǎng)/mm平均孔徑/mmA3.650.11510300.0860.065B5.210.09714690.0860.065C4.150.11510950.0910.068D5.080.11212800.0950.071

3.5 宏觀耐久性測(cè)試

微觀測(cè)試結(jié)果顯示，芯樣中的孔隙以無(wú)害孔和少害孔為主，孔隙細(xì)，連通性差，含氣量合理，氣泡間距系數(shù)小于0.2 mm的臨界值，說(shuō)明其具有良好的抗?jié)B和抗凍融能力。為驗(yàn)證微觀分析結(jié)果，筆者對(duì)芯樣進(jìn)行了抗凍和抗?jié)B測(cè)試。

3.5.1 抗?jié)B性能

由于所鉆取的芯樣尺寸直徑為150 mm的圓柱體，無(wú)法加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，因此，抗?jié)B試驗(yàn)采用φ150×150 mm非標(biāo)準(zhǔn)試件。試驗(yàn)前，將試件置于標(biāo)準(zhǔn)試模中，用高強(qiáng)砂漿填滿(mǎn)試件與試模之間的空隙。為防止水從試件與砂漿中間滲出，在二者的接縫處用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行封閉處理。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 混凝土芯樣抗?jié)B性試驗(yàn)結(jié)果表

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：芯樣B的抗?jié)B等級(jí)達(dá)到W12，芯樣A和C的抗?jié)B等級(jí)超過(guò)W30。芯樣B的滲透系數(shù)略低，這是由于其孔隙率較高、大孔隙數(shù)量較多的緣故，測(cè)試結(jié)果與微觀分析一致。劉數(shù)華[4]研究發(fā)現(xiàn)：石灰石粉在水化早期(28 d)不參與水化反應(yīng)，在水化后期(180 d)逐漸水化。由于石灰石粉比表面積(530 m2/kg)比粉煤灰(350 m2/kg)和水泥(300 m2/kg左右)大，顆粒較細(xì)，早期的填充效應(yīng)明顯，從而使水泥石孔徑細(xì)化，而后期逐漸水化，阻斷了毛細(xì)孔的連通性，因此，摻石灰石粉混凝土表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗?jié)B透能力。

3.5.2 抗凍性能

同樣，由于芯樣尺寸原因，抗凍試驗(yàn)采用φ150×300 mm非標(biāo)準(zhǔn)試件，混凝土芯樣抗凍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：混凝土芯樣抗凍等級(jí)達(dá)到F150以上，其中芯樣A和B殘余動(dòng)彈模量在75%以上。需要說(shuō)明的是：芯樣在取樣、加工時(shí)不可避免地會(huì)對(duì)試件表面和端面原有氣泡結(jié)構(gòu)有所破壞，對(duì)其凍融測(cè)試結(jié)果有所影響。另外，芯樣測(cè)試時(shí)，其已在實(shí)際工程凍融環(huán)境中服役2 a時(shí)間，因此，該結(jié)果可以說(shuō)明其具有較強(qiáng)的抗凍融能力。

表8 混凝土芯樣抗凍試驗(yàn)結(jié)果表

4 結(jié) 論

摻石灰石粉混凝土在礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)方面與粉煤灰混凝土并無(wú)明顯區(qū)別，其水泥石結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)、氣泡參數(shù)與粉煤灰混凝土比較接近；芯樣的宏觀測(cè)試結(jié)果也顯示出其具有良好的抗凍和抗?jié)B性能，表明摻石灰石粉混凝土具有良好的長(zhǎng)期耐久性。但由于試驗(yàn)試件采用的是石灰石粉與粉煤灰復(fù)摻方案，因此，對(duì)于全摻石灰石粉混凝土在實(shí)際工程中的長(zhǎng)期性能仍需進(jìn)一步研究。

[1] 陳劍雄，崔洪濤，陳寒斌, 等．摻入超細(xì)石灰石粉的混凝土性能研究[J]．施工技術(shù)，2004, 33(4): 39-41.

[2] 劉數(shù)華. 石灰石粉對(duì)復(fù)合膠凝材料水化特性的影響[J]. 建筑材料學(xué)報(bào), 2010, 13(2):218-221.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7;TV42;TV41;TV43

B

1001-2184(2017)01-0050-06

王 毅(1988-)，男，河南鄧州人，工程師，碩士，從事水工混凝土材料研究；

冉 璟(1981-)，女，四川成都人，工程師，碩士，從事水工混凝土材料研究.