石粉含量對石灰巖機制砂C50自密實混凝土耐久性能的影響

劉錦輝 黃至憲 宋劍偉 曾曉輝 王敏 周華龍 吳偉先

（1深圳市地鐵集團有限公司，廣東 深圳 518000；2中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075；3中國建筑材料科學研究總院有限公司,北京 100024；4中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031；5中鐵二局集團有限公司，四川 成都 610000）

自密實混凝土（Self-Compacting Concrete）是基于綠色高性能混凝土要求提出的一種新型混凝土技術。自密實混凝土具有高抗離析性、高流動性及易填充性等特點，是一種在密集配筋條件下只依靠自身重力而不用振搗就可以密實成型的高性能混凝土[1]，能較好地滿足配筋密集等復雜工程成型的要求，在工程中得到了應用推廣[2]。

機制砂指經過除土開采，采用機械等方式，篩分后制取的粒徑小于4.75mm的巖石、礦山尾礦或者工業廢渣顆粒［3］，其性能與母巖的物理性能、機械設備及加工工藝等因素有關［4］。目前國內生產的機制砂的顆粒表面粗糙、棱角明顯、形態不規則，且石粉含量較大，其應用于自密實混凝土中會對自密實混凝土的性能產生影響。目前，對于機制砂自密實混凝土的研究多集中在工作和力學性能方面，且結論較為一致，而對于機制砂自密實混凝土的耐久性研究比較匱乏。因此，本文對不同石粉含量的C50機制砂自密實混凝土氯離子滲透、堿骨料反應、混凝土碳化、抗凍性以及抗壓強度進行了測試，并與相同條件下C50天然砂自密實混凝土進行對比，探究不同石粉含量對石灰巖機制砂自密實混凝土耐久性能的影響。

1 試驗材料及方案

1.1 材料

1.1.1 水泥

試驗用水泥為法拉基普通硅酸鹽水泥P.O42.5，其基本性能見表1。

表1 水泥的基本性能

1.1.2 礦物摻合料

試驗用礦物摻合料為硅灰和Ⅱ級粉煤灰，硅灰、粉煤灰基本性能分別見表2、表3。

表2 硅灰化學組成分析結果（%）

表3 II級粉煤灰基本性能

1.1.3 石粉

石粉為石灰巖石粉，材質和細骨料相同，粒徑小于75。通過對機制砂進行篩分試驗，篩分出粒徑小于75的顆粒。試驗用石粉基本性能見表4。

表4 石粉的化學組成

1.1.4 骨料

試驗所用粗骨料為級配碎石。該碎石由5～15mm和16～25mm兩種粒級碎石摻配而成，配合比例分別為40%、60%。混合后形成5～25mm連續級配碎石，表觀密度2670kg/m3，松散堆積密度1530kg/m3。

試驗所用細骨料為機制砂與天然砂，機制砂為重慶地區的石灰巖機制砂，天然砂為四川新津產河砂。

1.1.5 外加劑

減水劑采用宜賓天龍化工TL-1000聚羧酸高性能減水劑，摻量為0.8%～1.2%，減水率為30%。

1.2 試驗方案

設計了用于試驗的C50機制砂自密實混凝土。配合比如表5所示。其中G1-G6為機制砂試驗組，HG為天然砂對照組。

表5 C50機制砂和河砂自密實混凝土配合比

1.2.1 氯離子滲透實驗

電通量法按照規范[5]進行測試。由于機制砂自密實混凝土的礦物摻和料摻量較大，測定了自密實混凝土56d后的電通量。試件采用直徑100±1mm，高度50±2mm的圓柱形模具，測試時陰極采用3%的NaCl溶液，陽極采用0.3mol/L的NaOH溶液，按照規范要求用混凝土氯離子電通量測定儀進行試驗。混凝土配合比見表5。

1.2.2 堿骨料反應實驗

堿骨料反應的砂漿棒的制作參考規范[6]，試件尺寸選取25mm×25mm×280mm，先將試件帶模放入養護室養護24h，再拆模放入80℃水中養護24h，養護結束后馬上測試試件長度作為初始長度，測試結束后將試件放入1mol/L的NaOH的養護溶液中養護，之后分別在3、7、14、21及28d通過測長儀測試試件長度。砂漿棒配合比見表6。

1.2.3 碳化實驗

碳化試驗的方法按照規范[5]的要求進行，試件尺寸采用100mm×100mm×400mm，每組3 個試件，每組試件測試之前先在60℃下烘48小時，再在試件截面上噴灑濃度為1%的酚酞酒精溶液，對每10mm的測量點用游標卡尺進行讀數，按照規范要求測定3、7、14、28、56d各組試件的碳化深度。混凝土配合比見表5。

表6 砂漿棒試件配合比

圖1 混凝土碳化試件處理過程

1.2.4 抗凍性實驗

抗凍性能的測試參照規范[5]的要求進行，試件尺寸采用100mm×100mm×400mm，凍融試驗前4 天對試件進行外觀檢查，根據要求分別測試試件在50、100、150、200、250、300次凍融循環次數后的相對動彈性模量。動彈性模量的計算和處理應滿足規范對動彈性模量的計算公式。混凝土配合比見表5。

2 結果及分析

2.1 石粉含量對抗氯離子滲透性的影響

不同石粉含量C50機制砂自密實混凝土抗氯離子滲透能力以及相同條件下C50天然砂自密實混凝土抗氯離子滲透能力測試結果見圖2。由圖2可見，C50機制砂自密實混凝土56d電通量隨著石粉含量的增多呈降低趨勢，電通量位于150C～310C區間內。石粉含量超過16%時，電通量的下降十分微小。相比石粉含量低于16%的機制砂混凝土，天然砂混凝土的實測電通量要低，說明在這個范圍內天然砂混凝土抗氯離子滲透能力強于機制砂混凝土，但在8%～16%的石粉摻量范圍內，兩種混凝土的電通量差距不大。

引起這個結果的原因可能是機制砂自密實混凝土的配合比中含有大量礦物摻和料，如粉煤灰，其中含有大量活性二氧化硅及氧化鋁，能與水泥水化反應生成的氫氧化鈣發生二次水化反應，生成較多的強度較高的凝膠顆粒，減少了游離的氫氧化鈣，并且凝膠晶體從結構上增加了混凝土結構的密實性。同時，由于硅灰及粉煤灰的摻入抑制了氫氧化鈣晶體在過渡界面的增長速度，改善了過渡界面的性能，增加了粘結力，提高了混凝土的抗滲性。且石粉對于機制砂混凝土具有微孔隙填充作用，其降低機制砂混凝土的電通量與此作用有關，微孔的減少能夠有效緩解通過擴散作用和毛細管作用進入混凝土內部的氯離子數量，從而降低氯離子的滲透。

圖2 不同石粉含量C50機制砂自密實混凝土及河沙混凝土電通量

2.2 石粉含量對堿骨料反應的影響

各試件不同齡期的膨脹率見表7。由表7可見，無論機制砂中石粉含量多少，砂漿棒均發生劇烈的堿骨料反應。結合圖3可以發現，隨著機制砂中石粉含量增多，堿骨料反應的膨脹率有所降低，且石粉含量越多，膨脹率降低得越多。但是從整體來看，石粉對機制砂堿骨料反應的影響十分微小，對膨脹率的降低十分有限。由于石粉本身沒有活性，是一種惰性摻合料，只能夠通過有限的“微集料效應”輕微影響堿骨料反應的進程，故可以認為石粉對于機制砂的堿骨料反應影響不大。

表7 砂漿試件不同齡期膨脹率（%）

圖3 砂漿棒試件隨齡期的膨脹量

2.3 石粉含量對碳化的影響

圖4 拆模時試件外觀

圖5 養護至28d齡期試件外觀

不同石粉含量的C50機制砂自密實混凝土碳化深度結果如表8所示。從表8可以看出，7組混凝土試件在3d、7d、14d齡期碳化深度均為0。各組試件在28d左右開始出現輕微碳化，56d時各組試件的碳化現象相比28d均有所發展，但仍然十分輕微。隨著石粉含量的增多，機制砂自密實混凝土碳化程度并未表現出明顯規律性。天然砂和機制砂自密實混凝土在抗碳化性能上也未表現出明顯差別。可能的原因是，混凝土強度等級高，設計配合比的水膠比較小，只有0.32，試件為了達到自密實混凝土的標準，復摻了優質粉煤灰和硅灰，混凝土的密實性較好，阻礙了CO2和水分的進入，未給碳化反應提供應適宜條件，使得機制砂自密實混凝土的抗碳化能力得到了加強。

表8 C50自密實混凝土碳化試驗結果

2.4 石粉含量對抗凍性的影響

不同石粉含量的C50機制砂自密實混凝土及天然砂自密實混凝土凍融循環試驗結果如表9所示。從圖6可以看到，經過0、100、150、200、250及300凍融循環后，不論是機制砂自密實混凝土還是天然砂自密實混凝土，兩者的相對動彈性模量都隨著次數的增加有下降的趨勢，但都大于90%，說明機制砂自密實混凝土以及天然砂自密實混凝土都有良好的抗凍性。其中，石粉含量4%的機制砂混凝土的相對動彈性模量最大，天然河砂自密實混凝土最小，這說明機制砂自密實混凝土內部骨料的粘結性能比天然砂自密實混凝土要強。

表9 混凝土抗凍試驗結果

表10 不同齡期混凝土抗壓強度試驗結果

圖6 機制砂及天然砂自密實混凝土相對動彈性模量曲線

圖7 混凝土長期強度隨石粉含量變化規律

2.5 石粉含量對長期抗壓強度的影響

從表10可以看出，機制砂自密實混凝土7d的強度比天然砂自密實混凝土的強度高，說明在相同條件下，機制砂自密實混凝土的強度優于天然砂自密實混凝土，機制砂自密實混凝土滿足強度要求。從圖7可以看出，隨齡期增長，各組混凝土的強度都有所增長，對于機制砂自密實混凝土，當石粉以4%等量替代機制砂時，150d的強度最大，而當石粉以16%等量替代機制砂后，強度最大。

3 結論

1）機制砂中的石粉對機制砂混凝土耐久性有不同程度的影響。隨著石粉含量的增多，C50機制砂自密實混凝土的56d電通量下降，抗氯離子滲透能力提高。石粉含量達到20%時，電通量輕微下降。機制砂自密實混凝土中石粉含量高于12%時，其抗氯離子滲透能力與同等條件下天然砂混凝土持平，低于12%時略低于天然砂混凝土，但仍然遠低于規范上限。

2）不摻入礦物摻合料的機制砂混凝土會發生嚴重的堿骨料反應，盡管石粉的增多會輕微改善堿骨料反應的膨脹率，但效果十分微小；石粉對于機制砂堿骨料反應沒有抑制作用。因此，在考慮機制砂混凝土堿骨料反應時可不考慮石粉的影響，實際應用中應采用添加優質粉煤灰等活性材料的辦法抑制堿骨料反應。

3）隨著機制砂中石粉含量的增多，機制砂混凝土的抗碳化性能并未出現明顯下降，基本上和無石粉對照組差不多，規律性不強。說明在有摻合料的情況下石粉對機制砂混凝土抗碳化性能影響很小，機制砂自密實混凝土完全可以應用于碳化環境。

4）石粉含量變化對混凝土抗凍性影響甚微，基本上可以忽略。機制砂自密實混凝土抗凍能力略優于天然砂混凝土，其凍融循環后的質量損失率小于天然砂混凝土。總體來看，含礦物摻合料的機制砂自密實混凝土抗凍性滿足規范要求。

機制砂中的石粉對機制砂混凝土的長期抗壓強度的影響規律是：石粉含量在4%～12%時影響不大，但達到16%左右時機制砂混凝土的長期抗壓強度會下降。相比之下，天然砂自密實混凝土強度在初期沒有機制砂自密實混凝土高，但后期增長速率明顯高于機制砂自密實混凝土。