不同细度石灰石粉对大掺量粉煤灰混凝土抗压强度及抗氯离子性能的影响

邸云菲，张武昕，李孝雄，张春伟

(滁州学院 土木与建筑工程学院，安徽 滁州 239000)

粉煤灰由于其3大效应在混凝土行业有了广泛的应用前景[1-2].粉煤灰是煤炭燃烧后的火山灰质材料，在混凝土中合理使用粉煤灰这一再生资源，不仅能节约土地和能源，而且能保护和治理环境，符合我国的可持续发展道路.现阶段，大掺量粉煤灰混凝土已较多应用于桥梁下部结构、水库大坝等工程.有研究表明在混凝土中掺入粉煤灰超过一定量时，会加大氯离子在混凝土中的传输，从而加速结构内部钢筋锈蚀，导致大掺量粉煤灰混凝土结构提前退出服役年限.大掺量粉煤灰由于存在这类不足导致其在应用推广过程中遇到了极大的阻碍.

石灰石粉具有物理填充及化学作用效应，当掺入到水泥基材料中时可有效提高基体的抗氯离子渗透性能，且提高效果随着颗粒细度减小而显著增大[3-8].石灰石粉除细度外其掺量也会影响其能效发挥.在粉煤灰混凝土材料中掺入少量石灰石粉使得材料内部结构更加致密，水泥石和骨料界面结合良好，可以提高材料的抗氯离子渗透性能，降低混凝土材料的氯离子扩散系数[9-11].然而，混凝土中掺入的石灰石粉掺量达到一定比例时，其抗氯离子性能显著降低；石灰石粉不论以外掺还是内掺的方式掺入到混凝土中，均对混凝土材料抗氯离子渗透性能不利，且内掺时抗氯离子渗透性能下降更明显[12-17].石灰石粉对混凝土的抗氯离子性能的影响大多是掺入普通混凝土和粉煤灰混凝土，但大掺量粉煤灰混凝土抗氯离子性能受石灰石粉掺入的影响未有报道，且不同掺量及细度下石灰石粉对混凝土抗氯离子渗透性能的影响褒贬不一，其主要原因是未能探明石灰石粉在混凝土材料中的作用机理.

本文借助实验研究了在石灰石粉作用下大掺量粉煤灰混凝土的力学性能及氯离子渗透性能，并通过混凝土中的结合水(物理结合水和化学结合水)试验，系统研究了大掺量粉煤灰混凝土的抗压强度与抗氯离子渗透性能在不同细度下石灰石粉的影响程度，定性、定量地分析石灰石粉对大掺量粉煤灰混凝土的影响，为改善大掺量粉煤灰混凝土提供技术支持.

1 试验原材料和设计参数

试验所需材料及基本技术参数见表1.

表1 材料统计及技术参数

实验配合比见表2.

表2 试块配合比

2 测试方法

2.1 抗压强度测试

按照表2配比制作混凝土试块，标准养护条件养护后，依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2019)[18]开展混凝土抗压强度试验.

2.2 抗氯离子渗透测试

取出养护后的混凝土试件(70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm)，用铝箔胶将试块不与溶液接触的部分密封，仅留底面暴露出来，并配置3%浓度的NaCl溶液.利用塑料条放置于塑料箱的底部架起试块，并保证试块与NaCl溶液充分接触，即液面需高出浸泡在NaCl中的暴露面3～5 mm.试件按照浸泡时间为3，7，28和90 d分为4组(每组12块)，待试件浸泡达到规定时间后取出放置在压力试验机上(在其底部垫1根钢筋)，开启压力试验机，将试块通过压力作用劈开成两半，再按不同深度要求打磨，打磨完后将获得的粉末过0.63 mm的筛，装入塑封袋中保存待用.收集好打磨出的粉末，使用化学滴定法确定氯离子的侵入量.

2.3 结合水测试

1)物理结合水试验.试验利用净浆搅拌机搅拌浆体，并将搅拌好的浆体放入冰格中进行振捣、成型和养护；待达到龄期时，用电子天平称量其质量，利用排水法测其体积；试块放入无水乙醇1 d置换出水分，再将试块放入温度设置为80 ℃的烘箱中1 d；采用电子秤称出每个试块的质量，并通过试验数据计算质量含水率和体积含水率，以此评价试块的物理结合水.

2)化学结合水试验.首先，取物理结合水的试块芯样2～3 g，利用研钵将其蹍成粉末并过0.045 mm的筛子，筛出粉末质量1.1～1.2 g，并将粉末倒入坩埚；其次，把坩埚放进马弗炉灼烧2 h，温度设定在1 050 ℃；最后，根据坩埚质量、粉末初始质量及灼烧后质量计算出试块化学结合水.

3 结果与分析

3.1 抗压强度

图1是石灰石粉在不同细度下大掺量粉煤灰混凝土养护时间与抗压强度的关系曲线.由图1可以看出，掺入粉煤灰细度为325目时，混凝土早期抗压强度明显高于未掺试块，但14～28 d时，抗压强度无明显差异；混凝土抗压强度随着掺入石灰石粉的细度减小而增大.试验结果表明：大掺量粉煤灰混凝土抗压强度随着石灰石粉细度的减小而增加.

图1 不同细度下混凝土抗压强度

3.2 抗氯离子渗透

使用化学滴定法测量氯离子侵入量，不同掺量石灰石粉试块氯离子侵入试验结果见图2.

图2 不同细度石灰石粉作用下氯离子不同时间点侵入含量曲线

由图2可以看出，石灰石粉细度的减小能有效地提高混凝土抗氯离子性能.当试块浸泡时间少于28 d时，不同细度的试块各深度处氯离子含量差距较大；当浸泡时间超过28 d时，石灰石粉细度为400目和500目的试块氯离子含量差距较小，但325目试块的氯离子含量显著高于其他细度试块；当浸泡时间为90 d，侵入深度为60 mm左右时，采用400目石灰石粉的试件中氯离子侵入量为0.024 7%，采用500目石灰石粉的试件中氯离子侵入量为0.021 8%，采用325目的试件中氯离子侵入量为0.039 0%.

3.3 结合水试验

试块中的物理结合水和化学结合水反映了试块的水化程度.在试块搅拌过程中加入水的质量是相同的，其水化过程就是将物理结合水转化成化学结合水，当水化程度越高，试块中的物理结合水越少，化学结合水越多.因此，结合物理结合水和化学结合水2方面来反映水化程度.

1)物理结合水.图3是石灰石粉在不同细度下大掺量粉煤灰混凝土养护时间与试块的质量含水率的关系曲线.由图3可知，7 d后随着石灰石粉细度的减小，试块的质量含水率逐渐减小.试验结果表明：石灰石粉细度越小，试块中水化程度越高.

图3 不同细度水泥砂浆质量含水率

2)化学结合水.图4是石灰石粉在不同细度下大掺量粉煤灰混凝土养护时间与试块的化学含水率的关系曲线.由图4可知，化学含水率随着细度的减小而增加，其中325目和500目试块的变化曲线近似于线性；400目试块前期变化幅度较大.试验结果表明：石灰石粉细度越小，试块中水化程度越高.

图4 不同细度水泥砂浆化学含水率

由混凝土抗压试验、氯离子渗透试验及结合水试验可以发现，石灰石粉的掺入影响着混凝土材料的抗压强度、耐久性及水化程度，且石灰石粉的细度直接决定着影响程度.石灰石粉作为内掺加入试块中，试块的水灰比变大，前期水化程度加快，抗压强度增加，且石灰石粉填充混凝土孔隙中，也增加了混凝土的抗压强度.石灰石粉细度越小，填充效果越好，水化程度越高，能有效提高混凝土的抗压强度，但400目和325目混凝土抗压强度提高幅度较小，500目混凝土提高幅度较大.石灰石粉细度超过400目时，增加石灰石粉的细度能有效增加混凝土抗氯离子的渗透性能.

4 结论

1)当石灰石粉细度为325目与400目时，细度提高对于混凝土抗压强度的增强效果不明显；细度为500目的石灰石粉能有效提高混凝土抗压强度；当石灰石粉细度超过400目时，能有效提高混凝土抗氯离子渗透性能，但400目与500目的石灰石粉对提高混凝土抗氯离子渗透性能效果差别不明显.

2)大掺量粉煤灰混凝土的所处环境对其抗压强度要求较高时，建议采用细度为500目的石灰石粉；当对其抗氯离子性能要求较高时，建议采用细度为400目以上的石灰石粉.