石粉對(duì)碾壓混凝土性能及微觀(guān)孔結(jié)構(gòu)的影響

龔 英，曹 潔，丁晶晶

(1.江西省水利科學(xué)研究院 江西省水工安全工程技術(shù)研究中心， 江西 南昌 330029；2.山東黃河?xùn)|平湖工程局， 山東 泰安 271000)

大摻量粉煤灰可改善碾壓混凝土諸多性能的觀(guān)點(diǎn)在混凝土工程界已達(dá)成共識(shí)[1-3]。在我國(guó)大壩碾壓混凝土工程中，粉煤灰摻量一般為50%～70%[4]。在我國(guó)水電開(kāi)發(fā)建設(shè)的迅猛發(fā)展形勢(shì)下，粉煤灰資源供不應(yīng)求，優(yōu)質(zhì)粉煤灰的價(jià)格也在逐漸攀升，在我國(guó)西南地區(qū)粉煤灰資源短缺及不經(jīng)濟(jì)問(wèn)題則尤為突出[5]。開(kāi)發(fā)新型混凝土摻和料替代粉煤灰是當(dāng)前混凝土材料研究熱點(diǎn)之一。

石粉是骨料生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品。起初，石粉主要用于替代砂[6-9]，增加砂中的粉體含量，有利于提高砂漿對(duì)骨料的包裹性和黏聚性，改善碾壓混凝土工作性。隨著人們對(duì)石粉作用認(rèn)識(shí)的深入，有學(xué)者大膽嘗試采用石粉取代粉煤灰配制大壩碾壓混凝土[10-13]，這樣既解決了粉煤灰供應(yīng)緊張的原材料問(wèn)題，又合理利用了廢棄資源石粉、減少了石粉的環(huán)境污染，同時(shí)還降低了工程造價(jià)。然而，要進(jìn)一步推進(jìn)石粉作為替代粉煤灰的混凝土摻和料應(yīng)用，僅依靠目前一些工程應(yīng)用研究還不夠，還需進(jìn)行系統(tǒng)深入研究。

以江西某大壩碾壓混凝土為研究對(duì)象，石粉以不同摻量取代粉煤灰，研究石粉對(duì)碾壓混凝土工作性、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗?jié)B性的影響；同時(shí)結(jié)合石粉對(duì)砂漿微觀(guān)結(jié)構(gòu)影響的試驗(yàn)研究，嘗試從宏觀(guān)和微觀(guān)角度探究石粉對(duì)碾壓混凝土性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

(1) 水泥：海螺P.O42.5水泥。

(2) 粉煤灰：江西景德鎮(zhèn)發(fā)電廠(chǎng)生產(chǎn)的粉煤灰，屬Ⅱ級(jí)。

(3) 石粉：由人工砂中篩出，屬石灰石粉。

(4) 細(xì)骨料：人工砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，屬中砂。

(5) 粗骨料：二級(jí)配5 mm～20 mm、20 mm～40 mm人工碎石。

(6) 外加劑：萘系緩凝高效減水劑。

(7) 水：試驗(yàn)當(dāng)?shù)仫嬘盟?/p>

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)以江西某工程大壩碾壓混凝土(C9020W6)為基準(zhǔn)配合比，膠凝材料為水泥和粉煤灰，試驗(yàn)用不同摻量的石粉取代粉煤灰，石粉取代率分別為0%、27%、51%、73%。4組碾壓混凝土試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1。

表1 碾壓混凝土試驗(yàn)配合比

在上述碾壓混凝土宏觀(guān)性能研究基礎(chǔ)上，試驗(yàn)同步研究了石粉對(duì)砂漿孔結(jié)構(gòu)的影響。石粉以不同摻量取代粉煤灰，石粉取代率分別為0%、27%、51%、73%。4組砂漿試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2。

表2 砂漿試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

采用《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[14](SL 352—2006)中碾壓混凝土相關(guān)試驗(yàn)方法，測(cè)試了碾壓混凝土VC值；成型了150 mm×150 mm×150 mm的立方體強(qiáng)度試件，測(cè)試了7 d、28 d、90 d、180 d試件抗壓強(qiáng)度，測(cè)試了90 d試件劈裂抗拉強(qiáng)度；分兩層加壓振動(dòng)成型抗?jié)B試件，試件標(biāo)養(yǎng)90 d，再測(cè)試抗?jié)B試件在恒定水壓下的滲水高度，并計(jì)算其相對(duì)滲透性系數(shù)。

采用吸水動(dòng)力學(xué)法測(cè)試砂漿孔結(jié)構(gòu)。砂漿試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。砂漿試件標(biāo)養(yǎng)180 d后取出進(jìn)行試驗(yàn)。首先將砂漿試件在110℃下烘至少24 h，然后在20℃等溫條件下進(jìn)行砂漿毛細(xì)孔吸附試驗(yàn)，稱(chēng)量不同浸水時(shí)刻的試件質(zhì)量，如浸水前(干燥狀態(tài))、浸水15 min、1 h、24 h。最后計(jì)算平均孔徑、開(kāi)口連通孔孔隙率等砂漿孔隙特征參數(shù)[15-17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 碾壓混凝土性能

2.1.1 碾壓混凝土工作性

石粉取代粉煤灰，碾壓混凝土VC值的變化規(guī)律見(jiàn)圖1。

與基準(zhǔn)混凝土C相比，石粉取代粉煤灰，明顯降低了碾壓混凝土VC值，改善了碾壓混凝土和易性。

圖1碾壓混凝土VC值隨石粉取代率的變化規(guī)律

隨石粉取代率的增大，碾壓混凝土VC值先減小后增大。試驗(yàn)結(jié)果表明，存在最優(yōu)石粉取代率51%。這說(shuō)明，石粉以最佳摻量替代粉煤灰，石粉可與水泥、粉煤灰形成最優(yōu)顆粒級(jí)配[9]，最大程度地填充水泥漿基體的空隙，使得用于填充空隙的自由水減少了、而用于水泥漿體流動(dòng)性的自由水增多了，自然碾壓混凝土?xí)@得更好的和易性和工作性。不論石粉少量或過(guò)量取代粉煤灰，膠凝材料中細(xì)顆粒含量過(guò)少或過(guò)多，均會(huì)增大碾壓混凝土VC值，降低石粉對(duì)碾壓混凝土工作性的改善效果。

2.1.2 碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度

石粉取代粉煤灰，碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期發(fā)展的變化規(guī)律見(jiàn)圖2。

圖24種碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展規(guī)律

當(dāng)石粉取代率為0%、27%、51%、73%，碾壓混凝土90 d抗壓強(qiáng)度分別為35.0 MPa、28.7 MPa、22.5 MPa、15.7 MPa，碾壓混凝土180 d抗壓強(qiáng)度分別為42.7 MPa、34.2 MPa、23.9 MPa、16.7 MPa。對(duì)比90 d和180 d強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知，4組碾壓混凝土后期強(qiáng)度分別增長(zhǎng)7.7 MPa、5.5 MPa、1.4 MPa、1.0 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨石粉取代率的增大，碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度也逐漸降低。

從碾壓混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展差異來(lái)看，粉煤灰對(duì)碾壓混凝土后期強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大，石粉的作用非常有限。說(shuō)明與粉煤灰相比，石粉的活性較低，可能屬于惰性摻和料范疇。如果石粉過(guò)量取代粉煤灰，會(huì)明顯降低碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度，尤其是混凝土后期強(qiáng)度。

當(dāng)石粉取代率為27%時(shí)，碾壓混凝土90 d抗壓強(qiáng)度為28.7 MPa，180 d強(qiáng)度為34.2 MPa，超過(guò)配制強(qiáng)度26.6 MPa，滿(mǎn)足混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求(C9020)。

2.1.3 碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度

石粉取代粉煤灰，碾壓混凝土90 d劈裂抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律見(jiàn)圖3。

圖3碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨石粉取代率的變化規(guī)律

隨石粉取代率的增大，碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸降低，尤其當(dāng)石粉取代率大于50%時(shí)，碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度至少降低50%?？梢?jiàn)，石粉過(guò)量取代粉煤灰，會(huì)顯著降低碾壓混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，與石粉對(duì)碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律較一致。

2.1.4 碾壓混凝土相對(duì)滲透系數(shù)

石粉取代粉煤灰，90 d碾壓混凝土相對(duì)滲透性系數(shù)的變化規(guī)律見(jiàn)圖4。

圖4碾壓混凝土相對(duì)滲透性系數(shù)隨石粉取代率的變化規(guī)律

隨石粉取代率的不斷增大，碾壓混凝土相對(duì)滲透性系數(shù)先減小后增大。當(dāng)石粉取代率27%時(shí)，碾壓混凝土相對(duì)滲透性系數(shù)最小，碾壓混凝土抗?jié)B性能最優(yōu)。當(dāng)石粉取代率超過(guò)50%，與基準(zhǔn)混凝土相比，石粉取代粉煤灰，碾壓混凝土相對(duì)滲透性系數(shù)卻變大了，不利于碾壓混凝土抗?jié)B性。

可見(jiàn)，石粉適量取代粉煤灰，石粉與水泥、粉煤灰形成良好的級(jí)配，使水泥漿體具有良好的流動(dòng)性和黏聚性，既有效填充骨料之間的空隙，又較好地粘附包裹骨料，形成較密實(shí)的混凝土微觀(guān)孔結(jié)構(gòu)，從而提高碾壓混凝土抗?jié)B性。然而，一旦石粉過(guò)量取代粉煤灰，膠凝材料中細(xì)顆粒含量的急劇增多，會(huì)使水泥漿體失去較好的流動(dòng)性，不能有效填充骨料間的空隙，不利于形成密實(shí)的微觀(guān)孔結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致碾壓混凝土滲透性的增大。

2.2 砂漿孔結(jié)構(gòu)測(cè)試

石粉取代粉煤灰對(duì)砂漿平均孔徑、開(kāi)口孔隙率的影響規(guī)律見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 砂漿平均孔徑隨石粉取代率的變化規(guī)律

圖6砂漿開(kāi)口孔隙率隨石粉取代率的變化規(guī)律

由圖5可知，隨石粉取代率的增大，砂漿平均孔徑呈減小的趨勢(shì)，當(dāng)石粉取代率大于50%時(shí)，砂漿平均孔徑?jīng)]有繼續(xù)變小，而是趨于某一數(shù)值穩(wěn)定不變。由圖6可知，當(dāng)石粉取代率不大于50%，石粉取代粉煤灰對(duì)砂漿開(kāi)口孔隙率影響不大；當(dāng)石粉取代率大于50%，石粉取代粉煤灰使砂漿開(kāi)口孔隙率變大。試驗(yàn)結(jié)果表明，石粉取代粉煤灰，可減小砂漿平均孔徑，但石粉取代率不宜大于50%，否則石粉砂漿平均孔徑不僅沒(méi)有得到進(jìn)一步細(xì)化，而且砂漿開(kāi)口孔隙率會(huì)增大，導(dǎo)致砂漿孔結(jié)構(gòu)朝不利的方向發(fā)展。

綜合分析石粉對(duì)碾壓混凝土宏觀(guān)性能及微觀(guān)結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律，石粉適量取代粉煤灰摻入混凝土中，可與水泥、粉煤灰形成良好的顆粒堆積體，改善水泥漿基體的流動(dòng)性和黏聚性，有效填充骨料間空隙，實(shí)現(xiàn)減小砂漿孔徑、優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)的作用；正是石粉的填充效應(yīng)，為改善碾壓混凝土工作性及抗?jié)B性發(fā)揮了主要作用；與粉煤灰相比，石粉活性較低，石粉的摻入會(huì)降低膠凝材料活性，會(huì)對(duì)碾壓混凝土強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 石粉取代粉煤灰，可細(xì)化砂漿孔隙，優(yōu)化砂漿孔結(jié)構(gòu)，與石粉對(duì)碾壓混凝土工作性及抗?jié)B性的改善效果較為吻合。石粉取代率不宜超50%，否則會(huì)增大砂漿開(kāi)口孔隙率，使砂漿孔結(jié)構(gòu)朝不利方向發(fā)展，從而降低石粉對(duì)碾壓混凝土工作性及抗?jié)B性的改善效果。

(2) 與粉煤灰相比，石粉的活性較低。石粉取代粉煤灰摻入，會(huì)顯著降低膠凝材料的活性，對(duì)碾壓混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展尤為不利。試驗(yàn)推薦石粉取代率不宜超過(guò)27%。