水工混凝土掺不同岩石粉的抗冻性能研究

张济宁

（法库县水利事务服务中心，辽宁 法库 110400）

粉体材料多元化是现代混凝土的主要特征之一，惰性粉体材料特别是石灰石粉显著改变了硬化混凝土和拌合物的性能及混凝土的配制技术[1]。在多次冻融作用下饱水混凝土会产生微损伤，长期以往出现开裂剥落致使骨料裸露。岩石粉是一种不同于胶凝材料的惰性填料，对混凝土微观结构以及冻融循环作用下的各项性能影响较大，故研究分析水工混凝土掺不同岩石粉的抗冻性能极具现实意义[2-3]。目前，我国许多学者广泛研究了混凝土抗冻性受石灰石粉与其它辅助胶凝材料复合、掺量、细度等因素的影响，如Li 等研究认为冻融循环350次时，掺20%花岗岩会略微降低混凝土动弹模量，掺量达到30%时会显著降低其动弹模量；Wang 等通过分析水泥基材料中石灰石粉的作用，提出仍需进一步探讨水泥基材料抗冻性受石灰石粉掺入技术、细度、掺量的影响；李颜秀等探讨了矿渣粉、粉煤灰分别与石灰石粉、花岗岩粉、玄武岩粉及千枚岩粉复合后，其抗压强度与胶砂流动度的变化特征；刘文娴等探讨了碾压混凝土抗冻性受玄武岩粉掺合料的影响作用，结果发现石灰岩粉与玄武岩粉碾压混凝土具有相同的抗冻等级[4-7]。综上分析，对水工混凝土掺玄武岩粉、花岗岩粉、千枚岩粉等其它天然岩石粉的抗冻性能研究还较少，有必要探讨水工混凝土掺不同岩石粉时的抗压强度和抗冻性能，并进一步探讨抗冻合金粉、引气剂、疏水剂和硅灰对改善抗冻性的效果。

1 试验方案

1.1 原材料

水泥用铁新P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，水泥物理性能参照现行检验方法标准测定，其细度(80μm)0.8%，安定性(雷氏法)合格，标准稠度24.5%，比表面积350m2/kg，密度3.15g/cm3，初、终凝时间145min和220min，3d、28d抗折强度6.4MPa和9.5MPa，抗压强度28.6MPa 和58.4MPa。粉煤灰用绥中电厂F 类Ⅱ级粉煤灰，需水量比98%，细度(45μm 筛余)15%，烧失量2.0%，7d、28d 活性指数72%和75%。硅灰用大连亚泰S95 矿粉，需水量比112%，烧失量1.1%，比表面积20800m2/kg，SiO2含量98.1%，28d 活性指数118%。天然岩石粉用石灰(SHSF)、花岗岩(HGYF)、玄武岩(XWYF)和千枚岩石粉(PMYF)，其主要性能见表1。

表1 不同岩石粉性能

粗骨料用花岗岩人工碎石，吸水率0.6%，粒径5~25mm，粒性良好，表观密度2670kg/m3，压碎指标6.2%；细骨料用Ⅱ区天然河砂，级配良好，细度模数2.7，堆积密度2650kg/m3，石粉含量12.0%。

外加剂用聚羧酸高效减水剂，减水率28.5%，固含量22.7%；试验选用疏水化合孔栓物作为疏水剂，其可以较好地吸附于毛细孔壁，促使孔壁亲水性明显下降，疏水剂与水化产物CH 反应生成聚合物散粒，遇到水压时这些散粒被挤拢到孔的深处，逐渐积累后会堵塞毛细孔，试验时按等质量替换拌合用水，每立方米掺量30L；试验选用科丽奥生产的憎水性抗冻合金粉，推荐掺量3%；试验选用苏博特GYQ®-Ⅰ高效引气剂，推荐掺量0.06%和0.09%。

1.2 试验方法

参照《水工混凝土试验规程》、《水工混凝土耐久性技术规范》推荐的方法，测试混凝土强度、密实性和抗冻性能。采用电通量法测试180d 龄期高50mm、直径100mm 圆柱体试件的密实性能，利用快冻法测试400mm×100mm×100mm 试件的相对动弹模量和质量损失率，每动容循环25 次测试一次，以此判定混凝土的抗冻性能。

1.3 配合比设计

试验设定基准组为掺粉煤灰混凝土，探讨水工混凝土抗压强度和抗冻性能受不同岩石粉类型的影响。粉煤灰和岩石粉掺量取20%，设计0.32 和0.45两种水胶比，通过调整拌合物坍落度（200±20）mm、含气量(2±0.1)%，合理设计配合比如表2所示。

表2 不同石粉类型试验配合比

试验研究掺石灰石粉(SHSF)水工混凝土抗冻性能受疏水剂S、抗冻合金粉H、硅灰G、引气剂J1 与J2 的影响，控制水胶比0.45，拌合物坍落度(200±20)mm，试验配合比见表3。其中，抗冻合金粉H、硅灰G 掺量取胶凝材料的3%和5%。

表3 改善抗冻性能配合比

2 试验结果与分析

2.1 水工混凝土抗压强度

两种水胶比混凝土掺4 种不同岩石粉和粉煤灰的抗压强度，如图1 所示。结果表明，水胶比相同情况下，在56d 龄期之前不同岩石粉混凝土抗压强度相差均在4MPa 以内，90d、180d 龄期时相差也不超过6MPa。28d 龄期时，掺粉煤灰组抗压强度相较于掺岩石粉组高4.5~10.2MPa。其中，180d龄期时水胶比0.32 组掺岩石粉混凝土强度维持在80MPa 左右，水胶比0.45 组掺岩石粉混凝土强度维持在55MPa 左右。

图1 不同龄期抗压强度

2.2 水工混凝土抗冻性能

依据现行标准，以300 次冻融循环、60%相对动弹模量和5%质量损失率确定混凝土最大冻融循环次数。考虑到混凝土相对动弹模量减小到60%时冻融次数较短，因此按相对动弹模量确定最大冻融循环次数。经多次冻融循环时，水工混凝土掺4种不同岩石粉和粉煤灰的相对动弹模量和质量损失变化特征，如图2、图3 所示。

图2 不同冻融循环次数的质量损失率

图3 相对动弹模量变化趋势

从图2 可以看出，冻融循环次数越大则各组试件质量损失率越高，试验结束时质量损失率均处于5%以内，整体达到较低水平。其中，质量损失最大的是掺玄武岩石粉组，减小水胶比对改善质量损失作用效果有限，掺玄武岩石粉混凝土表面发现明显浆体剥落、较多坑洼现象，而掺石灰岩、花岗岩、麻岩石粉的质量高损失不明显[8-10]。其中掺麻岩石粉组与掺粉煤灰组相差不大，略优于其它试组。

从图3可以看出，掺岩石粉混凝土(水胶比0.45)相对动弹模量表现出线性减小趋势，前期掺粉煤灰组虽然能够维持缓慢减小趋势，但冻融循环达到50 次时与岩石粉组相类似，也快速减小到60%，试验结束时冻融循环次数75 次。水胶比为0.32 时，SHSF、HGYF 和PMYF 组相对动弹模量表现出先缓慢减小后快速减小的变化特征，试验结束时达到100 次冻融循环，但XWYF 组保持快速减小趋势，试验结束时冻融循环达到75 次；冻融循环为125次时F-1 组相对动弹模量为68.2%，冻融循环150次时依然可以达到50.8%。

为了进一步比较水工混凝土抗冻性能受不同岩石粉的影响，参照现行规范利用公式DF=P·N/300 计算抗冻融耐久性指标DF，其中P、N代表相对动弹模量及其减少到60%时的冻融循环次数，结合图3 试验数据确定不同岩石粉组的DF 值，如图4 所示。

图4 抗冻融耐久性指标DF

从图4 可以看出，随掺合料变化两种水胶比混凝土的DF 值变化规律基本相同，其中抗冻性最优的为F 组，岩石粉组中XWYF 组最差以及PMYF组最优，而HGYF 组、SHSF 组相差不明显；各组混凝土的DF 值均小于28%，水胶比0.45、0.32 时岩石粉组的DF 平均值分别为13.1%和21.6%，均明显小于60%，这表明含岩石粉混凝土不掺引气剂时的抗冻性能整体较差。

2.3 岩石粉的改善作用

研究表明，含岩石粉混凝土不掺引气剂时的抗冻性能整体较差，无法应用于实践工程。因此，文章选择最具代表性的石灰岩石粉，在等量替代20%胶凝材料的条件下探讨抗冻合金粉、硅灰、疏水剂和引气剂4 种组分对抗冻性的改善作用，试验结果见图5。其中，柱状图代表质量损失率，折线图代表相对动弹模量。

图5 含不同改善组分的相对动弹模量与质量损失率

从图5 可以看出，各组相对动弹模量存在明显差异，非引气对照组混凝土为含20%石灰石粉的SHSF-1 组，冻融循环达到75 次时其相对动弹模量下降到53%，明显低于60%。石灰岩石粉混凝土掺5%硅灰SHSF-G 组最大能够承受125 次冻融循环，相较于基准组增幅不大，究其原因可能是硅灰掺量较低；掺疏水剂SHSF-S 组最大能够承受175次冻融循环，掺3%抗冻合金粉SHSF-H 组最大能够承受275 次冻融循环，掺引气剂SHSF-J1 组、SHSF-J2 组最大能够承受300 次冻融循环。试验结束后质量损失率超过5%的只有SHSF-H 组，其它组均未超过5%。

通过对比冻融循环达到100 次时各组质量高损失率可知，除SHSF-1 组和SHSF-H 组外其它各组均未出现质量损失率为负的情况。因此，研究认为水工混凝土经冻融循环后会出现浆体剥落情况，冻融在一定程度上破坏了表层孔结构，微裂缝连通、扩展、大孔暴露于环境中都可能加速外界水分向浆体内部的侵入，从而使得冻融过程剥落的浆体小于混凝土吸收的水分质量[11-12]。对混凝土质量利用饱和面干法测定时，通常会出现试件质量高于冻融前的情况，许多研究成果也出现了此现象[13-14]。

疏水剂S、抗冻合金粉H、硅灰G、引气剂J1与J2 四种组分均能在不同程度上改善岩石粉混凝土抗冻性，但硅粉G 和疏水剂S 的作用效果有限，抗冻合金粉效果更优，对提高抗冻性引气剂最为显著[15-16]。因此，增大浆体含气量依然是改善混凝土抗冻性最为有效的方法，但掺引气剂会明显减弱混凝土抗压强度。结合表3 试验数据，标养28d 时SHSF-1 组、SHSF-J1、SHSF-J2 组抗压强度依次为42.0MPa、37.5MPa、28.6MPa，掺引气剂使得强度下降10.7%和31.9%，而SHSF-H 组试件强度为39.1MPa，掺抗冻合金粉使得强度下降6.9%。因此，对于岩石粉混凝土抗冻性能掺抗冻合金粉的作用效果优于引气剂。

3 结 论

1）由于石灰岩、玄武岩、花岗岩、千枚岩石粉形貌和粒度相差不大，且都由惰性矿物构成，所以水工混凝土掺不同岩石粉的抗压强度和抗冻性能相差不明显，其中抗冻性最优、最差的是千枚岩和玄武岩石粉，而石灰岩与花岗岩石粉相差不大。

2）180d 龄期时水胶比0.32 组掺岩石粉混凝土强度维持在80MPa 左右，最大冻融次数均不大于75 次；水胶比0.45 组掺岩石粉混凝土强度维持在55MPa 左右，最大冻融循环次数均不大于125 次。水胶比不同时，掺粉煤灰混凝土的抗冻性能、抗压强度均高于掺岩石粉混凝土，后者180d 电通量远高于前者。

3）硅灰和疏水剂的掺入，可以将岩石粉混凝土能够承受的最大冻融次数提高到125 次和175 次，引气剂的掺入会降低抗压强度，但会明显增强抗冻性能；石粉混凝土掺抗冻合金粉时，其能够承受的最大冻融次数为300ci，并且28d 抗压强度较基准组减小6.9%，对于岩石粉混凝土抗冻性能掺抗冻合金粉的作用效果优于引气剂。