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第 9期 2 0 1 3年 9月 广 东水 利水 电 GUANGDONG W ATER RES0URCES AND HYDROPOW ER No ． 9 Se p ． 2 01 3 不 同岩性的石粉作掺合料对混凝土性能的影响 杨永民 ，李嘉琳 ，尹新龙 ( 1 ．广东省水利水电科学研究院，广 东 广州 5 1 0 6 3 5 ； 2 ．华南理工大学，广东 广州 5 1 0 6 4 0 ) 摘要 ：该文利 用人工砂 生产 中产 生的石灰岩石粉 与大理石粉 、花 岗岩石粉 以及粉煤灰 作为混凝 土掺合 料 ，对各种掺 合 料拌制的混凝 土进行性 能比较研 究。试验 结果表 明：石 灰岩石粉 能提 高混凝 土拌 合物 的扩展度 、塌 落度 ，降低 泌水率 ， 改善混凝土工作性 能，可提 高混凝土 的早 期 强度 ，且 后期 强度也 与粉 煤灰 混凝 土相 近 ，有利 于提 高混凝 土的抗 碳化 性 能 ，但其混凝 土的抗氯 离子渗透性 能差于粉煤灰 混凝 土。 关键词：石灰岩石粉；掺合料；强度；抗碳化性能；抗氯离子渗透性能 中图分类号 ：T U 5 2 8 ． 0 4 1 文献标志码 ：B 文章编号 ：1 0 0 8— 0 l 1 2 ( 2 0 1 3 ) 0 9— 0 0 4 7— 0 3 混凝土是现代土木工程中用量最大 、用途最广的 一 种建筑材料 ，随着我国水利水 电基础设施 、交通运 输及工业与民用建筑的大力发展 ，对 于混凝土的性 能 要求越来越高 ，为了改善混凝土 的性能 ，加入掺合料 提高混凝土性能是有效措施 之一 ，国内已有很多关于 石粉加入混凝土中作掺合料以改善混凝土性能的研究 。 水利工程通常地处边远 山区，交通不便 ，从外地 运砂 ， 成本过高 ，所 以必须在 当地生产人工砂 ，既可 以降低工程费用 ，又可以保证砂 的品质稳定性 ，从而 取得较好的经济效益和社会效益 。在生产人工砂 的同 时，因为工艺原因，产生较多的多余石粉 ，这些石粉 加人人工砂 中，会对人工砂的品质及混凝土性能产生 影响。为此 ，本文开展 了人工砂生产 中获得 的石灰岩 石粉作为混凝土掺合料 的再利用研究 ，利用人_丁砂生 产中多余石粉与大理石粉 、花岗岩粉以及粉煤灰作为 混凝土掺合料 ，对各种掺合 料拌制 的混凝 土进行性能 比较分析 ，为利用石灰岩石粉的有效提供参考 。 1 试验材料及试验方法 1 ． 1 试验材料及性能 试验用水泥为 P O 4 2 ． 5 R硅酸盐水泥，物理力学性 能见表 1 。 试验用减 水剂为萘系 F D N一4 4 0 T缓凝 高效减 水 剂 ，其各 项 性 能 指 标 如 表 2所 示 ，品 质 指 标 满 足 G B 8 0 7 6— 2 0 0 8标准要求 。 表 1 水泥 的物理 力学性能 石灰岩石粉是从人工砂生产过程中经过水洗后脱 水的细小颗粒 ，为小粒径 的石灰岩石粉 ，烘干并混合 均匀 ，同时筛去其 中的块状 物 ，经 测定 得其 密度 为 2 ． 6 4 g ／ e m ，比表面积为 6 2 3 I l l ／ k g 。大理石 、花岗岩 取 自某石材加工厂 ，3种石粉及粉煤灰 的化学成分分 析结果见表 3 。 收稿 日期 ：2 0 1 3— 0 5— 3 1 ：修 回 日期 ：2 0 1 3—0 7— 0 8 作者简介：杨永民( 1 9 8 1 ) ，男，硕士，工程师，主要从事结构材料研究。 4 7 2 0 1 3年 9月 第 9期 杨永民 ，等 ：不 同岩性 的石粉作掺合料对混凝土性能的影响 N o ． 9 S e p ．2 0 1 3 表 3 各种掺合料的化 学成分分析 为了研究石灰岩石粉对混凝土性能 的影响及其影 响机理 ，除了将石灰岩石粉和粉煤灰作为掺合料之外 ， 还分别将大理石和花 岗岩磨细制成石粉 ，考虑到 目前 混凝土中各种掺合料 比表面积控制现状 ，各试样 比表 面积粉磨至 4 3 0 r n ／ k g左右 ，不 同石粉 的粒径分布如 表 4 。 表 4 4种掺合料的粒径分布 1 ． 2 试 验方 法 混凝土拌合与取样 、混凝土工作性能及泌水性参 考 G B ／ T 5 0 0 8 0— 2 o o 2 ~ 普通混凝土拌合物性 能试验方 法标准》进 行 ，强 度 及 抗 碳化 性 能 实验 参 考 G B ／ T 5 0 0 8 1 — 2 0 0 2 《 普通混凝土力学性能试验方法标准》 、 G B J 8 2—8 5 ( 普通混凝土长期性能和耐久性 能试验方 法》进行 ，抗 氯离 子 渗 透性 能 参考 美 国标 准 A S T M C 1 2 0 2的试验方法进行。 混凝土基准配合 比按 C 3 0强度等级 ，控制坍落度 1 4 02 0 m m，混凝土配合 比见表 5 。 表 5 混凝土配合 比 2 试 验结 果与分 析 2 ． 1 不同掺合料对混凝土拌合物性能的影响 不同掺合料混凝土拌合物的工作性能及泌水率见 表 6 。 表 6 不同掺合料 混凝 土的工作性能及泌水性 由表 6可 以看 出：石灰岩石粉是人工砂生产过程 中经过水洗后脱水 的细小颗粒，比表 面积很高 ，但相 对于粉煤灰混凝土，石灰岩石粉混凝土不仅扩展度高 、 塌落度大 ，而且泌水率低 ，大理石粉与花岗岩粉作掺 合料时，混凝土工作性能均差于石灰岩石粉混凝 土， 但各种掺合 料的影 响互有差 异，其 中花 岗岩粉效 果 最差。 2 ． 2 不 同掺合料对混凝土抗压强度的影响 以石灰岩石粉混凝土为基准 ，分别研究了不 同掺 合料对混凝土抗压强度性能的影 响，不 同掺合料混凝 土的各龄期抗压强度结果如图 1 。 48 础 皇 骥 繇 赠 图 1 不同掺合料混凝 土的抗压 强度 2 0 1 3年 9月 第 9期 广东水利水 电 N o ． 9 S e p ．2 0 1 3 由图 1结果可见 ，不 同掺合料混凝土的 2 8 d抗压 强度均能达 到 C 3 0 。就 7 d强度 而言，石灰岩石粉混 凝土强度要高于粉煤灰 、石灰岩石粉及花 岗岩粉混凝 土强度 ，但 比大理石粉混凝土略低 ；石灰石石粉混凝 土 7 d强度与粉煤灰混凝土相 当，而花 岗岩粉混凝土 的 7 d强 度 则较 粉煤 灰 混凝 土 低。有 关 研究 证 明： C a C O 的掺入 ，可使 C S水化放 热速率明显增加 ，第 一 放热峰升高 ，第二峰出现时 间提前 ，水化诱 导期则 缩短 J ，从而提高了混凝 土的早期强度 。大理石粉 由 于其 C a C O 含量最高，故其 7 d强度最高 ；石灰岩石 粉 中的 C a C O 含量虽 不高 ，但 由于其 比表 面积很高 ， C a C O 颗粒反应活性大 ，故其 7 d 强度仅次于大理石粉 混凝土；花岗岩粉及 粉煤灰 由于早期反应 活性较低 ， 故其早期强度较低。 就 2 8 d强度而言 ，石灰岩石粉混凝土与粉煤灰混 凝土及花岗岩粉混凝土相 当，但大理石粉混凝土及人 造石粉混凝土后期强度发展缓 慢 ，远低 于前 3者。对 于混凝土后期强度 ，其高低不仅与水化程度及水化产 物种类有关 ，而且与混凝 土结构 的致密性有关 ；粉煤 灰混凝土后期强度之所以最高 ，与其 中含有较多的活 性 S i O 及 A 1 0 有关 ，花岗岩 中主要成分也是以 S i O ： 及 A 1 0 为主 ，经磨 细后也 可能有一定水化活性 ，由 于活性 S i O 及 A 1 ： 0 会 与 C a ( O H) 反应形成水化硅 酸钙及铝酸钙 ，有利于混凝土强度 的发展 ；此外 ，粉 煤灰及花岗岩粉粒径分布较广 ，也有利于集料在混凝 土中的填充 ，从而有利于混凝土结构的密实 ，故粉煤 灰混凝土及花岗岩粉混凝 土后期强度较高；对于石灰 岩石粉混凝 土 ，由于石 灰岩 石粉 比表 面积很 高 ，达 6 2 3 m ／ k g ，颗粒十分细小 ，这种细小颗粒相对于其它 掺合料而言 ，对混凝土中的空隙具有更好的填充作用 ， 从而使得混凝土结构更为致密 ，因此 ，虽然石灰岩石 粉 中活性 S i O 及 A 1 0 含量较少 ，但 由于结构较为致 密，其后期强度仅次于粉煤灰混凝 土及花 岗岩粉混凝 土；对于大理石粉混凝土及石灰岩石粉混凝土 ，由于 其不含有对混凝土后期强度有利 的活性 S i O 及 A 1 0 等物质 ，且 比表面积远 比石灰岩石粉低 ，故其后期强 度增幅较少 。 2 ． 3 不 同掺合料对混凝土抗碳化性能的影响 混凝土的碳化过程主要是空气 中的 C O ，与混凝土 中的 C a ( O H) 2 ，C—S—H等反应生成 C a C O ，从而降 低了混凝土耐久性。为 了研究石灰岩石粉对混凝土抗 碳化性能的影响，测定了不同掺合料混凝 土 2 8 d的抗 碳化性能 ，结果如图 2 。 2 _ 2 2 0 1 - 8 g 6 寇 1 - 4 ．z 谨 1 0 O 8 0 6 0 4 O _ 2 0 ． 0 O 4 8 l 2 1 6 2 0 2 4 2 8 龄期， d 图 2 不 同掺合料对混凝土的抗碳化性能 从 图 2中结果可以看出，混凝土 2 8 d抗碳化性能 优劣顺序为：石灰岩石粉混凝土 >大理石粉混凝土 > 花岗岩粉混凝土 >粉煤灰混凝土。混凝士抗碳化性能 不仅与混凝土的孔隙率及孔径大小有关 ，还与混凝土 中含有的与 C O ， 反应的成分含量有关。大理石粉主要 成分为 C a C O ，不会与 C O 或 C a ( O H) 发生反应 ，故 其抗碳化性能较好 ；对于石灰岩石粉 ，虽然其 C a C O ， 含量 比大理石粉少 ，但 由于其 比表 面积很高 ，颗粒细 小 ，相对于其它掺合料 而言 ，对混凝土中的孔 隙具有 更好 的填充作用，从 而使得混凝土结构更为致 密 ，阻 隔 C O ，的传输通道 ，提高 了混凝土 的抗碳化性能 ，因 此 ，石灰岩石粉混凝土抗碳化性能最好 。至于粉煤灰 及花 岗岩粉 ，由于含有较多活性 S i O 、A 1 0 ，它们会 与水化产物 C a ( O H) ： 发生二次水化反应 ，消耗 了 c a ( O H) ， ，使 混凝土 的碳化过 程缩短 ，碳化深度增 加 ， 碳化速度加快 ，混凝土的抗碳化性能下降。 2 ． 4 不同掺合料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响 不同掺合料对混凝土的抗氯离子渗透性能的影响 ， 结果 见 图 3 。 ∞ ● 吕 S 删 赠 花 岗岩石粉 粉煤灰 大理岩石粉石灰岩石粉 图 3 不同掺合料对混凝土的抗氯离子渗透性能 ( 下转第 5 3页) 49 2 0 1 3年 9月 第 9期 广东水利水 电 表 6 溢流坝 4 坝段 M g O混凝土统计表 外掺 Mg O的均匀性 问题 ，跟采用袋装 、人工称量 分包投料有关 ，投料方式能否进一步研究改进 、能否 机械投放 ，或者制成溶液投放 ，这样 ，既解决 M g O的 均匀性问题 ，也解决人工长期在高尘环境下工作对人 身体构成一定危害问题。 5应用效果及推广意义 采用 Mg O微膨胀混凝土 ，辅以其他措施 ，取代 了 传统 的大体积混凝土温控措施 ，尽 管飞来峡工程部分 Mg O混凝土的离差系数较 大，均匀性较差 ，但从船 闸 混凝土完工至今 以及安装 间封 闭块完工至今 ，均未发 现基础有贯穿性裂缝 ，解决 了飞来 峡水利枢纽工程 的 大体积基础块开裂问题 ，同时采用 Mg O混凝土 比传统 的温控措施具有较大的经济效益 ，较大程度地降低造 价 ，加大混凝土施工层厚 ，缩短 间隔时间 ，对加快施 工进度 、缩短工期具有 积极 的意义。这种新技术将面 临广阔的使用前景。 由于 Mg O微膨胀混凝土筑坝技术对浇筑温度要求 较高 ，超过一定温度时还需采取相应 的措施 ，才 能控 制混凝土温度裂缝 。当外界气温下降 时，混凝土表 面 形成的温度梯度较大 ，这也是混凝土重力坝产生混凝 ( 上接第 4 9页) 从 图 3中结果可知 ，粉煤灰混凝土的抗氯离 子渗 透性能最好 ，氯离子渗透性 “ 低 ” ，其次是花 岗岩石粉 混凝土，而大理岩石粉混凝土及石灰岩石粉混凝 土抗 氯离 子渗 透 性能 最差 ，它 们 的 电通量 均在 2 0 0 0～ 3 0 0 0 C 之间，属于氯离子渗透性“ 中等” 。 混凝土抗氯离子渗透性能主要与混凝土中的孔 隙 率及孔径大小有关 。粉煤灰混凝土 由于其含有较 多的 活性 S i O 及 A 1 0 ，这些活性 物质参加 了二次水化 反 应 ，除使混凝土孔径细化从而阻止氯离子渗透外 ，还 生成较多的水化铝酸盐相及其衍生物 ，能够结合 更多 的 C l ，导致其抗氯离子渗透能力远高 于其它混凝 土。花岗岩粉颗粒分 布较广 ，填充孔 隙的作 用较好 ， 混 凝 土致 密 性 较 好 ，且其 含 有 的部分 活 性 S i O ，及 A 1 0 ， 参与了二 次水化反应 ，故 其抗氯离子渗透性 能 较好 。石灰岩石粉和大理石粉中含有一定量 的 C a C O ， 会与对氯离子有吸附作用 的铝酸盐矿物反应 J ，故其 抗氯离子渗透能力较差 。 土表面裂缝的主要原 因 。因此 ，大体积混凝土表面 保温是 Mg O微膨胀混凝土筑坝技术要特别重视的防裂 措施 。Mg O微膨胀混凝土 自生体 积变形等效荷载在基 础强约束区产生了较大的压应力对大体积混凝土温度 应力起到 了较大的补偿作用 ，从而有效地降低施工期 温度荷载产生 的拉应力 ，从而达到防止大坝基础贯穿 性裂缝出现的 目的。 参考文献 ： [ 1 ] 卢文富．外掺 Mg O混凝土技术专题报告[ R] ．清远：广 东省飞来峡水利枢纽管理处 ，2 0 0 2 ． [ 2 ] 李承木．氧化镁微膨胀混凝土的变形特性研究[ J ] ．水电 站设 计 ，1 9 9 0 ( 2 ) ：1 — 8 ． [ 3 ] 罗恒，庞先明，陈浩，等．Mg O微膨胀混凝土拱坝安全 监测[ J ] ．贵州水力发电，2 0 0 7 ( 3 ) ：7 1 — 7 5 ． [ 4 ] 刘汉君．坝美水电站工程外掺 Mg O混凝土不分横缝筑拱 坝表面保 温与 养护 [ J ] ．甘肃 水利 水 电技术 ，2 0 0 4 ( 2 ) ： 1 5 8—1 5 9． [ 5 ] 陈昌礼，李承木．外掺 Mg O与水泥内含 Mg O在大体积混 凝土 中的膨胀效应 [ J ] ．混凝土 ，2 0 0 9 ( 1 1 ) ：7 4— 7 7 ． ( 本文责任编辑马克俊 ) 3结论 石灰岩石粉作混凝土掺合料 ，有利 于提高混凝 土 拌合物的扩展度 、塌落度 ，降低泌水 率，从而改善混 凝土的工作性能 ，可提高混凝 土的早期强度，且后期 强度也与粉煤灰混凝土相近 ，有利于提高混凝土的抗 碳化性能 ，但作为混凝土掺合料 ，其混凝土 的抗氯离 子渗透性能差于粉煤灰混凝土。 参考文献 ： [ 1 ] 陆平 ，陆树标．C a C O 对 c ， S 水 化的影响[ J ] ．硅酸盐学 报 ，1 9 8 7，1 5 ( 4 ) ：2 8 9—2 9 4 ． [ 2 ] J C ／ T 9 8 9— 2 0 0 6非结构承载用石材胶粘剂[ s ] ． [ 3 ] 谢友均 ，马昆林 ，龙广成等．矿物掺合料对混凝土中氯 离子渗透性 的影响 [ J ] ．硅 酸盐学报，2 0 0 6 ，3 4( 1 1 ) ： 1 3 45—1 3 5 0． [ 4 ] 马烨红．石灰石粉作混凝土矿物掺合料的研究 [ D] ．广 州 ：华南理工大学 ， 2 0 0 7 ． ( 本文责任编辑王瑞 兰) 5 3