水工混凝土摻不同巖石粉的抗凍性能研究

張濟(jì)寧

（法庫(kù)縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 法庫(kù) 110400）

粉體材料多元化是現(xiàn)代混凝土的主要特征之一，惰性粉體材料特別是石灰石粉顯著改變了硬化混凝土和拌合物的性能及混凝土的配制技術(shù)[1]。在多次凍融作用下飽水混凝土?xí)a(chǎn)生微損傷，長(zhǎng)期以往出現(xiàn)開(kāi)裂剝落致使骨料裸露。巖石粉是一種不同于膠凝材料的惰性填料，對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)以及凍融循環(huán)作用下的各項(xiàng)性能影響較大，故研究分析水工混凝土摻不同巖石粉的抗凍性能極具現(xiàn)實(shí)意義[2-3]。目前，我國(guó)許多學(xué)者廣泛研究了混凝土抗凍性受石灰石粉與其它輔助膠凝材料復(fù)合、摻量、細(xì)度等因素的影響，如Li 等研究認(rèn)為凍融循環(huán)350次時(shí)，摻20%花崗巖會(huì)略微降低混凝土動(dòng)彈模量，摻量達(dá)到30%時(shí)會(huì)顯著降低其動(dòng)彈模量；Wang 等通過(guò)分析水泥基材料中石灰石粉的作用，提出仍需進(jìn)一步探討水泥基材料抗凍性受石灰石粉摻入技術(shù)、細(xì)度、摻量的影響；李顏秀等探討了礦渣粉、粉煤灰分別與石灰石粉、花崗巖粉、玄武巖粉及千枚巖粉復(fù)合后，其抗壓強(qiáng)度與膠砂流動(dòng)度的變化特征；劉文嫻等探討了碾壓混凝土抗凍性受玄武巖粉摻合料的影響作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r粉與玄武巖粉碾壓混凝土具有相同的抗凍等級(jí)[4-7]。綜上分析，對(duì)水工混凝土摻玄武巖粉、花崗巖粉、千枚巖粉等其它天然巖石粉的抗凍性能研究還較少，有必要探討水工混凝土摻不同巖石粉時(shí)的抗壓強(qiáng)度和抗凍性能，并進(jìn)一步探討抗凍合金粉、引氣劑、疏水劑和硅灰對(duì)改善抗凍性的效果。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

水泥用鐵新P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥物理性能參照現(xiàn)行檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定，其細(xì)度(80μm)0.8%，安定性(雷氏法)合格，標(biāo)準(zhǔn)稠度24.5%，比表面積350m2/kg，密度3.15g/cm3，初、終凝時(shí)間145min和220min，3d、28d抗折強(qiáng)度6.4MPa和9.5MPa，抗壓強(qiáng)度28.6MPa 和58.4MPa。粉煤灰用綏中電廠F 類(lèi)Ⅱ級(jí)粉煤灰，需水量比98%，細(xì)度(45μm 篩余)15%，燒失量2.0%，7d、28d 活性指數(shù)72%和75%。硅灰用大連亞泰S95 礦粉，需水量比112%，燒失量1.1%，比表面積20800m2/kg，SiO2含量98.1%，28d 活性指數(shù)118%。天然巖石粉用石灰(SHSF)、花崗巖(HGYF)、玄武巖(XWYF)和千枚巖石粉(PMYF)，其主要性能見(jiàn)表1。

表1 不同巖石粉性能

粗骨料用花崗巖人工碎石，吸水率0.6%，粒徑5~25mm，粒性良好，表觀密度2670kg/m3，壓碎指標(biāo)6.2%；細(xì)骨料用Ⅱ區(qū)天然河砂，級(jí)配良好，細(xì)度模數(shù)2.7，堆積密度2650kg/m3，石粉含量12.0%。

外加劑用聚羧酸高效減水劑，減水率28.5%，固含量22.7%；試驗(yàn)選用疏水化合孔栓物作為疏水劑，其可以較好地吸附于毛細(xì)孔壁，促使孔壁親水性明顯下降，疏水劑與水化產(chǎn)物CH 反應(yīng)生成聚合物散粒，遇到水壓時(shí)這些散粒被擠攏到孔的深處，逐漸積累后會(huì)堵塞毛細(xì)孔，試驗(yàn)時(shí)按等質(zhì)量替換拌合用水，每立方米摻量30L；試驗(yàn)選用科麗奧生產(chǎn)的憎水性抗凍合金粉，推薦摻量3%；試驗(yàn)選用蘇博特GYQ?-Ⅰ高效引氣劑，推薦摻量0.06%和0.09%。

1.2 試驗(yàn)方法

參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》、《水工混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》推薦的方法，測(cè)試混凝土強(qiáng)度、密實(shí)性和抗凍性能。采用電通量法測(cè)試180d 齡期高50mm、直徑100mm 圓柱體試件的密實(shí)性能，利用快凍法測(cè)試400mm×100mm×100mm 試件的相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量損失率，每動(dòng)容循環(huán)25 次測(cè)試一次，以此判定混凝土的抗凍性能。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)定基準(zhǔn)組為摻粉煤灰混凝土，探討水工混凝土抗壓強(qiáng)度和抗凍性能受不同巖石粉類(lèi)型的影響。粉煤灰和巖石粉摻量取20%，設(shè)計(jì)0.32 和0.45兩種水膠比，通過(guò)調(diào)整拌合物坍落度（200±20）mm、含氣量(2±0.1)%，合理設(shè)計(jì)配合比如表2所示。

表2 不同石粉類(lèi)型試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)研究摻石灰石粉(SHSF)水工混凝土抗凍性能受疏水劑S、抗凍合金粉H、硅灰G、引氣劑J1 與J2 的影響，控制水膠比0.45，拌合物坍落度(200±20)mm，試驗(yàn)配合比見(jiàn)表3。其中，抗凍合金粉H、硅灰G 摻量取膠凝材料的3%和5%。

表3 改善抗凍性能配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水工混凝土抗壓強(qiáng)度

兩種水膠比混凝土摻4 種不同巖石粉和粉煤灰的抗壓強(qiáng)度，如圖1 所示。結(jié)果表明，水膠比相同情況下，在56d 齡期之前不同巖石粉混凝土抗壓強(qiáng)度相差均在4MPa 以內(nèi)，90d、180d 齡期時(shí)相差也不超過(guò)6MPa。28d 齡期時(shí)，摻粉煤灰組抗壓強(qiáng)度相較于摻巖石粉組高4.5~10.2MPa。其中，180d齡期時(shí)水膠比0.32 組摻巖石粉混凝土強(qiáng)度維持在80MPa 左右，水膠比0.45 組摻巖石粉混凝土強(qiáng)度維持在55MPa 左右。

圖1 不同齡期抗壓強(qiáng)度

2.2 水工混凝土抗凍性能

依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，以300 次凍融循環(huán)、60%相對(duì)動(dòng)彈模量和5%質(zhì)量損失率確定混凝土最大凍融循環(huán)次數(shù)。考慮到混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量減小到60%時(shí)凍融次數(shù)較短，因此按相對(duì)動(dòng)彈模量確定最大凍融循環(huán)次數(shù)。經(jīng)多次凍融循環(huán)時(shí)，水工混凝土摻4種不同巖石粉和粉煤灰的相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量損失變化特征，如圖2、圖3 所示。

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)的質(zhì)量損失率

圖3 相對(duì)動(dòng)彈模量變化趨勢(shì)

從圖2 可以看出，凍融循環(huán)次數(shù)越大則各組試件質(zhì)量損失率越高，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)質(zhì)量損失率均處于5%以內(nèi)，整體達(dá)到較低水平。其中，質(zhì)量損失最大的是摻玄武巖石粉組，減小水膠比對(duì)改善質(zhì)量損失作用效果有限，摻玄武巖石粉混凝土表面發(fā)現(xiàn)明顯漿體剝落、較多坑洼現(xiàn)象，而摻石灰?guī)r、花崗巖、麻巖石粉的質(zhì)量高損失不明顯[8-10]。其中摻麻巖石粉組與摻粉煤灰組相差不大，略優(yōu)于其它試組。

從圖3可以看出，摻巖石粉混凝土(水膠比0.45)相對(duì)動(dòng)彈模量表現(xiàn)出線性減小趨勢(shì)，前期摻粉煤灰組雖然能夠維持緩慢減小趨勢(shì)，但凍融循環(huán)達(dá)到50 次時(shí)與巖石粉組相類(lèi)似，也快速減小到60%，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)凍融循環(huán)次數(shù)75 次。水膠比為0.32 時(shí)，SHSF、HGYF 和PMYF 組相對(duì)動(dòng)彈模量表現(xiàn)出先緩慢減小后快速減小的變化特征，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到100 次凍融循環(huán)，但XWYF 組保持快速減小趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)凍融循環(huán)達(dá)到75 次；凍融循環(huán)為125次時(shí)F-1 組相對(duì)動(dòng)彈模量為68.2%，凍融循環(huán)150次時(shí)依然可以達(dá)到50.8%。

為了進(jìn)一步比較水工混凝土抗凍性能受不同巖石粉的影響，參照現(xiàn)行規(guī)范利用公式DF=P·N/300 計(jì)算抗凍融耐久性指標(biāo)DF，其中P、N代表相對(duì)動(dòng)彈模量及其減少到60%時(shí)的凍融循環(huán)次數(shù)，結(jié)合圖3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定不同巖石粉組的DF 值，如圖4 所示。

圖4 抗凍融耐久性指標(biāo)DF

從圖4 可以看出，隨摻合料變化兩種水膠比混凝土的DF 值變化規(guī)律基本相同，其中抗凍性最優(yōu)的為F 組，巖石粉組中XWYF 組最差以及PMYF組最優(yōu)，而HGYF 組、SHSF 組相差不明顯；各組混凝土的DF 值均小于28%，水膠比0.45、0.32 時(shí)巖石粉組的DF 平均值分別為13.1%和21.6%，均明顯小于60%，這表明含巖石粉混凝土不摻引氣劑時(shí)的抗凍性能整體較差。

2.3 巖石粉的改善作用

研究表明，含巖石粉混凝土不摻引氣劑時(shí)的抗凍性能整體較差，無(wú)法應(yīng)用于實(shí)踐工程。因此，文章選擇最具代表性的石灰?guī)r石粉，在等量替代20%膠凝材料的條件下探討抗凍合金粉、硅灰、疏水劑和引氣劑4 種組分對(duì)抗凍性的改善作用，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。其中，柱狀圖代表質(zhì)量損失率，折線圖代表相對(duì)動(dòng)彈模量。

圖5 含不同改善組分的相對(duì)動(dòng)彈模量與質(zhì)量損失率

從圖5 可以看出，各組相對(duì)動(dòng)彈模量存在明顯差異，非引氣對(duì)照組混凝土為含20%石灰石粉的SHSF-1 組，凍融循環(huán)達(dá)到75 次時(shí)其相對(duì)動(dòng)彈模量下降到53%，明顯低于60%。石灰?guī)r石粉混凝土摻5%硅灰SHSF-G 組最大能夠承受125 次凍融循環(huán)，相較于基準(zhǔn)組增幅不大，究其原因可能是硅灰摻量較低；摻疏水劑SHSF-S 組最大能夠承受175次凍融循環(huán)，摻3%抗凍合金粉SHSF-H 組最大能夠承受275 次凍融循環(huán)，摻引氣劑SHSF-J1 組、SHSF-J2 組最大能夠承受300 次凍融循環(huán)。試驗(yàn)結(jié)束后質(zhì)量損失率超過(guò)5%的只有SHSF-H 組，其它組均未超過(guò)5%。

通過(guò)對(duì)比凍融循環(huán)達(dá)到100 次時(shí)各組質(zhì)量高損失率可知，除SHSF-1 組和SHSF-H 組外其它各組均未出現(xiàn)質(zhì)量損失率為負(fù)的情況。因此，研究認(rèn)為水工混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后會(huì)出現(xiàn)漿體剝落情況，凍融在一定程度上破壞了表層孔結(jié)構(gòu)，微裂縫連通、擴(kuò)展、大孔暴露于環(huán)境中都可能加速外界水分向漿體內(nèi)部的侵入，從而使得凍融過(guò)程剝落的漿體小于混凝土吸收的水分質(zhì)量[11-12]。對(duì)混凝土質(zhì)量利用飽和面干法測(cè)定時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)試件質(zhì)量高于凍融前的情況，許多研究成果也出現(xiàn)了此現(xiàn)象[13-14]。

疏水劑S、抗凍合金粉H、硅灰G、引氣劑J1與J2 四種組分均能在不同程度上改善巖石粉混凝土抗凍性，但硅粉G 和疏水劑S 的作用效果有限，抗凍合金粉效果更優(yōu)，對(duì)提高抗凍性引氣劑最為顯著[15-16]。因此，增大漿體含氣量依然是改善混凝土抗凍性最為有效的方法，但摻引氣劑會(huì)明顯減弱混凝土抗壓強(qiáng)度。結(jié)合表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)，標(biāo)養(yǎng)28d 時(shí)SHSF-1 組、SHSF-J1、SHSF-J2 組抗壓強(qiáng)度依次為42.0MPa、37.5MPa、28.6MPa，摻引氣劑使得強(qiáng)度下降10.7%和31.9%，而SHSF-H 組試件強(qiáng)度為39.1MPa，摻抗凍合金粉使得強(qiáng)度下降6.9%。因此，對(duì)于巖石粉混凝土抗凍性能摻抗凍合金粉的作用效果優(yōu)于引氣劑。

3 結(jié) 論

1）由于石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖、千枚巖石粉形貌和粒度相差不大，且都由惰性礦物構(gòu)成，所以水工混凝土摻不同巖石粉的抗壓強(qiáng)度和抗凍性能相差不明顯，其中抗凍性最優(yōu)、最差的是千枚巖和玄武巖石粉，而石灰?guī)r與花崗巖石粉相差不大。

2）180d 齡期時(shí)水膠比0.32 組摻巖石粉混凝土強(qiáng)度維持在80MPa 左右，最大凍融次數(shù)均不大于75 次；水膠比0.45 組摻巖石粉混凝土強(qiáng)度維持在55MPa 左右，最大凍融循環(huán)次數(shù)均不大于125 次。水膠比不同時(shí)，摻粉煤灰混凝土的抗凍性能、抗壓強(qiáng)度均高于摻巖石粉混凝土，后者180d 電通量遠(yuǎn)高于前者。

3）硅灰和疏水劑的摻入，可以將巖石粉混凝土能夠承受的最大凍融次數(shù)提高到125 次和175 次，引氣劑的摻入會(huì)降低抗壓強(qiáng)度，但會(huì)明顯增強(qiáng)抗凍性能；石粉混凝土摻抗凍合金粉時(shí)，其能夠承受的最大凍融次數(shù)為300ci，并且28d 抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組減小6.9%，對(duì)于巖石粉混凝土抗凍性能摻抗凍合金粉的作用效果優(yōu)于引氣劑。