復摻粉煤灰與石灰石粉的外摻氧化鎂碾壓混凝土性能研究

陳榮妃 陳昌禮 楊華山 趙振華 劉小螢

：為促進外摻氧化鎂（ＭｇＯ）碾壓混凝土筑壩材料在粉煤灰資源匱乏地區的推廣應用，本著就地取材的原則，研究了復摻粉煤灰與石灰石粉的外摻氧化鎂碾壓混凝土的力學性能、自生體積變形性能和微觀結構。結果表明：在相同ＭｇＯ 摻量下，與單摻粉煤灰的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土對比，復摻粉煤灰與石灰石粉的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土的自生體積變形增大，但隨石灰石粉取代粉煤灰量的增加而減小；齡期２８、９０ ｄ 的抗壓強度、劈拉強度和極限拉伸值均減小；無害孔和少害孔增多，孔隙得到細化，微觀結構良好。石灰石粉可以部分取代粉煤灰應用于外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土，石灰石粉取代粉煤灰的數量宜控制在２０％以內。

關鍵詞：石灰石粉；粉煤灰；力學性能；自生體積變形；微觀結構；外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土

中圖分類號：ＴＶ３２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２４

引用格式：陳榮妃，陳昌禮，楊華山，等．復摻粉煤灰與石灰石粉的外摻氧化鎂碾壓混凝土性能研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：１３１－１３５．

眾所周知，粉煤灰是現代混凝土必不可少的組成材料［１］ 。作為水利水電工程常用的筑壩材料碾壓混凝土，其粉煤灰用量更是占到膠凝材料總用量的５０％～７０％［２－３］ 。當水利水電工程遠離粉煤灰產地時，必然造成碾壓混凝土的成本增加。為此，科技人員開展了粉煤灰的替代材料研究。其中，作為水利水電工程就地取材最為方便的石灰石粉，早已成為科技人員研究的重點。例如，肖開濤等［４］ 研究了石粉替代部分粉煤灰對碾壓混凝土和易性、力學性能的影響，楊夢卉等［５］ 研究了碾壓混凝土中高摻石灰石粉與粉煤灰的耦合作用，顧佳俊等［６］ 研究了石灰石粉等量取代Ⅱ級粉煤灰對大壩碾壓混凝土抗裂性的影響，Ｈｕａｎｇ 等［７］研究了石灰石粉和粉煤灰對碾壓混凝土吸水率、抗壓強度和抗凍融性能的影響。以上學者均認為，石灰石粉是取代粉煤灰配制碾壓混凝土的良好摻合料，并且已有石灰石粉部分取代粉煤灰應用于水利水電工程的實例［８－１２］ 。陳改新等［１３］ 指出，石灰石粉用作碾壓混凝土的摻合料，能廣泛地拓展碾壓混凝土快速、經濟的筑壩技術在我國的發展空間，應用前景廣闊。

同時，由于外摻氧化鎂（ＭｇＯ）混凝土筑壩材料具有良好的延遲微膨脹特性，它能夠提高壩體混凝土的抗裂能力、簡化大體積混凝土的溫控措施、加快施工進度和節省工程成本，因此在水利水電工程中應用日益廣泛［１４］ 。本著就地取材原則，研究復摻粉煤灰與石灰石粉外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土的力學性能、自生體積變形性能和微觀結構，對促進外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土筑壩材料在粉煤灰資源匱乏地區的推廣應用具有重要價值，但目前鮮見相關報道。為此，本文開展了相應的研究。

１ 試驗概況

１．１ 原材料

試驗所用的水泥為Ｐ·Ｏ ４２．５ 普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為貴州某火電廠生產的Ⅱ級粉煤灰；石灰石粉由貴州某水電站利用工地石灰巖磨細而成；氧化鎂取自遼寧海城某公司，活性指數為２３４ ｓ。水泥、粉煤灰、石灰石粉、氧化鎂的化學成分見表１，性能指標見表２。從表２ 中看出，試驗所用石灰石粉與粉煤灰的需水量和２８ ｄ 強度比相當，但石灰石粉比粉煤灰和水泥細。

試驗所用各種原材料的品質均符合《水工混凝土施工規范》（ＳＬ ６７７—２０１４）的規定。人工砂和粗骨料由貴州某水電站工地的石灰巖加工而成。人工砂的細度模數為２．９６，屬于中砂，石粉含量為１７．１％；粗骨料有３ 種粒徑，分別為５～２０、２０～４０、４０～８０ ｍｍ。試驗所用的外加劑為萘系高效減水劑和引氣劑。

材料的性能與其顆粒形貌相關。從掃描電鏡（見圖１）可以看到，粉煤灰、石灰石粉的顆粒形貌存在明顯差異。粉煤灰主要由球形玻璃顆粒組成，這些玻璃體是粉煤灰活性的來源；石灰石粉主要由不規則顆粒組成，且小顆粒數量相對較多。石灰石粉的粒徑越小，其晶核效應、填充效應越明顯［１５］ 。

１．２ 混凝土配合比

本試驗采用的ＭｇＯ 碾壓混凝土配合比見表３。編號為ＦＬ６－１ 的配合比是基準配合比也是貴州某實際工程擬用的配合比，其摻合料粉煤灰摻量為６０％，其他外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土是使用２０％、４０％的石灰石粉等量替代粉煤灰，或不使用粉煤灰，僅使用石灰石粉拌制的。混凝土拌和物的維勃稠度控制值為３～５ ｓ，含氣量控制值為２．５％～３．５％。

《通用硅酸鹽水泥》（ＧＢ １７５—２００７）規定，經水泥壓蒸試驗合格，硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥中的ＭｇＯ 含量可放寬至６％。同時，已使用外摻ＭｇＯ 混凝土填筑壩體的水利水電工程［１６－１７］ 顯示，混凝土中外摻的ＭｇＯ 量絕大多數未超過６％；為使研究成果對工程實踐更具參考價值，本試驗選擇ＭｇＯ 的摻量為６％，并通過固定水泥與摻合料的總用量（１９６ ｋｇ／ ｍ３）、改變石灰石粉替代粉煤灰的數量來研究復摻粉煤灰與石灰石粉的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土的性能。

１．３ 試驗方法

１）外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土的抗壓強度、劈拉強度、極限拉伸值、抗滲等級、抗凍等級和自生體積變形試驗均按照《水工混凝土試驗規程》（ＳＬ／ Ｔ ３５２—２０２０）進行。

２）復合材料的水化熱試驗按照《水泥水化熱測定方法》（ＧＢ／ Ｔ １２９５９—２００８）進行。

３）進行背散射觀測和壓汞測試時，先從齡期為１ ａ的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土自生體積變形試件上鉆取芯樣，緊接著用無水乙醇終止混凝土芯樣水化。對于背散射觀測，先將混凝土芯樣研磨拋光，制成直徑為１０ ｍｍ、厚度為１～２ ｍｍ 的樣品，再進行噴金處理；對于壓汞測試，先將混凝土芯樣切割成尺寸約為１０ ｍｍ×１０ ｍｍ×１０ ｍｍ 的試塊，再清除表面的灰塵。

２ 試驗結果及其分析

２．１ 復合材料的熱學性能

表３ 中４ 種混凝土ＦＬ６－１、ＦＬ６－２、ＦＬ６－３、ＦＬ６－４的摻合料及其摻量分別為：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），它們與水泥復合后的水化熱試驗結果見圖２、表４。

從圖２、表４ 可以看到，在水化進行的１～３ ｄ 中，石灰石粉部分取代粉煤灰制成的摻合料與水泥復合后的水化熱均比單摻６０％粉煤灰（ＣＦ）的水化熱大，第二個放熱峰出現的時間均早于ＣＦ，且石灰石粉取代粉煤灰量越多，第二個放熱峰的出現時間越早。因此，本試驗使用的比粉煤灰和水泥細的石灰石粉，促進了水泥的水化反應。

２．２ 混凝土的力學性能

外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土的抗壓強度、劈拉強度、極限拉伸值、抗滲等級和抗凍等級的試驗結果見表５［《水工混凝土結構設計規范》（ＳＬ １９１—２００８）規定，低于７０ ｍ 水頭的大體積混凝土結構的擋水面，最低抗滲等級為Ｗ６， 在溫暖地區的抗凍等級為Ｆ５０～Ｆ１００］。

從表５ 可以看出，復摻粉煤灰與石灰石粉的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土的抗滲等級大于Ｗ６、抗凍等級大于Ｆ１５０，這同單摻６０％粉煤灰的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土一樣，說明復摻粉煤灰與石灰石粉的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土可以滿足目前主要用于中低壩的外摻ＭｇＯ 混凝土的抗滲要求和溫暖地區對壩體混凝土的抗凍要求。

壩體混凝土在齡期９０ ｄ 的設計強度等級一般為Ｃ１５ ～ Ｃ２５，壩高低于３０ ｍ 的低壩和低于７０ ｍ 的中壩的混凝土設計強度等級甚至低至Ｃ１０。例如，山西省汾河二庫碾壓混凝土重力壩內部混凝土［１８］ 和遼寧省觀音閣水庫大壩碾壓混凝土［１９］ 的抗壓強度設計值分別為Ｒ９０１０、Ｒ９０１５ ＭＰａ，且這兩座大壩均為高壩（壩高分別為８８、８２ ｍ）；越南松邦４ 水電站大壩壩高達到１１０ ｍ，其壩體碾壓混凝土［２０］ 圓柱體試件在齡期３６５ ｄ的抗壓強度設計值大于１５ ＭＰａ，在實驗室測得其齡期２８、９０ ｄ 的抗壓強度分別僅有１０．９、１４．７ ＭＰａ。從表５看出，采用２０％的石灰石粉取代粉煤灰制備的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土，它在齡期２８、９０ ｄ 的抗壓強度分別達到１１．９１、１５．５３ ＭＰａ，這至少能夠滿足９０ ｄ 齡期設計強度等級為Ｃ１０ 的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土對抗壓強度的要求。

另外，從已有的研究成果看，國內外學者對石粉摻量對混凝土力學性能影響的結論基本一致［２１］ ，即在相同條件下，與不摻石灰石粉的混凝土相比，當混凝土中摻入最佳摻量的石灰石粉時，其抗壓強度增大或變化不明顯，但超過最佳摻量后，抗壓強度則隨石灰石粉摻量的增加而降低。同時，當使用的石灰石粉變得更細后，石灰石粉的“晶核效應”和“填充效應”還將使混凝土的強度提高［２２］ 。

因此，在本試驗條件下，若再適當降低石灰石粉的替代量，或（和）提高石灰石粉的細度，是可以配制出９０ ｄ 齡期設計強度等級為Ｃ１５ 甚至等級更高的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土。

２．３ 混凝土的自生體積變形

混凝土的自生體積變形是指在絕濕恒溫條件下，僅由膠凝材料水化引起的混凝土體積變形。自生體積變形是水工混凝土抗裂性能的一個重要指標。摻合料分別為單摻粉煤灰、石灰石粉部分取代粉煤灰、單摻石灰石粉的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土的自生體積變形如圖３ 所示。

由圖３ 可以看出，復摻粉煤灰和石灰石粉的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土的自生體積變形值大于單摻６０％粉煤灰的基準ＭｇＯ 碾壓混凝土（ＦＬ６－１）和單摻４０％石灰石粉的ＭｇＯ 碾壓混凝土（ＦＬ６－４），且隨著石灰石粉取代粉煤灰量的增加而減小。在７００ ｄ 時，復摻粉煤灰和石灰石粉的ＭｇＯ 碾壓混凝土ＦＬ６－２ 和ＦＬ６－３ 的自生體積變形值比基準ＭｇＯ 碾壓混凝土分別高約５３％、２３％，單摻４０％石灰石粉的ＭｇＯ 碾壓混凝土的自生體積變形值比基準ＭｇＯ 碾壓混凝土低約４６％，估計是多方面因素共同作用的結果。一方面，當石灰石粉部分取代粉煤灰時，粉煤灰的減少導致參與水化反應的膠凝材料減少，粉煤灰二次水化反應的產物減少，表現為抗壓強度降低（見表５），對ＭｇＯ 水化引起膨脹的約束作用降低；另一方面，粉煤灰的火山灰效應和石灰石粉的填充效應共同作用，在一定程度上增大了小孔比例［２３］ ，對混凝土中ＭｇＯ 水化產生的膨脹能的吸收能力降低。李光偉等［２４］ 認為，石灰石粉在加速水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣形成的同時，其自身與水泥水化產物氫氧化鈣和水化鋁酸鈣發生反應生成水化碳鋁酸鈣晶體，造成混凝土的收縮變形增大。因此，隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的收縮變形增大，在相同ＭｇＯ 摻量下，外摻ＭｇＯ 混凝土的膨脹變形在補償收縮變形后表現在宏觀上的自生體積膨脹量減少。

２．４ 混凝土的微觀結構

從掃描電鏡觀測到的１ ａ 齡期混凝土芯樣的背散射電子圖像見圖４，通過壓汞試驗測得的１ ａ 齡期混凝土芯樣的孔隙參數、孔徑分布微分曲線分別見表６、圖５（圖５ 中Ｄ 為孔徑、Ｖ 為孔體積）。

從圖４ 可以看出，ＭｇＯ 及其水化產物Ｍｇ（ＯＨ）２周圍均沒有發現因ＭｇＯ 膨脹產生的微細裂紋。因此，在適當的ＭｇＯ 摻量下，１ ａ 齡期的復摻粉煤灰與石灰石粉的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土的微觀結構良好。

從表６ 看到，與基準碾壓混凝土ＦＬ６－１ 對比，齡期為１ ａ 時，復摻粉煤灰與石灰石粉的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土的平均孔徑減小，孔隙率總體增大，小于２０ ｎｍ的無害孔和２０～５０ ｎｍ 少害孔［２５］ 增加；隨著石灰石粉取代粉煤灰的數量增加，孔隙率先增大后減小，平均孔徑減小。同時，由圖５ 求得ＦＬ６－１（單摻６０％粉煤灰）、ＦＬ６－２（復摻４０％粉煤灰和２０％石灰石粉）、ＦＬ６－３（復摻２０％粉煤灰和４０％石灰石粉）、ＦＬ６－４（單摻４０％石灰石粉）的最可幾孔徑（出現概率最大的孔徑）分別為０．０４０ ３、０．０２１ １、０．０２６ ３、０．０４０ ３ μｍ，即復摻粉煤灰和石灰石粉的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土的最可幾孔徑比單摻粉煤灰或單摻石灰石粉的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土小。綜合表６ 和圖５ 看出，復摻粉煤灰與石灰石粉可以細化孔徑。本試驗使用的石灰石粉的比表面積較大，其顆粒比粉煤灰和水泥還細，它能有效填充材料顆粒間的部分孔隙，減少大孔數量，改善孔徑分布。另外，當石灰石粉部分取代粉煤灰后，參與水化反應的膠凝材料減少，使水灰比相對增大，不參與水化反應的游離水相對增加，游離水的蒸發將造成材料內部孔隙增多［２６］ ，導致石灰石粉取代粉煤灰后的內部孔隙率較單摻粉煤灰提高。對于單摻４０％石灰石粉的碾壓混凝土ＦＬ６－４，即使石灰石粉比粉煤灰細，缺乏粉煤灰的火山灰作用（即沒有粉煤灰二次水化反應生成的水化產物填充孔隙）也會造成１ ａ 齡期混凝土的微觀結構變得相對疏松；大孔徑占比增大、平均孔徑增大、總孔隙率提高，這是造成單摻４０％石灰石粉的碾壓混凝土ＦＬ６－４ 的自生體積膨脹量比單摻６０％粉煤灰的碾壓混凝土ＦＬ６－１ 低（見圖３）的重要原因，即平均孔徑相對較大的孔隙能夠吸收更多的由ＭｇＯ 水化產生的膨脹能［２７］ 。

３ 結論

１）在相同ＭｇＯ 摻量下，與單摻粉煤灰的外摻ＭｇＯ碾壓混凝土對比，復摻粉煤灰和石灰石粉的外摻ＭｇＯ碾壓混凝土在齡期２８、９０ ｄ 的抗壓強度、劈拉強度、極限拉伸值均降低，且降低幅度隨石灰石粉取代粉煤灰量的增加而增大，但其抗滲、抗凍能力同單摻粉煤灰的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土一樣，可以滿足目前主要用于中低壩的外摻ＭｇＯ 混凝土的抗滲要求和溫暖地區對壩體混凝土的抗凍要求。

２）在相同ＭｇＯ 摻量下，復摻粉煤灰和石灰石粉的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土的自生體積變形大于單摻６０％粉煤灰的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土和單摻４０％石灰石粉的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土；復摻粉煤灰和石灰石粉的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土的自生體積變形，隨石灰石粉取代粉煤灰量的增加而減小。

３）在相同ＭｇＯ 摻量下，與單摻粉煤灰的外摻ＭｇＯ碾壓混凝土對比，復摻粉煤灰和石灰石粉的外摻ＭｇＯ碾壓混凝土的孔隙率總體增大，無害孔和少害孔增多，平均孔徑、最可幾孔徑變小；在適當的ＭｇＯ 摻量下，復摻粉煤灰與石灰石粉的外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土的微觀結構良好。

４）在粉煤灰資源缺乏的地區建設外摻ＭｇＯ 碾壓混凝土擋水壩，本著就地取材的原則，可以考慮使用工地的石灰石粉部分取代粉煤灰，建議石灰石粉的替代率控制在２０％以內。

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【責任編輯 簡 群】