掺石灰石粉的水工混凝土耐久性试验研究

周妍妍

（北票市五间房水利服务站，辽宁 北票 122100）

近年来，随着水利工程的大规模建设，水工混凝土等原材料消耗量巨大。在大规模生产混凝土的同时也面临着一系列的问题，如水泥制造过程中会释放二氧化碳，并耗费大量天然材料和能源，造成生态环境的破坏以及经济成本的提升。因此，如何解决水泥生产所带来的不良影响逐渐成为行业内研究的热点问题[1-4]。目前，高性能绿色混凝土被广泛应用于水利工程领域，低熟料胶凝材料体系必然成为未来的发展趋势。然而，早期使用的矿物掺合料也存在着一些问题，如矿渣粉和粉煤灰使用成本剧增，各种原材料日益短缺，急需一种既具有较好经济性又有利于环境保护的矿物掺合料来替代矿渣粉、粉煤灰，石灰石粉能够满足以上要求，早期的水利工程就有使用石灰石粉的案例，并且机制砂中的石粉含量往往较高[5-6]。因此，可以将部分石灰石粉掺入水工混凝土，通过耐久性试验判定石灰石粉能否作为掺合料使用。本文以石灰石粉掺量为变量，试验分析了石灰石粉对新拌混凝土和易性、抗压强度、抗冻性能、抗碳化性和抗氯离子渗透性的影响特征，可为消除水工混凝土中石灰石粉的使用顾虑提供一定支持。

1 试验方法

1.1 原材料性能

①水泥：浑河P·O 42.5级水泥，安定性（沸煮法）合格，细度(80μm)0.6%，标稠用水量26.5%，初凝、终凝时间150min和225min，3d、28d抗折强度为5.7MPa和8.2MPa，抗压强度为29.1MPa和50.5MPa。②粉煤灰：绥中电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，45μm筛余4.6%，密度2.2g/cm3，需水量比94.2%，烧失量3.1%。③石灰石粉：鲁能实业生产的石粉，亚甲蓝值1.0g/kg，需水量比100%，比表面积445m2/kg，45μm筛余3.22%，密度2.61g/cm3。④矿粉：铁岭金泰S95级矿渣粉，需水量比96%，比表面积40m2/kg，45μm筛余3.22%，密度2.82g/cm3。⑤骨料：粗骨料用粒径5～25mm连续级配的天然碎石，空隙率41%，堆积密度1580kg/m3，表观密度2740kg/m3，含泥量0.1%，针片状含量5.8%，压碎指标5.0%；细骨料用天然河砂，细度模数2.5，含泥量2.0%，空隙率35%，堆积密度1580kg/m3，表观密度2670kg/m3。⑥外加剂：沈阳广源达GYD-1聚羧酸高效减水剂，固含量45%，含气量2.1%，减水率30%。

1.2 试验方法

试验设计C30、C50两种水工混凝土，以胶凝材料用量的0%、15%、20%、25%、30%作为石灰石粉掺量，配合比设计如表1所示。

以《水工混凝土试验规程》、《水工混凝土耐久性技术规范》、《水运工程混凝土施工规范》等相关标准，试验测定新拌混凝土的和易性、抗压强度、抗冻性能、抗碳化性以及抗氯离子渗透性。

2 试验结果与分析

2.1 掺石灰石粉的拌合物和易性

对于拌合物工作性能大流态水工混凝土具有较高要求，试验时必须控制扩展度和坍落度处于合理范围，即C30新拌混凝土扩展度≥400mm，坍落度处于190～230mm范围，C50新拌混凝土扩展度不低于500mm，坍落度处于220～260mm范围。通过调整减水剂用量判定拌合物和易性受石灰石粉掺量的影响，试验结果如表2所示。

表2 拌合物工作性能

由表2可知，对于符合扩展度和坍落度要求的新拌混凝土，石粉掺量越高则减水剂用量越多；掺15%石粉时，基准组减水剂用量高于试验组，其扩展度和坍落度较小；石粉掺量不超过20%时，试验组略优于基准组的和易性。这是因为石粉的平均粒径小于水泥，从而发挥一定的填充效应，水泥颗粒的间隙减少会增大自由水的占比，从而改善拌合物流动性。掺量超过20%时减水剂用量明显提高，这表明拌合物的和易性变差，究其原因是胶凝材料用量相同情况下，石粉掺量越大则拌合物需水量越高。综上分析，石粉具有一定的分散填充效应，掺入适量的石粉能够改善拌合物和易性，其最佳掺量不超过20%。

2.2 掺石灰石粉的混凝土抗压强度

水工混凝土掺不同石灰石粉的抗压强度变化规律如图1所示。由图1可知，随着石粉掺量的增加各龄期C30、C50混凝土强度均表现出逐渐减小趋势，石粉掺量低于20%时试验组抗压强度与基准组相差不大。究其原因，掺入适量的石灰石粉能够发挥一定的微集料效应，优化内部体系的级配，没有过多的石粉参与后期水化，从而使得局部水胶比有所增大，更加充分地完成水化，石粉具有正向积极作用；随着石灰石粉的逐渐增多，因比表面积明显大于水泥，多余石粉会优先吸附更多的拌和水，在一定程度上抑制水泥水化，水化产物C-S-H减少，各组分无法较好地胶结成整体，从而大大增加 了内部缺陷的形成概率，抗压强度偏低[7]。

图1 不同石粉掺量的抗压强度变化曲线

2.3 掺石灰石粉的混凝土抗冻性能

采用“快冻法”测试不同石粉掺量的混凝土抗冻性，不同冻融循环下水工混凝土的相对动弹模量如图2所示。

图2 不同石粉掺量的相对动弹模量变化曲线

由图2可知，石粉掺量和水胶比显著影响着水工混凝土的抗冻性能，并且高强度等级的抗冻性略优于中低强度，掺量不超过15%时试验组与基准组的抗冻性能相当。混凝土抗冻性能随着掺量的进一步增加而下降，但均符合现行规范对抗冻性的要求，如掺20%石粉组的C30、C50水工混凝土能够达到F200和F300抗冻等级。究其原因是石粉掺量超过20%时，石灰石粉的填充效应难以充分发挥，在熟料总量不变的情况下水化程度减弱，混凝土的致密性和抗压强度也随之下降。冻融循环过程中混凝土内部的水反复发生结冰膨胀和融解，使得混凝土逐渐发生破坏劣化[8-9]。

2.4 掺石灰石粉的混凝土抗碳化性

采用“快冻碳化法”测试不同石粉掺量的混凝土抗碳化性，不同冻融循环下水工混凝土的碳化深度如图3所示。

图3 不同石粉掺量的28d碳化深度变化曲线

由图3可知，掺15%石粉组略优于基准组的抗碳化性能；掺20%石粉组的碳化深度略高于基准组，但相差不明显，C50强度混凝土碳化深度不超过2mm，C30强度混凝土碳化深度≤5mm，低强度混凝土碳化深度明显大于高强度混凝土。因此，混凝土碳化深度在很大程度上取决于水胶比，水胶比越小则致密性越优，内部缺陷的形成概率越小，CO2和水更难渗入混凝土内部，从而增强了其抗碳化性能。本试验只有掺30%石粉的C30水工混凝土抗碳化性能未达到工程要求，其它组均符合工程要求，如掺25%石粉的C30组碳化深度为8.6mm，符合小于10mm的标准要求[10-11]。

2.5 掺石灰石粉的混凝土抗氯离子渗透性

采用电通量快速试验法测试不同石粉掺量的混凝土抗氯离子渗透性，如图4所示。

图4 不同石粉掺量的电通量变化曲线

由图4可知，随石粉掺量增加A组和B阻抗渗透性能均表现出逐渐减小趋势，并且A的电通量明显高于B组，表明高强度等级明显优于低强度等级的水工混凝土抗氯离子渗透性，再次表明水工混凝土抗氯离子渗透性受水胶比影响较大[12-14]。总体而言，15%石粉组与基准组的抗氯离子渗透性相差不大，A-4组的电通量值最高达到1672C，各组抗氯离子渗透性整体较好。

3 结 论

1）掺20%石粉时，基准组与试验组的减水剂用量相差不大，但掺石粉组的新拌混凝土和易性较好，随着石粉掺量的进一步增大减水剂用量明显增加。掺15%石粉时，各龄期C30、C50水工混凝土强度基本不减小，掺25%及以内石粉时C30混凝土符合28d设计强度要求，掺20%及以内石粉时C50混凝土符合28d设计强度要求，掺25%及以内石粉时C30、C50混凝土均符合56d设计强度要求。

2）15%石粉组与基准组的电通量相差不大，掺20%石粉组的电通量未明显增大，并且高强度等级明显优于低强度等级的抗氯离子渗透性。掺15%石粉时，水工混凝土与基准组抗冻性能相差不大，进一步增大石粉掺量混凝土抗冻性能开始下降，掺量不超过20%时其降低抗冻性能的作用不明显。

3）掺15%石粉时，试验组与基准组的抗碳化性能相差不大，掺25%石粉组略高于基准组的碳化深度，本试验只有掺30%石粉的C30混凝土抗碳化性能未达到工程要求，其它组均符合工程要求。在水工混凝土中掺入适量石灰石粉具有一定的技术可行性，为保证各龄期混凝土的耐久性和强度石粉掺量不宜超过20%。