石粉对碾压混凝土性能及微观孔结构的影响

龚 英，曹 洁，丁晶晶

(1.江西省水利科学研究院 江西省水工安全工程技术研究中心， 江西 南昌 330029；2.山东黄河东平湖工程局， 山东 泰安 271000)

大掺量粉煤灰可改善碾压混凝土诸多性能的观点在混凝土工程界已达成共识[1-3]。在我国大坝碾压混凝土工程中，粉煤灰掺量一般为50%～70%[4]。在我国水电开发建设的迅猛发展形势下，粉煤灰资源供不应求，优质粉煤灰的价格也在逐渐攀升，在我国西南地区粉煤灰资源短缺及不经济问题则尤为突出[5]。开发新型混凝土掺和料替代粉煤灰是当前混凝土材料研究热点之一。

石粉是骨料生产过程中产生的副产品。起初，石粉主要用于替代砂[6-9]，增加砂中的粉体含量，有利于提高砂浆对骨料的包裹性和黏聚性，改善碾压混凝土工作性。随着人们对石粉作用认识的深入，有学者大胆尝试采用石粉取代粉煤灰配制大坝碾压混凝土[10-13]，这样既解决了粉煤灰供应紧张的原材料问题，又合理利用了废弃资源石粉、减少了石粉的环境污染，同时还降低了工程造价。然而，要进一步推进石粉作为替代粉煤灰的混凝土掺和料应用，仅依靠目前一些工程应用研究还不够，还需进行系统深入研究。

以江西某大坝碾压混凝土为研究对象，石粉以不同掺量取代粉煤灰，研究石粉对碾压混凝土工作性、抗压强度、劈裂抗拉强度、抗渗性的影响；同时结合石粉对砂浆微观结构影响的试验研究，尝试从宏观和微观角度探究石粉对碾压混凝土性能的影响规律。

1 试验设计

1.1 试验原材料

(1) 水泥：海螺P.O42.5水泥。

(2) 粉煤灰：江西景德镇发电厂生产的粉煤灰，属Ⅱ级。

(3) 石粉：由人工砂中筛出，属石灰石粉。

(4) 细骨料：人工砂，细度模数为2.9，属中砂。

(5) 粗骨料：二级配5 mm～20 mm、20 mm～40 mm人工碎石。

(6) 外加剂：萘系缓凝高效减水剂。

(7) 水：试验当地饮用水。

1.2 试验配合比

试验以江西某工程大坝碾压混凝土(C9020W6)为基准配合比，胶凝材料为水泥和粉煤灰，试验用不同掺量的石粉取代粉煤灰，石粉取代率分别为0%、27%、51%、73%。4组碾压混凝土试验配合比见表1。

表1 碾压混凝土试验配合比

在上述碾压混凝土宏观性能研究基础上，试验同步研究了石粉对砂浆孔结构的影响。石粉以不同掺量取代粉煤灰，石粉取代率分别为0%、27%、51%、73%。4组砂浆试验配合比见表2。

表2 砂浆试验配合比

1.3 试验方法

采用《水工混凝土试验规程》[14](SL 352—2006)中碾压混凝土相关试验方法，测试了碾压混凝土VC值；成型了150 mm×150 mm×150 mm的立方体强度试件，测试了7 d、28 d、90 d、180 d试件抗压强度，测试了90 d试件劈裂抗拉强度；分两层加压振动成型抗渗试件，试件标养90 d，再测试抗渗试件在恒定水压下的渗水高度，并计算其相对渗透性系数。

采用吸水动力学法测试砂浆孔结构。砂浆试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。砂浆试件标养180 d后取出进行试验。首先将砂浆试件在110℃下烘至少24 h，然后在20℃等温条件下进行砂浆毛细孔吸附试验，称量不同浸水时刻的试件质量，如浸水前(干燥状态)、浸水15 min、1 h、24 h。最后计算平均孔径、开口连通孔孔隙率等砂浆孔隙特征参数[15-17]。

2 结果与分析

2.1 碾压混凝土性能

2.1.1 碾压混凝土工作性

石粉取代粉煤灰，碾压混凝土VC值的变化规律见图1。

与基准混凝土C相比，石粉取代粉煤灰，明显降低了碾压混凝土VC值，改善了碾压混凝土和易性。

图1碾压混凝土VC值随石粉取代率的变化规律

随石粉取代率的增大，碾压混凝土VC值先减小后增大。试验结果表明，存在最优石粉取代率51%。这说明，石粉以最佳掺量替代粉煤灰，石粉可与水泥、粉煤灰形成最优颗粒级配[9]，最大程度地填充水泥浆基体的空隙，使得用于填充空隙的自由水减少了、而用于水泥浆体流动性的自由水增多了，自然碾压混凝土会获得更好的和易性和工作性。不论石粉少量或过量取代粉煤灰，胶凝材料中细颗粒含量过少或过多，均会增大碾压混凝土VC值，降低石粉对碾压混凝土工作性的改善效果。

2.1.2 碾压混凝土抗压强度

石粉取代粉煤灰，碾压混凝土抗压强度随龄期发展的变化规律见图2。

图24种碾压混凝土抗压强度随龄期的发展规律

当石粉取代率为0%、27%、51%、73%，碾压混凝土90 d抗压强度分别为35.0 MPa、28.7 MPa、22.5 MPa、15.7 MPa，碾压混凝土180 d抗压强度分别为42.7 MPa、34.2 MPa、23.9 MPa、16.7 MPa。对比90 d和180 d强度数据可知，4组碾压混凝土后期强度分别增长7.7 MPa、5.5 MPa、1.4 MPa、1.0 MPa。试验结果表明，随石粉取代率的增大，碾压混凝土抗压强度逐渐降低，后期强度增长幅度也逐渐降低。

从碾压混凝土后期强度发展差异来看，粉煤灰对碾压混凝土后期强度贡献较大，石粉的作用非常有限。说明与粉煤灰相比，石粉的活性较低，可能属于惰性掺和料范畴。如果石粉过量取代粉煤灰，会明显降低碾压混凝土抗压强度，尤其是混凝土后期强度。

当石粉取代率为27%时，碾压混凝土90 d抗压强度为28.7 MPa，180 d强度为34.2 MPa，超过配制强度26.6 MPa，满足混凝土强度设计要求(C9020)。

2.1.3 碾压混凝土劈裂抗拉强度

石粉取代粉煤灰，碾压混凝土90 d劈裂抗拉强度的变化规律见图3。

图3碾压混凝土劈裂抗拉强度随石粉取代率的变化规律

随石粉取代率的增大，碾压混凝土劈裂抗拉强度逐渐降低，尤其当石粉取代率大于50%时，碾压混凝土劈裂抗拉强度至少降低50%。可见，石粉过量取代粉煤灰，会显著降低碾压混凝土劈裂抗拉强度，与石粉对碾压混凝土抗压强度的影响规律较一致。

2.1.4 碾压混凝土相对渗透系数

石粉取代粉煤灰，90 d碾压混凝土相对渗透性系数的变化规律见图4。

图4碾压混凝土相对渗透性系数随石粉取代率的变化规律

随石粉取代率的不断增大，碾压混凝土相对渗透性系数先减小后增大。当石粉取代率27%时，碾压混凝土相对渗透性系数最小，碾压混凝土抗渗性能最优。当石粉取代率超过50%，与基准混凝土相比，石粉取代粉煤灰，碾压混凝土相对渗透性系数却变大了，不利于碾压混凝土抗渗性。

可见，石粉适量取代粉煤灰，石粉与水泥、粉煤灰形成良好的级配，使水泥浆体具有良好的流动性和黏聚性，既有效填充骨料之间的空隙，又较好地粘附包裹骨料，形成较密实的混凝土微观孔结构，从而提高碾压混凝土抗渗性。然而，一旦石粉过量取代粉煤灰，胶凝材料中细颗粒含量的急剧增多，会使水泥浆体失去较好的流动性，不能有效填充骨料间的空隙，不利于形成密实的微观孔结构，会导致碾压混凝土渗透性的增大。

2.2 砂浆孔结构测试

石粉取代粉煤灰对砂浆平均孔径、开口孔隙率的影响规律见图5、图6。

图5 砂浆平均孔径随石粉取代率的变化规律

图6砂浆开口孔隙率随石粉取代率的变化规律

由图5可知，随石粉取代率的增大，砂浆平均孔径呈减小的趋势，当石粉取代率大于50%时，砂浆平均孔径没有继续变小，而是趋于某一数值稳定不变。由图6可知，当石粉取代率不大于50%，石粉取代粉煤灰对砂浆开口孔隙率影响不大；当石粉取代率大于50%，石粉取代粉煤灰使砂浆开口孔隙率变大。试验结果表明，石粉取代粉煤灰，可减小砂浆平均孔径，但石粉取代率不宜大于50%，否则石粉砂浆平均孔径不仅没有得到进一步细化，而且砂浆开口孔隙率会增大，导致砂浆孔结构朝不利的方向发展。

综合分析石粉对碾压混凝土宏观性能及微观结构性能的影响规律，石粉适量取代粉煤灰掺入混凝土中，可与水泥、粉煤灰形成良好的颗粒堆积体，改善水泥浆基体的流动性和黏聚性，有效填充骨料间空隙，实现减小砂浆孔径、优化孔结构的作用；正是石粉的填充效应，为改善碾压混凝土工作性及抗渗性发挥了主要作用；与粉煤灰相比，石粉活性较低，石粉的掺入会降低胶凝材料活性，会对碾压混凝土强度发展产生负面影响。

3 结 语

(1) 石粉取代粉煤灰，可细化砂浆孔隙，优化砂浆孔结构，与石粉对碾压混凝土工作性及抗渗性的改善效果较为吻合。石粉取代率不宜超50%，否则会增大砂浆开口孔隙率，使砂浆孔结构朝不利方向发展，从而降低石粉对碾压混凝土工作性及抗渗性的改善效果。

(2) 与粉煤灰相比，石粉的活性较低。石粉取代粉煤灰掺入，会显著降低胶凝材料的活性，对碾压混凝土后期强度发展尤为不利。试验推荐石粉取代率不宜超过27%。