巖石粉類型對(duì)混凝土長(zhǎng)齡期耐久性能的影響研究

何濤，劉方，夏京亮，王中文，榮國(guó)城，譚立心，羅平生，關(guān)青鋒，周永祥

（1.保利長(zhǎng)大工程有限公司，廣東 廣州 510620；2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；3.國(guó)家建筑工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

0 引言

近年來(lái)，在高效外加劑的推動(dòng)下，制備工作性良好且力學(xué)性能、耐久性能優(yōu)異的低水膠比混凝土難度大幅度下降。然而低水膠比混凝土水泥用量往往偏大，混凝土拌合物早期水化熱偏高，容易產(chǎn)生劇烈收縮，形成開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。為提高混凝土體積穩(wěn)定性，改善硬化漿體原始微缺陷，降低混凝土生產(chǎn)成本，將惰性粉末材料（如巖石粉）替代一部分水泥熟料制備混凝土成為常見(jiàn)方法。

目前國(guó)內(nèi)外較多學(xué)者關(guān)于石粉對(duì)混凝土性能的影響方面進(jìn)行了深入研究，姚燕等[1]通過(guò)流變性能試驗(yàn)、石粉表面PCE吸附量和Zeta電位等試驗(yàn)研究了白云巖石粉對(duì)水泥凈漿和膠砂工作性能的影響。戈雪良等[2]采用白云巖石粉作為摻合料制備二級(jí)配、三級(jí)配碾壓混凝土，研究高摻量白云巖石粉對(duì)碾壓混凝土性能的影響。Dobiszewska M等[3]采用廢棄玄武巖石粉替代部分細(xì)骨料制備混凝土，發(fā)現(xiàn)摻入玄武巖石粉可改善骨料-漿體界面過(guò)渡區(qū)，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。Scrivener K等[4]采用石灰石粉和煅燒黏土取代45%水泥熟料制備LC3新型水泥，具有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效益。然而，由不同巖石粉磨而成的巖石粉因化學(xué)組成、粒徑和表面粗糙度等不同，對(duì)混凝土性能的影響可能有所差別，現(xiàn)有研究[5-7]主要集中在漿體工作性能和力學(xué)性能，缺乏耐久性能研究。同時(shí)現(xiàn)有對(duì)巖石粉混凝土性能的研究齡期較短（28~90 d），巖石粉混凝土長(zhǎng)齡期性能演變規(guī)律尚未得到充分認(rèn)識(shí)。

因此，本文選取花崗巖、玄武巖、片麻巖和石灰?guī)r制備相應(yīng)巖石粉，通過(guò)取代20%水泥制備不同水膠比巖石粉混凝土，研究測(cè)試齡期長(zhǎng)達(dá)1080 d時(shí)混凝土的耐久性能（干燥收縮變形、抗碳化性能、抗氯離子滲透性能和抗硫酸鹽腐蝕性能等）的變化趨勢(shì)，探討巖石粉類型、水膠比和齡期等因素對(duì)混凝土耐久性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

巖石粉：石灰?guī)r石粉（SH）、玄武巖石粉（XW）、花崗巖石粉（HG）和片麻巖石粉（PM），4種巖石粉的基本性能見(jiàn)表1，主要化學(xué)成分見(jiàn)表2；水泥：P·Ⅰ42.5水泥，比表面積349 m2/kg，密度3.15 g/cm3，初凝時(shí)間為138 min，終凝時(shí)間為218 min；粉煤灰：Ⅱ級(jí)，燒失量2.5%，45μm篩篩余13.1%，7、/28 d活性指數(shù)分別為71%和74%；砂：天然砂，表觀密度2640 kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.5；石：5~20 mm連續(xù)級(jí)配花崗巖碎石，吸水率0.5%，表觀密度2668 kg/m3；聚羧酸減水劑：固含量23.4%；水：自來(lái)水。

表1 天然巖石粉的基本性能

表2 天然巖石粉的主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)配合比

設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C30和C60，對(duì)應(yīng)水膠比為0.47和0.32，采用巖石粉等質(zhì)量取代20%水泥，并設(shè)計(jì)粉煤灰等質(zhì)量取代20%水泥為對(duì)比組，具體配合比見(jiàn)表3。

表3 巖石粉混凝土的配合比

1.3 試驗(yàn)方法

巖石粉混凝土的耐久性能依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試?；炷涟韬贤戤吅罅⒓囱b入塑料模具，在試件上表面覆蓋塑料薄膜以防止水分蒸發(fā)，在23℃室內(nèi)環(huán)境下靜置24 h后拆模，然后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。干燥收縮試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm，養(yǎng)護(hù)至1、3、7、28、56、90、180、360、720、1080 d時(shí)分別測(cè)試試件長(zhǎng)度，計(jì)算混凝土的干燥收縮率。電通量試驗(yàn)齡期為56、180、360、720、1080 d，試件尺寸為φ100 mm×50 mm。在碳化深度試驗(yàn)中，首先將尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件養(yǎng)護(hù)至28 d，然后移入快速碳化箱分別放置3、7、14、28 d，利用酚酞試劑測(cè)試碳化深度，另取一批養(yǎng)護(hù)28 d的試件置于室外環(huán)境90、180、360、540、720、1080 d，以觀察在自然條件下巖石粉混凝土試件的抗碳化性能。制備100 mm×100 mm×100 mm立方體試件進(jìn)行抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，試件養(yǎng)護(hù)至28 d后，放入裝有濃度為5%Na2SO4溶液的試件盒中，并按GB/T 50082—2009要求移入干濕循環(huán)試驗(yàn)裝置中；干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到150次時(shí)將試件取出測(cè)試抗壓強(qiáng)度，同時(shí)測(cè)試養(yǎng)護(hù)時(shí)間和干濕循環(huán)時(shí)間相同的對(duì)比試件抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 巖石粉混凝土的干燥收縮

當(dāng)混凝土處于干燥環(huán)境時(shí)，內(nèi)部毛細(xì)孔自由水和凝膠體吸附水等容易往外界蒸發(fā)，引起毛細(xì)孔液柱彎液面曲率半徑縮小，對(duì)孔壁施加的拉應(yīng)力增大，引發(fā)漿體發(fā)生體積收縮（即干燥收縮）。當(dāng)干燥收縮拉應(yīng)力超過(guò)混凝土漿體抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土產(chǎn)生表面裂縫和內(nèi)部貫通裂縫，外界腐蝕介質(zhì)更容易入侵漿體內(nèi)部，造成混凝土耐久性劣化。不同水膠比下巖石粉混凝土長(zhǎng)齡期干燥收縮變化見(jiàn)圖1和表4。

表4 巖石粉混凝土干燥收縮指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

圖1 不同水膠比下巖石粉混凝土長(zhǎng)齡期干燥收縮率變化

由圖1可見(jiàn)，總體而言，含不同類型巖石粉混凝土干燥收縮發(fā)展曲線均存在顯著的“雙階段”特征，即混凝土在1~180 d快速收縮，在180~1080 d收縮緩慢增長(zhǎng)。測(cè)試齡期為1~90 d時(shí)，巖石粉混凝土同樣存在“雙階段”特征，此時(shí)28 d為階段分界點(diǎn)。

由表4可知：

（1）對(duì)于不同水膠比或摻入不同類型巖石粉的混凝土試件，90 d干燥收縮率為1080 d干燥收縮率的78%~87%；高水膠比下該比值較低，主要分布在78%~81%，這是因?yàn)楦咚z比漿體用水量較高，漿體硬化后孔隙率較高，大孔徑孔隙體積較高，毛細(xì)孔中留存的自由水較多，在干燥環(huán)境中混凝土產(chǎn)生的水分蒸發(fā)效應(yīng)更加劇烈，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，故90 d后仍會(huì)產(chǎn)生較大收縮變形，90 d收縮率占比因而降低。

（2）摻入不同類型巖石粉時(shí)，混凝土干燥收縮變形在快速收縮階段差異較小，在180 d后出現(xiàn)差距。對(duì)水膠比為0.47的C30混凝土，PM-30組的1080 d最終收縮率最小，為545×10-6，比最高值XW-30組減小了33×10-6，摻入粉煤灰時(shí)最終干燥收縮有所增大（585×10-6），推測(cè)是由于粉煤灰的摻入令漿體孔徑分布從粗大孔徑往中等孔徑變化，孔徑細(xì)化導(dǎo)致毛細(xì)孔彎液面曲率半徑變小，自由水分在遷移過(guò)程收到更顯著的迂回滯留、碰撞摩擦等作用，蒸發(fā)難度升高，導(dǎo)致水分滯留量高[8]，蒸發(fā)過(guò)程延長(zhǎng)，在后期仍存在一定蒸發(fā)速率。水膠比為0.32的C60巖石粉混凝土與C30混凝土的干燥收縮率變化規(guī)律類似，即90 d前各巖石粉組干燥收縮發(fā)展基本一致，在180 d后逐漸出現(xiàn)差異，不同巖石粉混凝土1080 d最終干燥收縮率最高值與最低值相差37×10-6?？梢?jiàn)不同巖石粉混凝土干燥收縮變形最終值雖有不同，但差異較小。

（3）以巖石粉混凝土最終干燥收縮率的最小值為基準(zhǔn)，對(duì)各組巖石粉混凝土的最終干燥收縮率進(jìn)行歸一化，可以看出，不同水膠比混凝土含有不同類型巖石粉時(shí)，干燥收縮率最終值差距不超過(guò)7.5%。從表1各巖石粉的基本性能可知，不同巖石粉的MB值、細(xì)度均接近，在混凝土漿體中產(chǎn)生相似填充效應(yīng)和成核效應(yīng)，雖然石粉顆粒表面吸附性因化學(xué)組成或表面Zeta電位不同而存在差異[9]，但對(duì)混凝土性能的影響有限，因而混凝土強(qiáng)度（28 d立方體抗壓強(qiáng)度）和體積穩(wěn)定性受巖石粉類型影響不大。與FA-30組試件不同的是，F(xiàn)A-60組試件干燥收縮最終值低于巖石粉組，這是因?yàn)樗z比較低時(shí)，混凝土用水量降低，漿體密實(shí)度較高，粉煤灰則通過(guò)火山灰效應(yīng)消耗毛細(xì)孔、凝膠孔中的水分[10]，進(jìn)一步降低漿體孔隙連通程度和孔徑分布范圍，導(dǎo)致漿體可蒸發(fā)水量減少，干燥收縮率因而下降。

（4）將混凝土干燥收縮率達(dá)到1080 d最終干燥收縮率的50%所需時(shí)間定義為干燥收縮半衰期，將干燥收縮半衰期時(shí)刻的干燥收縮率與干燥收縮半衰期的比值定義為半衰期收縮率。對(duì)于水膠比為0.32的混凝土，摻入不同巖石粉或粉煤灰對(duì)干燥半衰期和半衰期收縮率影響不大。然而0.47水膠比試件中SH-30組和XW-30組干燥收縮半衰期明顯高于其他巖石粉組，同時(shí)半衰期收縮率亦較小，說(shuō)明將石灰石粉和玄武巖石粉摻入高水膠比混凝土是延遲混凝土干燥收縮發(fā)展的有效途徑，有利于降低混凝土收縮開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

為描述混凝土干燥收縮“雙階段”發(fā)展特征，不同文獻(xiàn)提出了雙曲線函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)等預(yù)測(cè)模型：

式中：a、b——常數(shù)；

εp——干燥收縮預(yù)測(cè)值；

ε∞——最終收縮率；

p——細(xì)骨料參數(shù)；

fcs——28 d立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；

t0、t——干燥收縮起始齡期和測(cè)試齡期，d。

然而上述文獻(xiàn)研究的干燥收縮齡期較短，本文根據(jù)長(zhǎng)達(dá)1080 d干燥收縮測(cè)試結(jié)果，借鑒現(xiàn)有數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型，提出雙指數(shù)函數(shù)形式的巖石粉混凝土長(zhǎng)齡期干燥收縮回歸模型[14]：

式中：ε0、A、B、C、D——模型參數(shù)。

為量化式（4）對(duì)巖石粉混凝土干燥收縮的預(yù)測(cè)精度，采用均方根誤差RMS Error進(jìn)行誤差分析[15]：

式中：P——均方根誤差RMS Erro，%；

εi——第i個(gè)齡期干燥收縮實(shí)測(cè)值；

εp，i——第i個(gè)齡期干燥收縮預(yù)測(cè)值；

n——總測(cè)試齡期數(shù)，取10。

上述模型參數(shù)ε0、A、B、C、D以及均方根誤差計(jì)算值如表5所示。

表5 巖石粉混凝土干燥收縮預(yù)測(cè)模型的相關(guān)參數(shù)

由表5可知，模型的R2均大于0.980，P值小于5%，且從圖1可知，式（4）曲線與干燥收縮實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)非常接近，可見(jiàn)本文提出的雙指數(shù)模型對(duì)巖石粉混凝土干燥收縮變形預(yù)測(cè)具有良好適用性。

2.2 巖石粉混凝土的抗氯離子滲透性能（見(jiàn)圖2）

圖2 巖石粉混凝土長(zhǎng)齡期抗氯離子滲透性能變化規(guī)律

由圖2可見(jiàn)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，不同水膠比巖石粉混凝土的電通量呈下降趨勢(shì)，其中水膠比為0.47的巖石粉混凝土電通量在90~180 d之間快速下降，此后進(jìn)入緩慢降低階段；水膠比為0.32的試件電通量則保持緩慢降低趨勢(shì)至720 d，此后基本不變?？傮w而言，摻入不同類型巖石粉對(duì)混凝土電通量有一定影響，PM-30、SH-30、HG-30、XW-30試件1080 d電通量分別為2010、1965、1780、1620 C，玄武巖石粉混凝土的1080 d電通量較片麻巖石粉混凝土降低了19.4%；PM-60、SH-60、HG-60、XW-60試件1080 d電通量分別為680、720、789、651 C，玄武巖石粉混凝土的1080 d電通量較花崗巖石粉混凝土降低了17.5%。在不同水膠比下，玄武巖石粉混凝土電通量更低，意味著在本文采用的石粉基本性能條件下，玄武巖石粉相對(duì)于其他3類石粉更有利于提高混凝土抗氯離子性能。安明喆等[16]采用玄武巖碎石制備混凝土，發(fā)現(xiàn)玄武巖混凝土強(qiáng)度、電通量和抗凍性能均優(yōu)于石灰?guī)r混凝土和碎卵石混凝土。玄武巖屬于基性噴出火成巖，二氧化硅含量高，在局部迅速冷卻過(guò)程中形成一定量非晶質(zhì)玻璃體，具有微量火山灰活性[17]，形成更多低鈣硅比的水化產(chǎn)物以填充孔隙，有利于降低混凝土漿體孔隙率和毛細(xì)孔連通程度，延緩水分或離子的遷移過(guò)程。

另一方面，降低水膠比可有效提高巖石粉混凝土的抗氯離子滲透性能，1080 d時(shí)，XW-60組電通量較XW-30組降低了59.8%。FA-30組1080 d電通量為622 C，較XW-30組降低了61.6%；FA-60組1080 d電通量為495 C，較XW-60組降低了24.0%，可見(jiàn)摻入粉煤灰亦可顯著降低混凝土電通量，且在高水膠比混凝土中其改善效果較明顯。

2.3 巖石粉混凝土的抗碳化性能

巖石粉混凝土在自然碳化環(huán)境下1080 d碳化深度測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 巖石粉混凝土1080 d碳化深度測(cè)試樣本

由圖3可以看出，水膠比為0.32的巖石粉混凝土在自然碳化環(huán)境下1080 d的碳化深度基本為0，故僅對(duì)水膠比為0.47的巖石粉混凝土碳化深度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。

圖4 巖石粉混凝土加速碳化深度和長(zhǎng)齡期自然碳化深度測(cè)試結(jié)果

從圖4（a）可以看出，隨著齡期（試件接觸二氧化碳的時(shí)間）延長(zhǎng)，摻入不同巖石粉的試件碳化深度逐漸增加。摻入不同巖石粉對(duì)混凝土抗碳化性能有一定影響，但不顯著。28 d齡期時(shí)，石灰?guī)r石粉組的碳化深度最大，為9.92 mm，玄武巖石粉組的碳化深度最小，為9.22 mm，相比SH-30組降低約7%。粉煤灰組碳化深度同樣隨齡期延長(zhǎng)而增大，但是碳化深度顯著小于巖石粉混凝土組，28 d時(shí)FA-30的碳化深度為7.67 mm，比XW-30組減小16.8%，可見(jiàn)粉煤灰有利于提高混凝土抵抗碳化性能，若利用巖石粉和粉煤灰形成復(fù)合摻合料體系，則可通過(guò)進(jìn)一步調(diào)整配合比參數(shù)使混凝土的抗碳化性能達(dá)到最優(yōu)[18]。由圖4（b）可見(jiàn)，將試件放置于室外空曠處進(jìn)行自然碳化試驗(yàn)時(shí)，不同巖石粉混凝土的碳化深度同樣隨著齡期延長(zhǎng)而增大，齡期達(dá)到1080 d時(shí)，PM-30、SH-30、HG-30、XW-30和FA-30組的碳化深度分別為8.28、8.68、9.21、9.28、7.85 mm。

對(duì)比加速碳化和自然碳化條件下巖石粉混凝土碳化深度的變化趨勢(shì)可發(fā)現(xiàn)，雖然加速碳化測(cè)試齡期僅達(dá)到28 d，但28 d的碳化深度和自然碳化下1080 d的碳化深度基本相近，加速碳化是縮短混凝土抗碳化性能測(cè)試時(shí)間的有效方法。

2.4 巖石粉混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性能

定義與受硫酸鹽腐蝕試件同齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)強(qiáng)度，150次干濕循環(huán)后受硫酸鹽腐蝕的混凝土試件抗壓強(qiáng)度為腐蝕后強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 巖石粉混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性能

由圖5可見(jiàn)：

（1）在0.47水膠比時(shí)，摻入不同巖石粉的混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度接近，但在0.32水膠比時(shí)玄武巖石粉和石灰石粉混凝土組的基準(zhǔn)強(qiáng)度較高；摻入粉煤灰可通過(guò)火山灰效應(yīng)提高混凝土水化產(chǎn)物生成量，改善漿體孔隙結(jié)構(gòu)和界面過(guò)渡區(qū)[19]，故基準(zhǔn)強(qiáng)度高于巖石粉混凝土。經(jīng)過(guò)150次干濕循環(huán)后，各巖石粉混凝土試件腐蝕后強(qiáng)度均出現(xiàn)不同程度下降。

（2）水膠比為0.47的巖石粉混凝土試件耐蝕系數(shù)較低，HG-30組為79.3%，SH-30組為84.6%；水膠比為0.32時(shí)，各巖石粉組試件的抗硫酸鹽腐蝕性能顯著提高，SH-60組耐蝕系數(shù)為93.7%，HG-60組為88.7%。摻入粉煤灰后，混凝土耐蝕系數(shù)相對(duì)于巖石粉混凝土更高，F(xiàn)A-30和FA-60組試件耐蝕系數(shù)分別為90.2%和98.1%。摻入石灰石粉后混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能比摻入其他巖石粉的試件高。有研究表明[20]，石灰?guī)r石粉中碳酸鈣組分在水化環(huán)境中可溶解出CO32-和Ca2+，與水泥熟料中的C3A、水化產(chǎn)物Ca（OH）2和水分等生成熱穩(wěn)定性的單碳鋁酸鹽，促進(jìn)漿體密實(shí)化，抑制硫酸鹽的侵蝕。

3 結(jié)論

（1）巖石（包括玄武巖、花崗巖、石灰?guī)r和片麻巖）粉混凝土的干燥收縮變形呈現(xiàn)“雙階段特征”，即在1~180 d為快速收縮階段，180~1080 d為穩(wěn)定收縮階段；巖石粉混凝土的90 d干燥收縮值為1080 d的78%~87%，其占比隨水膠比的減小而上升；摻入不同巖石粉時(shí)混凝土1080 d干燥收縮最終值波動(dòng)幅度小于7.5%；雙指數(shù)函數(shù)模型適用于預(yù)測(cè)巖石粉混凝土長(zhǎng)齡期干燥收縮行為。

（2）巖石粉混凝土的電通量隨齡期延長(zhǎng)逐漸降低，摻入粉煤灰或降低水膠比可有效降低混凝土電通量，巖石粉類型對(duì)混凝土電通量的影響有限。

（3）水膠比為0.32的巖石粉混凝土在自然碳化條件下1080 d碳化深度基本為0，在本文試驗(yàn)條件下，0.47水膠比巖石粉混凝土在加速碳化條件下的28 d碳化深度與自然碳化條件下1080 d的碳化深度較接近，玄武巖石粉混凝土的抗碳化能力稍強(qiáng)于其他巖石粉混凝土，摻入粉煤灰可有效減小碳化深度。

（4）摻入石灰?guī)r石粉有利于提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能，巖石粉混凝土150次干濕循環(huán)下的強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨水膠比的減小而提高，最終可達(dá)到88%~94%。