复掺粉煤灰与石灰石粉的外掺氧化镁碾压混凝土性能研究

陈荣妃 陈昌礼 杨华山 赵振华 刘小萤

：为促进外掺氧化镁（ＭｇＯ）碾压混凝土筑坝材料在粉煤灰资源匮乏地区的推广应用，本着就地取材的原则，研究了复掺粉煤灰与石灰石粉的外掺氧化镁碾压混凝土的力学性能、自生体积变形性能和微观结构。结果表明：在相同ＭｇＯ 掺量下，与单掺粉煤灰的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土对比，复掺粉煤灰与石灰石粉的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土的自生体积变形增大，但随石灰石粉取代粉煤灰量的增加而减小；龄期２８、９０ ｄ 的抗压强度、劈拉强度和极限拉伸值均减小；无害孔和少害孔增多，孔隙得到细化，微观结构良好。石灰石粉可以部分取代粉煤灰应用于外掺ＭｇＯ 碾压混凝土，石灰石粉取代粉煤灰的数量宜控制在２０％以内。

关键词：石灰石粉；粉煤灰；力学性能；自生体积变形；微观结构；外掺ＭｇＯ 碾压混凝土

中图分类号：ＴＶ３２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２４

引用格式：陈荣妃，陈昌礼，杨华山，等．复掺粉煤灰与石灰石粉的外掺氧化镁碾压混凝土性能研究［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（１０）：１３１－１３５．

众所周知，粉煤灰是现代混凝土必不可少的组成材料［１］ 。作为水利水电工程常用的筑坝材料碾压混凝土，其粉煤灰用量更是占到胶凝材料总用量的５０％～７０％［２－３］ 。当水利水电工程远离粉煤灰产地时，必然造成碾压混凝土的成本增加。为此，科技人员开展了粉煤灰的替代材料研究。其中，作为水利水电工程就地取材最为方便的石灰石粉，早已成为科技人员研究的重点。例如，肖开涛等［４］ 研究了石粉替代部分粉煤灰对碾压混凝土和易性、力学性能的影响，杨梦卉等［５］ 研究了碾压混凝土中高掺石灰石粉与粉煤灰的耦合作用，顾佳俊等［６］ 研究了石灰石粉等量取代Ⅱ级粉煤灰对大坝碾压混凝土抗裂性的影响，Ｈｕａｎｇ 等［７］研究了石灰石粉和粉煤灰对碾压混凝土吸水率、抗压强度和抗冻融性能的影响。以上学者均认为，石灰石粉是取代粉煤灰配制碾压混凝土的良好掺合料，并且已有石灰石粉部分取代粉煤灰应用于水利水电工程的实例［８－１２］ 。陈改新等［１３］ 指出，石灰石粉用作碾压混凝土的掺合料，能广泛地拓展碾压混凝土快速、经济的筑坝技术在我国的发展空间，应用前景广阔。

同时，由于外掺氧化镁（ＭｇＯ）混凝土筑坝材料具有良好的延迟微膨胀特性，它能够提高坝体混凝土的抗裂能力、简化大体积混凝土的温控措施、加快施工进度和节省工程成本，因此在水利水电工程中应用日益广泛［１４］ 。本着就地取材原则，研究复掺粉煤灰与石灰石粉外掺ＭｇＯ 碾压混凝土的力学性能、自生体积变形性能和微观结构，对促进外掺ＭｇＯ 碾压混凝土筑坝材料在粉煤灰资源匮乏地区的推广应用具有重要价值，但目前鲜见相关报道。为此，本文开展了相应的研究。

１ 试验概况

１．１ 原材料

试验所用的水泥为Ｐ·Ｏ ４２．５ 普通硅酸盐水泥；粉煤灰为贵州某火电厂生产的Ⅱ级粉煤灰；石灰石粉由贵州某水电站利用工地石灰岩磨细而成；氧化镁取自辽宁海城某公司，活性指数为２３４ ｓ。水泥、粉煤灰、石灰石粉、氧化镁的化学成分见表１，性能指标见表２。从表２ 中看出，试验所用石灰石粉与粉煤灰的需水量和２８ ｄ 强度比相当，但石灰石粉比粉煤灰和水泥细。

试验所用各种原材料的品质均符合《水工混凝土施工规范》（ＳＬ ６７７—２０１４）的规定。人工砂和粗骨料由贵州某水电站工地的石灰岩加工而成。人工砂的细度模数为２．９６，属于中砂，石粉含量为１７．１％；粗骨料有３ 种粒径，分别为５～２０、２０～４０、４０～８０ ｍｍ。试验所用的外加剂为萘系高效减水剂和引气剂。

材料的性能与其颗粒形貌相关。从扫描电镜（见图１）可以看到，粉煤灰、石灰石粉的颗粒形貌存在明显差异。粉煤灰主要由球形玻璃颗粒组成，这些玻璃体是粉煤灰活性的来源；石灰石粉主要由不规则颗粒组成，且小颗粒数量相对较多。石灰石粉的粒径越小，其晶核效应、填充效应越明显［１５］ 。

１．２ 混凝土配合比

本试验采用的ＭｇＯ 碾压混凝土配合比见表３。编号为ＦＬ６－１ 的配合比是基准配合比也是贵州某实际工程拟用的配合比，其掺合料粉煤灰掺量为６０％，其他外掺ＭｇＯ 碾压混凝土是使用２０％、４０％的石灰石粉等量替代粉煤灰，或不使用粉煤灰，仅使用石灰石粉拌制的。混凝土拌和物的维勃稠度控制值为３～５ ｓ，含气量控制值为２．５％～３．５％。

《通用硅酸盐水泥》（ＧＢ １７５—２００７）规定，经水泥压蒸试验合格，硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥中的ＭｇＯ 含量可放宽至６％。同时，已使用外掺ＭｇＯ 混凝土填筑坝体的水利水电工程［１６－１７］ 显示，混凝土中外掺的ＭｇＯ 量绝大多数未超过６％；为使研究成果对工程实践更具参考价值，本试验选择ＭｇＯ 的掺量为６％，并通过固定水泥与掺合料的总用量（１９６ ｋｇ／ ｍ３）、改变石灰石粉替代粉煤灰的数量来研究复掺粉煤灰与石灰石粉的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土的性能。

１．３ 试验方法

１）外掺ＭｇＯ 碾压混凝土的抗压强度、劈拉强度、极限拉伸值、抗渗等级、抗冻等级和自生体积变形试验均按照《水工混凝土试验规程》（ＳＬ／ Ｔ ３５２—２０２０）進行。

２）复合材料的水化热试验按照《水泥水化热测定方法》（ＧＢ／ Ｔ １２９５９—２００８）进行。

３）进行背散射观测和压汞测试时，先从龄期为１ ａ的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土自生体积变形试件上钻取芯样，紧接着用无水乙醇终止混凝土芯样水化。对于背散射观测，先将混凝土芯样研磨抛光，制成直径为１０ ｍｍ、厚度为１～２ ｍｍ 的样品，再进行喷金处理；对于压汞测试，先将混凝土芯样切割成尺寸约为１０ ｍｍ×１０ ｍｍ×１０ ｍｍ 的试块，再清除表面的灰尘。

２ 试验结果及其分析

２．１ 复合材料的热学性能

表３ 中４ 种混凝土ＦＬ６－１、ＦＬ６－２、ＦＬ６－３、ＦＬ６－４的掺合料及其掺量分别为：６０％粉煤灰（ＣＦ）、４０％粉煤灰＋２０％石灰石粉（ＦＬ１）、２０％粉煤灰＋４０％石灰石粉（ＦＬ２）、４０％石灰石粉（ＣＬ），它们与水泥复合后的水化热试验结果见图２、表４。

从图２、表４ 可以看到，在水化进行的１～３ ｄ 中，石灰石粉部分取代粉煤灰制成的掺合料与水泥复合后的水化热均比单掺６０％粉煤灰（ＣＦ）的水化热大，第二个放热峰出现的时间均早于ＣＦ，且石灰石粉取代粉煤灰量越多，第二个放热峰的出现时间越早。因此，本试验使用的比粉煤灰和水泥细的石灰石粉，促进了水泥的水化反应。

２．２ 混凝土的力学性能

外掺ＭｇＯ 碾压混凝土的抗压强度、劈拉强度、极限拉伸值、抗渗等级和抗冻等级的试验结果见表５［《水工混凝土结构设计规范》（ＳＬ １９１—２００８）规定，低于７０ ｍ 水頭的大体积混凝土结构的挡水面，最低抗渗等级为Ｗ６， 在温暖地区的抗冻等级为Ｆ５０～Ｆ１００］。

从表５ 可以看出，复掺粉煤灰与石灰石粉的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土的抗渗等级大于Ｗ６、抗冻等级大于Ｆ１５０，这同单掺６０％粉煤灰的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土一样，说明复掺粉煤灰与石灰石粉的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土可以满足目前主要用于中低坝的外掺ＭｇＯ 混凝土的抗渗要求和温暖地区对坝体混凝土的抗冻要求。

坝体混凝土在龄期９０ ｄ 的设计强度等级一般为Ｃ１５ ～ Ｃ２５，坝高低于３０ ｍ 的低坝和低于７０ ｍ 的中坝的混凝土设计强度等级甚至低至Ｃ１０。例如，山西省汾河二库碾压混凝土重力坝内部混凝土［１８］ 和辽宁省观音阁水库大坝碾压混凝土［１９］ 的抗压强度设计值分别为Ｒ９０１０、Ｒ９０１５ ＭＰａ，且这两座大坝均为高坝（坝高分别为８８、８２ ｍ）；越南松邦４ 水电站大坝坝高达到１１０ ｍ，其坝体碾压混凝土［２０］ 圆柱体试件在龄期３６５ ｄ的抗压强度设计值大于１５ ＭＰａ，在实验室测得其龄期２８、９０ ｄ 的抗压强度分别仅有１０．９、１４．７ ＭＰａ。从表５看出，采用２０％的石灰石粉取代粉煤灰制备的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土，它在龄期２８、９０ ｄ 的抗压强度分别达到１１．９１、１５．５３ ＭＰａ，这至少能够满足９０ ｄ 龄期设计强度等级为Ｃ１０ 的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土对抗压强度的要求。

另外，从已有的研究成果看，国内外学者对石粉掺量对混凝土力学性能影响的结论基本一致［２１］ ，即在相同条件下，与不掺石灰石粉的混凝土相比，当混凝土中掺入最佳掺量的石灰石粉时，其抗压强度增大或变化不明显，但超过最佳掺量后，抗压强度则随石灰石粉掺量的增加而降低。同时，当使用的石灰石粉变得更细后，石灰石粉的“晶核效应”和“填充效应”还将使混凝土的强度提高［２２］ 。

因此，在本试验条件下，若再适当降低石灰石粉的替代量，或（和）提高石灰石粉的细度，是可以配制出９０ ｄ 龄期设计强度等级为Ｃ１５ 甚至等级更高的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土。

２．３ 混凝土的自生体积变形

混凝土的自生体积变形是指在绝湿恒温条件下，仅由胶凝材料水化引起的混凝土体积变形。自生体积变形是水工混凝土抗裂性能的一个重要指标。掺合料分别为单掺粉煤灰、石灰石粉部分取代粉煤灰、单掺石灰石粉的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土的自生体积变形如图３ 所示。

由图３ 可以看出，复掺粉煤灰和石灰石粉的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土的自生体积变形值大于单掺６０％粉煤灰的基准ＭｇＯ 碾压混凝土（ＦＬ６－１）和单掺４０％石灰石粉的ＭｇＯ 碾压混凝土（ＦＬ６－４），且随着石灰石粉取代粉煤灰量的增加而减小。在７００ ｄ 时，复掺粉煤灰和石灰石粉的ＭｇＯ 碾压混凝土ＦＬ６－２ 和ＦＬ６－３ 的自生体积变形值比基准ＭｇＯ 碾压混凝土分别高约５３％、２３％，单掺４０％石灰石粉的ＭｇＯ 碾压混凝土的自生体积变形值比基准ＭｇＯ 碾压混凝土低约４６％，估计是多方面因素共同作用的结果。一方面，当石灰石粉部分取代粉煤灰时，粉煤灰的减少导致参与水化反应的胶凝材料减少，粉煤灰二次水化反应的产物减少，表现为抗压强度降低（见表５），对ＭｇＯ 水化引起膨胀的约束作用降低；另一方面，粉煤灰的火山灰效应和石灰石粉的填充效应共同作用，在一定程度上增大了小孔比例［２３］ ，对混凝土中ＭｇＯ 水化产生的膨胀能的吸收能力降低。李光伟等［２４］ 认为，石灰石粉在加速水化硅酸钙和水化铝酸钙形成的同时，其自身与水泥水化产物氢氧化钙和水化铝酸钙发生反应生成水化碳铝酸钙晶体，造成混凝土的收缩变形增大。因此，随着石灰石粉掺量的增加，混凝土的收缩变形增大，在相同ＭｇＯ 掺量下，外掺ＭｇＯ 混凝土的膨胀变形在补偿收缩变形后表现在宏观上的自生体积膨胀量减少。

２．４ 混凝土的微观结构

从扫描电镜观测到的１ ａ 龄期混凝土芯样的背散射电子图像见图４，通过压汞试验测得的１ ａ 龄期混凝土芯样的孔隙参数、孔径分布微分曲线分别见表６、图５（图５ 中Ｄ 为孔径、Ｖ 为孔体积）。

从图４ 可以看出，ＭｇＯ 及其水化产物Ｍｇ（ＯＨ）２周围均没有发现因ＭｇＯ 膨胀产生的微细裂纹。因此，在适当的ＭｇＯ 掺量下，１ ａ 龄期的复掺粉煤灰与石灰石粉的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土的微观结构良好。

从表６ 看到，与基准碾压混凝土ＦＬ６－１ 对比，龄期为１ ａ 时，复掺粉煤灰与石灰石粉的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土的平均孔径减小，孔隙率总体增大，小于２０ ｎｍ的无害孔和２０～５０ ｎｍ 少害孔［２５］ 增加；随着石灰石粉取代粉煤灰的数量增加，孔隙率先增大后减小，平均孔径减小。同时，由图５ 求得ＦＬ６－１（单掺６０％粉煤灰）、ＦＬ６－２（复掺４０％粉煤灰和２０％石灰石粉）、ＦＬ６－３（复掺２０％粉煤灰和４０％石灰石粉）、ＦＬ６－４（单掺４０％石灰石粉）的最可几孔径（出现概率最大的孔径）分别为０．０４０ ３、０．０２１ １、０．０２６ ３、０．０４０ ３ μｍ，即复掺粉煤灰和石灰石粉的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土的最可几孔径比单掺粉煤灰或单掺石灰石粉的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土小。综合表６ 和图５ 看出，复掺粉煤灰与石灰石粉可以细化孔径。本试验使用的石灰石粉的比表面积较大，其颗粒比粉煤灰和水泥还细，它能有效填充材料颗粒间的部分孔隙，减少大孔数量，改善孔径分布。另外，当石灰石粉部分取代粉煤灰后，参与水化反应的胶凝材料减少，使水灰比相对增大，不参与水化反应的游离水相对增加，游离水的蒸发将造成材料内部孔隙增多［２６］ ，导致石灰石粉取代粉煤灰后的内部孔隙率较单掺粉煤灰提高。对于单掺４０％石灰石粉的碾压混凝土ＦＬ６－４，即使石灰石粉比粉煤灰细，缺乏粉煤灰的火山灰作用（即没有粉煤灰二次水化反应生成的水化产物填充孔隙）也会造成１ ａ 龄期混凝土的微观结构变得相对疏松；大孔径占比增大、平均孔径增大、总孔隙率提高，这是造成单掺４０％石灰石粉的碾压混凝土ＦＬ６－４ 的自生体积膨胀量比单掺６０％粉煤灰的碾压混凝土ＦＬ６－１ 低（见图３）的重要原因，即平均孔径相对较大的孔隙能够吸收更多的由ＭｇＯ 水化产生的膨胀能［２７］ 。

３ 结论

１）在相同ＭｇＯ 掺量下，与单掺粉煤灰的外掺ＭｇＯ碾压混凝土对比，复掺粉煤灰和石灰石粉的外掺ＭｇＯ碾压混凝土在龄期２８、９０ ｄ 的抗压强度、劈拉强度、极限拉伸值均降低，且降低幅度随石灰石粉取代粉煤灰量的增加而增大，但其抗渗、抗冻能力同单掺粉煤灰的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土一样，可以满足目前主要用于中低坝的外掺ＭｇＯ 混凝土的抗渗要求和温暖地区对坝体混凝土的抗冻要求。

２）在相同ＭｇＯ 掺量下，复掺粉煤灰和石灰石粉的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土的自生体积变形大于单掺６０％粉煤灰的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土和单掺４０％石灰石粉的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土；复掺粉煤灰和石灰石粉的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土的自生体积变形，随石灰石粉取代粉煤灰量的增加而减小。

３）在相同ＭｇＯ 掺量下，与单掺粉煤灰的外掺ＭｇＯ碾压混凝土对比，复掺粉煤灰和石灰石粉的外掺ＭｇＯ碾压混凝土的孔隙率总体增大，无害孔和少害孔增多，平均孔径、最可几孔径变小；在适当的ＭｇＯ 掺量下，复掺粉煤灰与石灰石粉的外掺ＭｇＯ 碾压混凝土的微观结构良好。

４）在粉煤灰资源缺乏的地区建设外掺ＭｇＯ 碾压混凝土挡水坝，本着就地取材的原则，可以考虑使用工地的石灰石粉部分取代粉煤灰，建议石灰石粉的替代率控制在２０％以内。

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【责任编辑 简 群】