石灰石粉对水工混凝土力学性能及耐久性能的影响.pdf

第 9 卷O 2期 2 0 1 1 年 7 月 南水北调与水利科技 S o u t h - t o - No r t h Wa t e r Di v e r s io n a n d Wa t e r S c i e n c e& T e c h n o l o g y Vo l I 9 No 0 2 J u 1 2 0 1 1 石灰石粉对水 工混凝 土力学性 能 及 耐久性 能的影 响 张雅 娟 ， 张 玮 ， 王 磊 ， 赵 继勋 ， 高 阳 ， 张晓磊 ( 河北省水利水 电科学研究 院 ， 石家庄 0 5 0 0 5 7 ) 摘要： 在水工混凝土中掺人石灰石粉， 是绿色混凝土的发展方向之一。试验研究了不同掺量的石灰石粉对水工混凝 土工 作性能 、 力学性能和耐久性能 的影响 。结果表 明 ， 石灰石粉具 有一定 的减水效果 ， 适宜 的石 灰石粉掺 量可提 高 混凝土的坍落度； 石灰石粉与水泥基材料具有较好的复合效应， 使混凝土具有较高的早期抗压强度， 且后期抗压强 度增长较大； 随着石粉掺量的增加混凝土氯离子渗透系数略有增大； 石灰石粉掺量过大劣化了混凝土抗冻融性能。 关键 词 ： 水工混凝 土 ； 石灰石粉 ； 工作性能 ； 力学性 能 ； 耐久性能 中图分 类号 ： TV 4 3 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 一 l 6 8 3 ( 2 O 1 1 ) O 0 2 0 1 8 5 0 3 Th e Ef f e c t s o f Li me s t o n e Po wde r M i xi ng o n M e c ha ni c a l Pr o p e r t y a n d du r a bi l i t y o f h y dr a u l i c c o nc r e t e Z HANG Y a - i u a n ， Z HANG We i ， wANG L e i ， Z HAO J i x u n ， GAO Ya n g ， Z HANG Xi a o - l e i ( He b e i P r o v i n c i a l Ac a d e my o f Wa t e r Re s o u r c e s ， S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 5 7 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： The hy d r a ul i c c on c r e t e mi x e d wi t h l i me s t o ne is o n e of t h e d e v e l o p me n t t e nd e n c y o f g r e e n c o n c r e t e I t a i me d a t s t u d y i n g t h e i n f l u e nc e o n wor k a b i l i t y， me c h a n i c a l p r o pe r t y a n d d ur a b i l i t y o f h y d r a u l i c c o n c r e t e wi t h d i ffe r e n t c o nt e n t s o f l i me s t o n e p o wd e r Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e 1 i me s t o n e p o wd e r ha s c e r t a i n wa t e r e d u c i n g e f f e c t ， a p p r o p r ia t e t h a t mi x i n g qu a nt i t i e s o f l i me s t o n e p o wd e r c a n i nc r e a s e t he s l u mp o f c o n c r e t e Li me s t o n e p o wd e r a n d c e me nt b a s e d ma t e r i a l s p r o c e s s b e t t e r c o mp l e x e f f e c t ， wh i c h ma k e s t h e c o nc r e t e wi t h h i g h e a r l y c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， a n d g r e a t l y e n h a n c e d l o n g t e r m c o mp r e s s i v e s t r e n g t h The Ch l o r ide i o n pe r me a bi l i t y c o e f f i c i e nt o f t h e c o n c r e t e i n c r e a s e d s l i g h t l y wi t h t he i n c r e a s e o f t h e l i me s t o n e p o wd e r r e p l a c e me n t r a t i o a n d r e s i s t a n c e t o f r e e z ing t h a wi n g o f c o n c r e t e d e c r e a s e wi t h t h e r i s e o f c o n t e n t o f l i me s t o n e po wd e r Ke y wo r d s： h y a r a u l i c c o n c r e t e ； l i m e s t o n e po wd e r ； wo r k a b i l i t y； me c h a n i c a l p r o p e r t y ； d u r a bi l i t y 水 工混凝土 主要指 用于 水利 水 电工程 中的混 凝土 。一 般来讲 ， 水 工混 凝土建筑 体积 巨大 ， 且 直接 与水接 触。2 O世 纪以来 ， 水工混凝土中开始大量使用矿物掺和料， 主要 以粉 煤灰为主， 这不仅节约了水泥， 也有效地降低了混凝土的水 化热温升； 7 0年代出现的碾压混凝土坝， 粉煤灰掺量更是达 到 5 O 7 0 。然而， 目前混凝土掺合料资源相对较少 ， 优 质 粉煤 灰不能满 足市 场需求 l 1 ， 今后 几年 这一供 求矛 盾将 更加 明显 。在我 国， 生 产混凝 土粗 骨料 、 细 骨料及 石材 制 品 时 ， 会产生大量的石屑、 石粉。开发石灰石粉混凝土作为矿 物掺合料， 既有技术优势和潜在的巨大市场， 又可以推进石 料加工企业走上有利于环境保护的可持续发展道路， 其经济 意义、 社会意义不言而喻l 3 。石灰石粉作为水泥混凝土矿物 掺 和料 和混凝土 的细骨料 已得 到广 泛应用 ， 在我 国 ， 江垭 、 普 定 、 岩滩 、 汾河二库、 白石、 黄丹等水利工程中均采用了石粉 取代部分细骨料， 取得了良好的效果。石粉的掺入不仅改善 了新拌混凝土的和易性， 而且提高了混凝土的强度和抗渗性 能_ 4 。大量研究表明， 石灰石粉可促进水泥水化， 提高水泥 混凝土早期强度 ， 改善新拌混凝土 的流变性 等。这些 研究主 要集中在石灰石粉对水泥水化和作为细骨料对混凝土的影 响， 但作为掺合料对混凝土性能的影响却很少报道。针对这 一 问题， 本文通过试验研究了不同掺量的石灰石粉对水工混 凝土工作性能、 力学性能和耐久性能的影响。 1 试验原材料及配合 比 1 1 试验 原材 料 水泥： 试验采用石家庄强力水泥厂生产的P 0 3 2 5级 水泥， 其主要性能见表 1 。石灰石粉： 细度( 4 5 m 筛余量) 1 9 ， 需水量比9 5 ， 其化学成分见表 2 。细集料： 机制砂 ， 表观密度 2 6 9 6 k g m3 ， 细度模数 2 6 7 。粗集料： 碎石， 粒径 5 2 O mm， 连续 级配碎石 ， 表 观密度 2 6 7 5 k g m3 ， 压 碎指标 8 7 。外加剂： 高效萘系减水剂。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 6 1 7 修 回 日期 ： 2 0 1 1 0 6 2 0 作者简介 ： 张雅娟 ( 1 9 6 6 一 ) ， 女 ， 河北 唐山人 ， 工程师 ， 主要从事水工混凝土性能研究 。E - ma i l ： 7 4 7 1 0 5 2 1 7 q q e o m l 王 娃 蔽I 莱 1 8 5 第 9卷 O 2期 南水北调与水利科技 2 0 1 1年 7月 表 1 水 泥的主要物理性 能 C a O Mg O F e z 03 Al z O3 S O 3 S i Oz WKz O烧失量 3 8 1 21 1 0 1 3 0 1 2 0 1 3 0 4 3 0 0 2 3 9 9 6 1 2试 验 配合 比 试验采 用石灰石 粉 取代 不用 量水 泥 ， 然 后按 表 3的配 合比成型混凝土试件。试验以 S o 为基准组 ， 研究不同掺量 的石灰石粉对水工混凝土工作性能、 力学性能和耐久性能 的影响 。 表 3 混凝 土配合 比 ( k gn ) 2 石灰石粉对水 工混凝 土工作性 能的影 响 混 凝土 工作 性 能 按 S L 3 5 2 - 2 0 0 6 ( 水 工 混 凝 土试 验 规 程 进行测试。不同掺量的石灰石粉混凝土坍落度结果见 图 1 。 5 0 5 1 S 2 S 3 M 试件组号 图 1 石灰石 粉对 混凝 土工作性 能的影响 从图 1 可以看出， 掺入石灰石粉后， 混凝土拌合物的坍 落度明显增大。没有掺石灰石粉的混凝土拌合物坍落度为 1 6 0 m m， 掺人 1 O 的石灰石粉后， 坍落度均增大至 2 0 0 mm； 随着石灰石粉掺量变大， 坍落度不断增大， 但增幅减小， 试件 组 S 4的坍落度达到最大值 2 3 0 rai n 。这说 明在一定的范围 内掺人石灰石粉可以改善混凝土的工作性能， 而且随着掺量 增加， 工作性能得到提高。 石灰石粉的密度小于水泥， 等质量石灰石粉取代水泥 后 ， 混凝土拌合物中浆体的含量增大， 同时石灰石粉的细粉 分散在水泥颗粒之间， 起到分散剂的作用， 有利于改善混凝 土的颗粒级配， 使粉体材料更趋向于最佳堆积密度， 从而改 善混凝土拌合物的流动性， 增加其坍落度。 1 8 6 g王豫 娃 蔽j 3 石灰石粉对水工混凝土抗压强度的影响 混凝土抗 压 强 度 按 S L 3 5 2 2 0 O 6 ( ( 水 工 混 凝 土 试 验 规 程 进行测试 。不同掺量的石灰石粉混凝土抗压强度结果 见 图 2 。 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 试验龄期 d 图 2 石灰石粉对混凝土抗压强度的影响 由图 2 可以看出， 掺人 1 O 和 2 0 石灰石粉的混凝土 3 d 抗压强度要高于普通混凝土的 2 2 5 MP a ， 但 2 8 d抗压强 度略低于普通混凝土 ； 石灰石粉掺量达到 3 O 后 ， 混凝 土 3 d 抗压和 2 8 d抗压强度相对于普通混凝土有明显降低。由此 可见， 掺人 2 O 以内石灰石粉可以增加混凝土的早期抗压强 度， 对混凝土后期强度的增长不利 ， 混凝土中石灰石粉的适 宜掺量应控制在 2 O 以内。 混凝土可以视为连续的颗粒堆积体系， 石灰石粉的细度 比水泥小， 一部分起到了填充骨架的作用， 另外石灰石粉可 以填充到界面的孔 隙中， 使水泥石结构和界面结构更为致 密。石灰石粉的微晶核效应使 c _ H和 C a ( OH) 2生长在 C a C O s 颗粒表面 ， 防止 了 C a ( OH) 2在水 泥石 和集料 界面 生 长成大晶体， 增强了界面粘结 ， 同时降低了液相离子浓度， 加 速了 C S表面的离子向溶液中迁移， 从而加速了 C s s的水 化， 这种效应在早期较为明显 ， 故而一定掺量 内的石灰石粉 增大了混凝土早期强度 ， 以致对后期强度造成不利影响。石 灰石粉参与水化反应程度十分有限， 石粉掺加量过多， 混凝 土体系中掺与水化反应的水泥量越少 ， 形成的结构网络越稀 疏， 导致混凝土的强度有明显下降。 4 石灰 石粉 对水 工 混凝 土抗 氯 离子 渗透 性 能 的影响 混凝 土氯离子 扩散 系数 按 S L 3 5 2 - 2 0 0 6 ( 水工 混凝 土试 验规程 进行测试。不同掺量的石灰石粉混凝土氯离子扩散 系数结果见图 3 。 SO S 1 S 2 S3 S 4 试件组号 图 3 石灰石粉对混凝土抗氯离子渗透性能影响 B d 善 鹱 _+ 璐 2 1 0 一 、 。 - I 】 _【 一 籁 衽 傩) 毒 张雅娟等 石灰石粉对水工混凝土力学性能及耐久性能的影响 从图 3中可以看出， 掺入石灰石粉时会增大混凝土氯离 子扩散系数 ， 即降低混凝 土的抗 氯离子渗 透性能 。且 随着掺 量的增大 ， 混凝土的抗氯离子渗透性能降低。 石灰石粉细度细， 分散性好， 可以有效填充水泥颗粒孔 隙， 加之石灰石粉的减水作用可以降低混凝土水胶比， 保证 凝胶体的密实度。本试验氯离子扩散有增加， 原因在于不掺 加石灰石粉的基准组混凝土利用增加外加剂剂量调整坍落 度 ， 保持了试验组在基本同一水胶比基础上。如果不增加外 加剂 ， 保持相同坍落度 ， 则石灰石粉的增加一定会降低水胶 比， 氯离子扩散系数会得到相反的结果。 5 石灰石粉对水工混凝土抗冻融性能的影响 混凝 土抗冻融 性能 按 S L 3 5 2 2 0 0 6 水工 混凝 土试 验规 程 进行测试 。不 同掺 量的石灰石粉混凝 土抗冻融性 能结果 如表 4 所示 。 表 4 混凝土 3 0 0次快速冻融试验 结果 从表 4中可以看出， 各个掺量石灰石粉的混凝土试件均 能达到 3 0 0次冻融循环， 随着掺量的增加， 质量损失增大， 相 对动弹性模量降低。 石灰石粉主要在早期起着积极作用， 2 8 d 后 由于其活性 有限， 在冻融循环的环境影响下， 部分依靠物理密实填充的 硬化结构容易遭到侵蚀破坏， 使得混凝土结构变得疏松， 表 现出混凝土的动弹性模量和质量损失不断加剧。 6结论 石灰石粉具有一定的减水效果 ， 增大了混凝土的坍 落度， 改善混凝土的工作性能。 掺入不大于 2 O 石灰石 粉的混凝土， 可以提高混凝土早期抗压强度， 但其后期强度 却低于普通混凝土； 掺入超过 2 O 石灰石粉的混凝土， 抗压 强度降低明显。 随着石灰石粉掺量 的增大， 混凝土的抗 氯离子渗透性能降低。 掺入石灰石粉混凝土 的抗冻融 性能均低于普通混凝土， 但是均能达到 F 3 0 O ， 抗冻性能较 好 。 石灰石粉作为一种在不至于大幅度降低混凝 土性 能的前提下的水工混凝土掺和料，具有巨大的经济价值和 社会环境效益， 既能降低成本又能充分利用工业废料 ， 节约 能源 ， 保护环境 ， 具有环 境保护 与实 现混凝 土绿色 化 的双重 效 益。 参 考文献 E 1 S u n M B A n e w me t h o d f o r t h e mi x d e s i g n o f me d i u m s t r e n g t h f l o wi n g c o n c r e t e wi t h l o w c e me n t c o n t e n t J C e me n t a n d C o n c r e t e Co mp o s i t e s ， 2 0 0 3， 2 5 ( 3) ： 21 5 2 2 2 2 B a r o n J ， Do u r v e C Te c h n i c a l a n d e c o n o mi c a l a s p e c t s o f t h e u s e o f l i me s t o n e f i l l e r a d d i t i o n s i n c e me n t J Wo r l d C e me n t ， 1 9 8 7 ， 1 8( 4 )： 1 0 0 1 0 4 3 刘数华 ， 阎培渝 石 灰石粉在 复合胶凝材 料水化 中的作用机理 I - J 水泥工程， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 6 - 8 4 3 谭克忠 黄丹水 电站人工砂石粉限值探讨及使用总结 J 四川 水力发电 ， 1 9 9 8 ， ( 9 ) ： 4 4 4 6 5 秦蛟 ， 陈世其 普定碾压混 凝土拱坝 施工 _ J 水力 发 电， 1 9 9 5 ， ( 1 0 )： 3 4 3 7 6 林 家骅 ， 姜 长全 ， 李 继海 江垭大 坝碾 压混凝 土配 合 比的特点 J 人民长江， 1 9 9 9 ， 3 0 ( 6 ) ： 2 0 2 6 ( 上接 第 1 8 1页) 式 中 ： s 一声的标 准差 ； S 一平 均相 对偏 离 的标准 差 ； 一计算 统计量； t z 一统计量临界值( 查表得) ； 其余同前。 通过计算 t =O 0 9 因为 t 的绝对值小于 t l a 2 ， 所以 检 验合理 。 标准差计算。 一 圣 一 一 2 通过计算 S e =4 9 ， 标准 差为 9 8 ， 因为 S e 1 0 ， 符 合规范定线要求。 3 关 系线 t 检验 一 兰! 二 旦 5 1 ， 2 1 +1 2 式中： 一计算统计量； 、 z 一第一、 第二组测点总数； 3 7 1 、 2 U一 2 一 第一组为第二组测点总数； 平均相对偏 离值 的标准差； t 为统计量临界值( 查表得) ； 其余同前。 本站 2 0 1 0年 自由堰流测流 1 2次 ， 对 2 0 1 0年样本进行 t 检验， 得统计量 t 一1 5 0 ， 按 整编规 范， 显 著性水平 a采用 0 0 5 ， 查的自由度 k的临界值为 1 9 6 ， 即接受 t 检验， 实测点标 准差为 5 O 。符合规范精度要求， 即赶水坝站自由堰流( 1 0 ) 没有发生较大变化， 可以用于 2 0 1 0乃至 以后的定线推流 。 坏值剔除： 根据 河流流量测验规范 辅导材料规定， 对 误差大于等于 3倍标准差， 即为伪误差 ， 应予以剔除， 本次资 料共 3 9 4次， 剔除坏值 l 1 次 ， 占全部测次的 2 8 。最后参 加评定的共 3 8 3次， 其对应置信水平 9 5 的随机不确定度为 9 8 一2 S e ， 符合规范精度要求。 4结语 该方法将多孔堰闸自由堰流出流曲线概化为一簇曲线， 既直观又能反映实际情况 ， 消除 了流量公 式 中因开启 孔数不 同而产生的系统偏差； 同时对于多孔堰闸的调度及利用堰闸 推流均具有很好的实用价值。 参考文献 ： 1 赵振兴 水力学 M 北京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 5 2 S L 2 0 9 2 ， 水工建筑物测流规范 s 3 G B 5 0 1 7 9 9 3 ， 河流流量测验规范I s 4 S L 2 4 7 1 9 9 9 ， 水文资料整编规范 s | =：l=I 袁l 蔽 g采 | 1 8 7