摻石灰石粉水工混凝土耐久性研究

倪倩文

(大連大水規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,遼寧 大連 116001)

粉體材料多元化是現(xiàn)代混凝土發(fā)展的主要特征之一,磨細(xì)高爐礦渣粉活性較高,多被用于高強(qiáng)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(shù)。在反復(fù)凍融條件下飽水的混凝土易出現(xiàn)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(huán)作用下可有效改變混凝土的微結(jié)構(gòu)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(fù)合、摻量、細(xì)度等因素對(duì)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(jìn)一步探討水泥基材料抗凍性受石灰石粉摻入方式、細(xì)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(jié)果顯示摻石灰?guī)r粉與玄武巖粉混凝土的抗凍等級(jí)相同,均達(dá)到粉煤灰混凝土的0.5倍;Diab AM等試驗(yàn)分析了混凝土摻石灰?guī)r粉的耐久性和力學(xué)性能,結(jié)果表明石灰?guī)r粉摻量不宜超過10%;Li等研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)350次時(shí),摻20%花崗巖粉混凝土的動(dòng)彈模量小幅減小,摻量增大到30%時(shí)的動(dòng)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(fù)摻條件下,膠砂抗壓強(qiáng)度及流動(dòng)度變化規(guī)律;劉數(shù)華系統(tǒng)探究了石灰石粉的潛在活性,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)石灰石粉可以為Ca(OH)2晶體提供晶核,促進(jìn)C3S水化及CaCO3顆粒表面Ca(OH)2晶體的生長(zhǎng),通過發(fā)揮晶核作用增強(qiáng)界面黏結(jié)強(qiáng)度;周明凱等研究表明石灰石粉發(fā)揮著水化促進(jìn)作用,水化碳鋁酸鈣與Ca(OH)2晶體數(shù)量會(huì)隨著石灰石粉含量的增加而增大[3-5]。在修筑水庫(kù)大壩等水利工程時(shí),已有工程實(shí)例利用石灰石粉替代粉煤灰配制低水化熱混凝土,相關(guān)技術(shù)規(guī)程和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的制定也推動(dòng)了石灰石粉的實(shí)際應(yīng)用[6-8]。因此,現(xiàn)有研究大多數(shù)集中于水泥水化與石灰石粉之間的關(guān)系分析,較少考慮對(duì)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(yàn)探討其對(duì)水工混凝土強(qiáng)度、工作性和耐久性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)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(biāo)如表1,三種石粉比表面積依次為515m2/kg(編號(hào)Ⅰ)、620m2/kg(編號(hào)Ⅱ)、780m2/kg(編號(hào)Ⅲ),石灰石粉與水泥化學(xué)成分如表2。砂選用渾河天然中砂,細(xì)度模數(shù)3.0,含泥量1.2%,表觀密度2650kg/m3,級(jí)配良好;石選用5～25mm連續(xù)級(jí)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(tài),拌合水用實(shí)驗(yàn)室自來水。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

表2 石灰石粉與水泥化學(xué)成分

1.2 測(cè)試方法

試驗(yàn)參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》等相關(guān)規(guī)范,測(cè)定拌合物工作性能、硬化混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度以及抗氯離子滲透性。

1.3 試驗(yàn)方案

水工混凝土性能受摻合料摻量及其比表面積(細(xì)度)的影響最顯著,對(duì)于偏高嶺土、硅灰、礦粉以及粉煤灰等摻合料,材料自身結(jié)構(gòu)、粉磨細(xì)度以及摻入量都會(huì)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(qiáng)度和耐久性,所以對(duì)細(xì)度一定的摻合料都存在一個(gè)最佳摻量。為更加全面地研究石灰石粉摻量、比表面積對(duì)拌合物工作性及硬化混凝土耐久性影響,試驗(yàn)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(yàn)配合比見表3。

表3 試驗(yàn)配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 拌合物工作性能

試驗(yàn)測(cè)定不同摻量及比表面積石灰石粉混凝土的擴(kuò)展度、坍落度經(jīng)時(shí)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(kuò)展度均≥530mm,這表明新拌混凝土具有較好的流動(dòng)性和黏聚性;未摻石灰石粉組具有較大的經(jīng)時(shí)損失,初始坍落度170mm,60min后只有130mm,損失率達(dá)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(duì)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(dòng),并且Ⅰ-2、Ⅱ-2、Ⅲ-2組和Ⅰ-3、Ⅱ-3、Ⅲ-3組也表現(xiàn)出相似變化規(guī)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(xiàng)指標(biāo)基本相近。因此,石灰石粉摻量是影響拌合物工作性能的關(guān)鍵因素,比表面積(細(xì)度)的影響很低,石灰石粉的摻入可以有效促進(jìn)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(yīng)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(yīng),并且對(duì)初期水泥解絮具有積極促進(jìn)作用,有利于改善拌合物工作性。摻入石灰石粉相當(dāng)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(qiáng)度

試驗(yàn)測(cè)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(qiáng)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(zhǔn)對(duì)照組各齡期抗壓強(qiáng)度,而摻Ⅰ類、Ⅱ類石粉組與基準(zhǔn)對(duì)照組各齡期強(qiáng)度基本相同,說明摻比表面積較小石灰石粉,對(duì)早期強(qiáng)度的增強(qiáng)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(duì)早期強(qiáng)度的增強(qiáng)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(qiáng)后期強(qiáng)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(qiáng)度均有所減小,并且降幅較為明顯,隨著摻量的進(jìn)一步增加石灰石粉不利于抗壓強(qiáng)度的提升,實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)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(xù)顆粒堆積而成的復(fù)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(xì)的摻合料填充水泥之間的空隙[13]。石粉相較于水泥的細(xì)度更小,在混凝土中發(fā)揮一定的骨架填充作用,可以改善水泥基體的整體密實(shí)性,因此細(xì)度越小越有利于增強(qiáng)強(qiáng)度,但石粉摻量過高相當(dāng)于水泥參與水化反應(yīng)的總量過小,水泥生成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得稀疏,從而大大降低混凝土的強(qiáng)度。

2.3 混凝土抗氯離子滲透性

試驗(yàn)測(cè)定不同摻量及比表面積石粉混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù),并進(jìn)一步分析影響規(guī)律,如圖2所示。

圖2 氯離子擴(kuò)散系數(shù)

由圖2可知,摻石粉組相較于基準(zhǔn)對(duì)照組的氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯較高,說明石粉的摻入會(huì)使混凝土抗氯離子滲透能力下降。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3組混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)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(xiàn)出相似的變化規(guī)律。另外,Ⅰ-1、Ⅱ-1和Ⅲ-1組試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)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(kuò)散系數(shù)也相近,說明抗氯離子滲透性受石粉細(xì)度的影響較低,主要與摻量相關(guān),并且抗氯離子滲透性隨摻量的增大而下降。

3 結(jié) 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(guān)鍵因素,比表面積(細(xì)度)的影響很低,這是因?yàn)閾饺胧巯喈?dāng)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(qiáng)度,而摻比表面積較小石灰石粉,對(duì)早期強(qiáng)度的增強(qiáng)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(qiáng)后期強(qiáng)度的作用效果越明顯。另外,隨著摻量的進(jìn)一步增加石粉的增強(qiáng)作用減弱,實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)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(shí)的抗氯離子滲透性,說明抗氯離子滲透性受石粉細(xì)度的影響較低,主要與摻量相關(guān),并且抗氯離子滲透性隨摻量的增大而下降。