摻石灰石粉混凝土長期耐久性研究

王 毅， 冉 璟

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 監測及試驗研究所，四川 成都 610072)

摻石灰石粉混凝土長期耐久性研究

王 毅， 冉 璟

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 監測及試驗研究所，四川 成都 610072)

為研究摻石灰石粉混凝土在實際工程中的長期耐久性，結合某工程進行摻石灰石粉混凝土的澆筑，并于2 a后進行鉆芯取樣，通過SEM、XRD、孔徑分析及氣泡參數分析，對其微觀形貌、水化產物、孔結構及氣泡參數進行了分析，并與粉煤灰混凝土進行了對比。試驗結果表明：混凝土芯樣微觀結構致密，孔結構均勻細化，氣泡參數合理，表現出良好的抗凍和抗滲性能，表明摻石灰石粉混凝土具有良好的長期耐久性。

混凝土；摻合料；石灰石粉；芯樣；耐久性

1 概 述

水電能源作為可再生能源受到國家極大的重視并得到大力發展。目前，國內未開發的水電資源主要集中在西藏及與西藏緊鄰的四川、云南和青海地區。受區域發展的限制，該地區基本沒有大型的熱電廠，致使在水電工程中普遍使用的摻合料——粉煤灰資源極度匱乏。如果從內地運輸，由于運輸距離遠，粉煤灰成本很高(甚至高于水泥單價)，致使工程用混凝土造價高，不經濟。同時受運輸距離遠、運輸路況差等影響，運輸保障率也會大幅降低。粉煤灰短缺問題已成為水電開發中一個不可忽視的問題。因此，尋找替代粉煤灰的新型摻和料勢在必行。

石粉主要為由石灰巖、花崗巖等石料經機械加工后的顆粒小于0.16 mm的微細粒，其廉價、易獲得，如果其可用作混凝土摻和料，則對于就地取材、降低工程造價具有積極意義。目前，在石粉當中對石灰石粉在混凝土中的應用研究最多，其中原因之一就是因為石灰石廉價且易磨性好。研究表明：石灰石粉的摻入可以改善新拌混凝土的和易性，提高混凝土的抗滲性能。石灰石粉在混凝土中主要起填充作用，可以改善混凝土的孔隙結構[1]。另外，石灰石粉顆粒的成核效應會促進C3S的早期水化[2]，提高混凝土的早期強度；但石灰石粉活性較低，石灰石粉混凝土后期強度的增長不如粉煤灰混凝土。

雖然大量的研究表明石灰石粉用作混凝土摻和料在技術上可行，但由于石灰石粉活性較低，從而其更多的是在混凝土中起物理填充作用，與傳統的活性摻和料區別較大。目前，尚無資料對其在實際工況中的長期耐久性進行研究，人們對其長期性能仍存有疑慮，進而影響到它的推廣使用。筆者針對該問題，對澆筑2 a的摻石灰石粉混凝土進行了鉆芯取樣，運用SEM、XRD和孔徑分析等手段對摻石灰石粉混凝土的微觀結構進行了分析，并與粉煤灰混凝土進行了對比，為全面了解摻石灰石粉混凝土在實際工況下的長期耐久性能提供了數據參考。

2 試驗混凝土的相關資料

本次試驗選擇三級配大壩常態混凝土，設計標號為C9015W4F100，摻和料為粉煤灰與石灰石粉復摻方案。采用的膠凝材料為P.MH42.5中熱水泥，摻和料為Ⅱ級粉煤灰和石灰石粉，其主要化學成分見表1，粉煤灰和石灰石粉的物理力學性能見表2。

試驗采用的骨料為工地現場砂石系統生產的花崗巖人工骨料，骨料的密度為2.66 kg/m3，人工砂的細度模數為2.9，石粉含量為11.5%。配合比及拌合物性能見表3。

混凝土澆筑時，在出機口對混凝土進行了取樣，并對混凝土的強度、抗凍和抗滲性能進行了檢測，檢測結果見表4。

為使取樣具有代表性，在三個不同澆筑部位鉆取了三組芯樣，直徑150 mm(圖1)。根據取芯部位將芯樣分別編號A、B和C，并對其基本物理力學性能進行了檢測(表5)，從檢測結果可以看到混凝土后期強度有將近50%的增長幅度。

表1 主要原材料化學成分表

表2 粉煤灰和石灰石粉物理力學性能表

表3 混凝土配合比表

表4 出機口混凝土性能表

圖1 混凝土芯樣外觀圖

3 試驗結果及分析

混凝土微觀孔結構是混凝土微觀結構的重要組成部分，其對混凝土材料的抗滲性能、抗凍性能、力學性能等宏觀物理性能具有重要的影響。

筆者對混凝土芯樣分別進行了掃描電鏡(SEM)測試、X射線衍射分析(XRD)測試、壓汞法孔結構測試和氣泡參數測試。為了比較石灰石粉混凝土與粉煤灰混凝土微觀結構的差異，選擇了一個室內成型養護的全摻粉煤灰混凝土(編號D)作為對比樣。

3.1 SEM測試

在四組混凝土試件中各取砂漿小試塊進行掃描電鏡測試，試樣SEM圖片見圖2。由圖2可以看出：試樣A和C中已看不到明顯的粉煤灰和石灰石粉顆粒，水化程度較高；試樣B有些泛白，可能是未水化的石灰石粉；試樣D中粉煤灰明顯已發生水化，其表面覆蓋了水化產物Ca(OH)2晶體，已由圓滑的球形變為棱角狀。總體來看，四個試樣表觀形貌均較為致密，不存在明顯的孔隙。

表5 混凝土芯樣物理力學性能表

3.2 XRD測試

X射線衍射分析(XRD)可以通過對混凝土進行X射線衍射分析其衍射圖譜，獲得混凝土的成分、內部原子或分子的結構等信息。

在四組混凝土試件中各取砂漿小試塊進行XRD測試，試樣XRD圖譜見圖3。

(a)試樣A

(b)試樣B

(c)試樣C

(d)試樣D 圖2 試樣SEM圖像

圖3 混凝土試樣XRD圖譜

由圖3可以看出：XRD圖譜中主要存在SiO2、Ca(OH)2兩種晶體。因為所測試的試樣取自混凝土樣品中的砂漿，砂的含量高，因此，在每個試樣中均存在較為明顯的SiO2晶體的衍射峰。D試樣中XRD圖譜存在C3S，為未水化的水泥礦物；B試樣XRD圖譜中存在一個較為明顯的CaCO3晶體衍射峰，結合SEM觀測結果看，筆者認為其是未水化的石灰石粉；A和C中沒有明顯的CaCO3晶體衍射峰，說明石灰石粉可能已發生了水化。

3.3 壓汞法孔結構測試

混凝土微觀孔結構是混凝土微觀結構的重要組成部分，其對混凝土材料的抗滲性能、抗凍性能、力學性能等宏觀物理性能具有重要的影響。一般而言，混凝土孔隙的重要參數有：(1)累計孔隙體積；(2)最可幾孔徑；(3)閾值孔徑。在四組混凝土試件中各取砂漿小試塊進行壓汞法孔結構測試，試件孔徑分布微分和累計曲線見圖4。

(a) 混凝土試件孔徑累計曲線圖 (b) 混凝土試件孔徑微分曲線圖圖4 混凝土試件孔徑分布微分和累計曲線圖

(1)孔隙率：微分曲線與橫軸包納的面積表示總孔隙面積，其面積越大，試件的孔隙總體積越大。從圖4(a)可以看出：試樣A、C和D總孔隙率接近，B孔隙率相對較大。

(2)最可幾孔徑：為出現概率最高的孔徑。由圖4(b)可以看出：四種試樣的最可幾孔徑均小于100 nm，其中試樣A和D的最可幾孔徑小于10 nm。據最可幾孔徑的大小，混凝土中的孔一般可以分為凝膠孔(<10 nm)、過渡孔(10～100 nm)、大毛細孔(100～1 000 nm)。其中凝膠孔為無害孔，過渡孔對混凝土體積的穩定性具有重要影響，對混凝土耐久性影響較小，為少害孔；而大毛細孔對混凝土耐久性有重要影響，應盡量減少。從測試結果看，上述混凝土試樣的孔隙均以無害孔和少害孔為主，孔隙較細，其中試樣B的大毛細孔相對較多。

(3)閾值孔隙：壓入汞體積開始急劇增加時對應的孔徑反映了混凝土中孔隙的連通性和滲透路徑的曲折性，閾值孔隙越大，表明其連通性越好，反之則差。四種試樣閾值孔隙均小于100 nm，表明上述試樣均以小孔隙為主，孔隙的連通性較差。

3.4 氣泡參數測試

RapidAir型硬化混凝土氣孔結構分析儀是由Concrete Experts International公司研發的，是以人工顯微鏡直線導線法為基礎，融合高倍攝像頭自動掃描系統與圖像分析軟件二合一的全自動儀。筆者基于RapidAir測試技術測試了不同混凝土的氣泡參數，測試結果見圖5和表6。由試驗結果可以看出：粉煤灰混凝土中的直徑1.5～2 mm的氣泡數量明顯高于摻石灰石粉混凝土，因而其平均孔徑要略大于摻石粉混凝土，總體而言，二者氣泡參數比較接近。

混凝土抗凍性能與硬化混凝土含氣量、氣泡間距系數和平均氣泡徑等參數密切相關。在一定含氣量下混凝土的抗凍性取決于氣泡的間距系數和數量，氣泡間距越小、氣泡個數越多，混凝土抗凍性就越好。ACI201.2R(混凝土耐久性導則)指出：抗凍性良好的混凝土，其氣泡間距系數應小于0.2 mm。美國學者T. C. Powers指出：當氣泡間距系數小于0.2 mm時，混凝土具有較好的抗凍性，抗凍等級可以達到F300以上。由氣泡參數測試結果可以看到：上述混凝土試樣的氣泡間距系數均未超過0.15 mm，小于0.2 mm的臨界值。

(a)試樣A (b)試樣B

(c)試樣C (d)試樣D圖5 氣泡分布圖

編號測試結果含氣量/%氣泡間距系數/mm氣泡數量/個平均弦長/mm平均孔徑/mmA3.650.11510300.0860.065B5.210.09714690.0860.065C4.150.11510950.0910.068D5.080.11212800.0950.071

3.5 宏觀耐久性測試

微觀測試結果顯示，芯樣中的孔隙以無害孔和少害孔為主，孔隙細，連通性差，含氣量合理，氣泡間距系數小于0.2 mm的臨界值，說明其具有良好的抗滲和抗凍融能力。為驗證微觀分析結果，筆者對芯樣進行了抗凍和抗滲測試。

3.5.1 抗滲性能

由于所鉆取的芯樣尺寸直徑為150 mm的圓柱體，無法加工成標準試件，因此，抗滲試驗采用φ150×150 mm非標準試件。試驗前，將試件置于標準試模中，用高強砂漿填滿試件與試模之間的空隙。為防止水從試件與砂漿中間滲出，在二者的接縫處用環氧樹脂進行封閉處理。試驗結果見表7。

表7 混凝土芯樣抗滲性試驗結果表

由試驗結果可以看出：芯樣B的抗滲等級達到W12，芯樣A和C的抗滲等級超過W30。芯樣B的滲透系數略低，這是由于其孔隙率較高、大孔隙數量較多的緣故，測試結果與微觀分析一致。劉數華[4]研究發現：石灰石粉在水化早期(28 d)不參與水化反應，在水化后期(180 d)逐漸水化。由于石灰石粉比表面積(530 m2/kg)比粉煤灰(350 m2/kg)和水泥(300 m2/kg左右)大，顆粒較細，早期的填充效應明顯，從而使水泥石孔徑細化，而后期逐漸水化，阻斷了毛細孔的連通性，因此，摻石灰石粉混凝土表現出很強的抗滲透能力。

3.5.2 抗凍性能

同樣，由于芯樣尺寸原因，抗凍試驗采用φ150×300 mm非標準試件，混凝土芯樣抗凍試驗結果見表8。

由試驗結果可以看出：混凝土芯樣抗凍等級達到F150以上，其中芯樣A和B殘余動彈模量在75%以上。需要說明的是：芯樣在取樣、加工時不可避免地會對試件表面和端面原有氣泡結構有所破壞，對其凍融測試結果有所影響。另外，芯樣測試時，其已在實際工程凍融環境中服役2 a時間，因此，該結果可以說明其具有較強的抗凍融能力。

表8 混凝土芯樣抗凍試驗結果表

4 結 論

摻石灰石粉混凝土在礦物組成和微觀結構方面與粉煤灰混凝土并無明顯區別，其水泥石結構、孔隙結構、氣泡參數與粉煤灰混凝土比較接近；芯樣的宏觀測試結果也顯示出其具有良好的抗凍和抗滲性能，表明摻石灰石粉混凝土具有良好的長期耐久性。但由于試驗試件采用的是石灰石粉與粉煤灰復摻方案，因此，對于全摻石灰石粉混凝土在實際工程中的長期性能仍需進一步研究。

[1] 陳劍雄，崔洪濤，陳寒斌, 等．摻入超細石灰石粉的混凝土性能研究[J]．施工技術，2004, 33(4): 39-41.

[2] 劉數華. 石灰石粉對復合膠凝材料水化特性的影響[J]. 建筑材料學報, 2010, 13(2):218-221.

(責任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7;TV42;TV41;TV43

B

1001-2184(2017)01-0050-06

王 毅(1988-)，男，河南鄧州人，工程師，碩士，從事水工混凝土材料研究；

冉 璟(1981-)，女，四川成都人，工程師，碩士，從事水工混凝土材料研究.