摻石灰石粉降低混凝土滲透性及吸水性方法研究

陳嘉健

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，廣東 佛山 528000)

摻加石灰石粉改善混凝土性能及降低成本的做法中并非新嘗試.山西省交通科學(xué)研究院鄧亮亮[1]總結(jié)道在用水量相同的條件下，摻入超細(xì)石灰石粉取代部分水泥對混凝土力學(xué)性能影響不大，而在相同坍落度要求下，可通過摻入石灰石粉使得用水量降低的方式來提高混凝土性能.中國礦業(yè)大學(xué)賈福萍等[2]試驗(yàn)表明，石灰石粉置換水泥會削弱混凝土的抗碳化性能力.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)霍俊芳等[3]，石灰石粉摻和量不大于15%時(shí)，抗凍性能均比基準(zhǔn)混凝土高，但隨著石灰石粉的進(jìn)一步提高，抗凍性能變差.邯鄲金隅太行水泥公司王進(jìn)軍[4]指出，石灰石粉置換天然砂為解決細(xì)骨料緊缺的好方法并能滿足混凝土耐久性要求.在石灰石粉的應(yīng)用上，大部分學(xué)者和工程人員[5-6]利用石灰石粉置換水泥，小部分[4]則利用石灰石粉置換細(xì)骨料.前者應(yīng)用石灰石粉方法能降低水泥熟料消耗而且水化熱[6]，但會降低強(qiáng)度，尤其是后期強(qiáng)度[7]，實(shí)際應(yīng)用中往往需要調(diào)低水灰比使強(qiáng)度得到補(bǔ)償[8]，給抗?jié)B等耐久性性能帶來較復(fù)雜的影響[9].由于對于調(diào)高水灰比引致的耐久性、強(qiáng)度影響的憂慮，工程人員往往不愿意采用石灰石粉直接置換水泥，摻加石灰石粉置換水泥或許并非最佳使用石灰石粉的方法.后者應(yīng)用石灰石粉方法對混凝土強(qiáng)度沒有或幾乎沒有不利影響[10]，有學(xué)者研究表明應(yīng)用石灰石粉置換骨料還有助于減少混凝土收縮[11]，降低透水性[12].然而，此方法無助于降低混凝土的水泥熟料消耗量，僅為解決細(xì)骨料短缺問題之法，但并不能作為改善混凝土性能及行業(yè)可持續(xù)性的方法.

由于混凝土骨料顆粒之間的空隙必須完全充滿水泥漿，否則空氣會在混凝土拌合料攪拌時(shí)存在于新拌混凝土中造成強(qiáng)度和耐久性降低.石灰石粉為一種惰性固體，可以充當(dāng)填充物以增加水泥漿、砂漿或混凝土填充密度.相比于上述兩種石灰石粉在混凝土材料中的應(yīng)用方法，更合理的應(yīng)用方法為用于填充混凝土骨料顆粒之間的空隙，使石灰石粉與水泥漿混合成粉漿來填充骨料間空隙，以減少需要填充骨料空隙的水泥漿量.為探索石灰石粉置換水泥漿對混凝土抗?jié)B性、吸水性等耐久性能的影響，本研究展開了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，探索石灰石粉置換水泥漿應(yīng)用方法對混凝土耐久性的影響.

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 材料

水泥采用52.5N水泥,實(shí)驗(yàn)測得該水泥28天強(qiáng)度測得為59.0 MPa.水泥和石灰石粉的密度分別測得為3.11和2.64 g/cm3.通過激光粒度分析儀的分析，水泥和石灰石粉的平均粒徑大小分別為11.4 μm 和 14.5 μm.粗細(xì)骨料最大顆粒分別為20 mm和5 mm，密度分別測得為2.61和2.52 g/cm3，吸水率分別測得為1.01% 和1.89%.

1.2 實(shí)驗(yàn)配比

本研究中，共配制16組水灰比、石灰石體積不同的混凝土配比試件作測試，具體配比列于表1.每一混凝土配比以LF-A-B形式命名，其中LF代表石灰石粉混凝土，A代表水灰比，B代表石灰石粉占混凝土體積比.所有混凝土配比的粉漿體積百分比固定為34%，粗細(xì)骨料量分別固定為672和100 8 kg/m3.當(dāng)摻加石灰石粉時(shí)，水泥漿量隨著石灰石粉量的增加而降低，石灰石粉是水泥漿的置換物而非水泥的置換物.本項(xiàng)目減水劑采用聚羧酸減水劑，以水劑形式摻加至坍落度達(dá)到200 mm以上.減水劑摻量隨石灰石粉摻量的增加而顯著增加.

表1 實(shí)驗(yàn)混凝土配比Tab.1 Mix design of concrete specimens

1.3 測試方法

1.3.1 滲透性測量

每一組混凝土配比以滲透深度作滲透性測量.混凝土試件在27±2 ℃環(huán)境中養(yǎng)護(hù)至28 d齡期后，施加500±50 kPa水壓力施加于試件底部72 h.其后把試件從測試儀器中取出，施加線荷載使試件劈裂為兩半，根據(jù)水痕量度其滲透深度.為保證結(jié)果的精確度，滲透深度結(jié)果采用三個(gè)同期同步測試試件的平均值.

1.3.2 吸水性測量

每一組混凝土配比以吸水系數(shù)作吸水性測量[13].混凝土試件在27 ± 2 ℃環(huán)境中養(yǎng)護(hù)至28 d齡期后，置于100 ℃烘箱中干燥3 d，隨后降溫至室溫.在吸水性測試前，把混凝土試件四周用環(huán)氧樹脂密封，淺浸于水中使試底部與水接觸.其后在不同時(shí)段對試件的質(zhì)量進(jìn)行測量，根據(jù)由于吸水導(dǎo)致試件增加的質(zhì)量(ma)，每單位表面積吸水體積可由式(1)求出.

(1)

式中：A為與水接觸表面的面積；ρ為水的密度.

測試結(jié)果表明，單位與水接觸面積的吸水量會隨時(shí)間增加，關(guān)系式如式(2)所示.

(2)

式中：k為混凝土試件的吸水系數(shù)；t為時(shí)間平方根.

為確定吸水系數(shù)k, 把I為縱坐標(biāo)，t平方根為橫坐標(biāo)作回歸分析，斜率則為吸水系數(shù)k.

1.3.3 可滲透孔隙量測量

由下文中所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析可知，摻加石灰石粉置換水泥漿會顯著減少滲透性和吸水性.為了驗(yàn)證滲透性和吸水性的減少是否是由于石灰石粉填充效應(yīng)引致的孔隙減小所致，本研究作了混凝土配比試件的可滲透空隙量測量.每混凝土配比制作三個(gè)100 mm立方體試件，在28 d齡期后，每一試件于高溫爐中加熱至恒重，然后浸于水中并加熱煮水，最后浸于水中測量水中表觀重量.該方法獲得的可滲透孔隙為可被水填充的空隙量，表示為混凝土體積的百分比.

1.3.4 強(qiáng)度測量

混凝土試件強(qiáng)度測量采用150 mm試件，養(yǎng)護(hù)溫度為27±2 ℃，齡期為28 d.強(qiáng)度結(jié)果采用三個(gè)同期同步測試試件的平均值.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 強(qiáng)度

混凝土試件的28 d齡期立方體強(qiáng)度列于表2的最后一列.強(qiáng)度結(jié)果表明，在相同的水灰比下，摻加石灰石粉置換水泥漿顯著增加混凝土的28 d齡期抗壓強(qiáng)度.摻加石灰石粉帶來的強(qiáng)度提高，一方面是由于摻入石灰石后粉體顆粒量增加，可形成更多微粒核心作為水泥水化附著物，提高了水泥水化率；另一方面是由于石灰石粉的摻入降低了混凝土泌水量，強(qiáng)化了骨料-水泥漿過渡區(qū)域.

2.2 滲透性

滲透性結(jié)果列于表2的第二列，其與水灰比的關(guān)系圖示于圖1.在相同水灰比下，滲透性隨著石灰石粉體積的增加而顯著減少，而此效果在高水灰比下更為明顯.由此可見，摻加石灰石粉置換水泥漿會降低滲透性對水灰比的敏感度.然而，隨著石灰石粉摻加量的增加，繼續(xù)增加石灰石粉所能進(jìn)一步降低滲透性的效果將會減少.

表2 滲水性、吸水性和強(qiáng)度結(jié)果Tab.2 Permeability, sorptivity and strength results

圖1 滲水深度隨水灰比變化情況Fig.1 Variation of penetration depth with W/C ratio

摻加石灰石粉置換水泥而不改變水灰比不僅僅降低滲透深度，也增加混凝土的強(qiáng)度.如果工程上并不需要一個(gè)更高的強(qiáng)度，我們可以調(diào)高水灰比來增加流動(dòng)性及進(jìn)一步降低水泥用量.為揭示摻加石灰石粉在相同強(qiáng)度下減少滲透性的效果，滲透深度與28 d強(qiáng)度的關(guān)系示于圖2.結(jié)果表明，摻加石灰石粉置換水泥漿能在相同強(qiáng)度要求下有效降低混凝土的滲透性.

圖2 滲水深度與立方體強(qiáng)度關(guān)系Fig.2 Variation of penetration depth with cube strength

2.3 吸水性

單位接觸面積吸水率隨時(shí)間平方根的變化情況示于圖3(a)～(d).從圖中可以看出，單位接觸面積吸水率與時(shí)間平方根成線性關(guān)系，此結(jié)果與Kubissa 和 Jaskulski[14]報(bào)導(dǎo)的結(jié)果一致.單位接觸面積吸水率-時(shí)間平方根直線的斜率即為式(2)中的吸水系數(shù)k，得到的吸水系數(shù)列于表2 的第三列，其隨水灰比的變化情況示于圖4.結(jié)果清晰表明，石灰石粉的摻加顯著降低了吸水系數(shù)，可見摻加石灰石粉置換水泥漿可穩(wěn)定地提高混凝土的抗?jié)B性.值得一提的是，Tasdemir[15]通過摻加石灰石粉置換骨料，亦得到吸水系數(shù)的顯著減小，并把吸水性的減小歸因于石灰石粉在水泥漿孔隙中和水泥漿與骨料間空隙中的填充效應(yīng).在摻加石灰石粉置換水泥漿時(shí)，填充效應(yīng)減少了混凝土的孔隙和空隙，此為滲透性和吸水性減小的主要原因.

圖4 吸水系數(shù)隨水灰比變化情況Fig.4 Variation of sorptivity with W/C ratio

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不改變水灰比情況下，石灰石粉置換水泥漿不僅可以減少吸水系數(shù)，而且能增加混凝土的強(qiáng)度.如果工程上并不需要一個(gè)更高的強(qiáng)度，可以調(diào)高水灰比來增加流動(dòng)性及進(jìn)一步降低水泥用量.圖5顯示了在相同強(qiáng)度要求下?lián)郊邮沂壑脫Q水泥漿減少吸水系數(shù)的效果，結(jié)果表明，摻加石灰石粉能在相同強(qiáng)度要求下顯著降低混凝土的吸水系數(shù).

圖5 吸水系數(shù)與立方體強(qiáng)度關(guān)系Fig.5 Variation of sorptivity coefficient with cube strength

3 可滲透空隙對抗?jié)B性能的影響

可滲透孔隙結(jié)果列于表2第四列.每一結(jié)果為三個(gè)平行試件測試結(jié)果的平均數(shù).為更好展示結(jié)果，在0%, 4% 和8%石灰石粉摻量情況下可滲透空隙量與水灰比的關(guān)系示于圖6.可以看到，在相同的水灰比下，可滲透孔隙隨著石灰石粉摻加量的增加而減小，證明了石灰石粉填充了混凝土中孔隙從而減小混凝土的空隙率.

圖6 可滲透孔隙隨水灰比變化情況Fig.6 Variation of permeable pore with W/C ratio

圖7描述了混凝土可滲透孔隙對滲透性的影響.線性回歸分析得到滲透高度與可滲透系數(shù)的關(guān)聯(lián)系數(shù)R2高達(dá)0.887，證明了可滲透孔隙高度決定了混凝土滲透性能.

圖7 滲水深度與可滲透孔隙關(guān)系Fig.7 Variation of penetration depth with permeable pore

類似地，為探討可滲透孔隙如何影響吸水性，吸水系數(shù)與可滲透孔隙的關(guān)系示于圖8.回歸分析得到吸水系數(shù)與可滲透孔隙存在線性關(guān)系，其關(guān)聯(lián)系數(shù)R2為0.910，證明了可滲透孔隙高度決定了混凝土吸水性能.超過0.9的關(guān)聯(lián)系數(shù)R2表明，滲透深度和吸水系數(shù)與可滲透孔隙高度關(guān)聯(lián)，摻加石灰石粉置換水泥漿減少滲透性和吸水性的主要原因?yàn)樘畛浠炷林锌紫妒箍蓾B透孔隙得到減小.

圖8 吸水系數(shù)與可滲透孔隙關(guān)系Fig.8 Variation of sorptivity coefficient with permeable pore

4 結(jié)論

石灰石粉長期以來主要用于置換水泥或置換細(xì)骨料，本項(xiàng)目提出了應(yīng)用石灰石粉置換水泥漿的方法并探討了此應(yīng)用方法對混凝土滲透性和吸水性的影響.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)在相同水灰比下，摻加石灰石粉置換水泥漿能有效減少混凝土的滲水性和吸水性；

(2)在相同強(qiáng)度要求下，摻加石灰石粉置換水泥漿能顯著減少混凝土的滲水深度和吸水系數(shù)；

(3)摻加石灰石粉置換水泥漿會減小混凝土可滲透孔隙；

(4)滲水深度和吸水系數(shù)均與可滲透孔隙高度線性相關(guān).摻入石灰石后獲得的滲水深度和吸水系數(shù)的減小可歸因于摻加石灰石粉達(dá)致的可滲透孔隙減小.

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