阳 俊，秦明强，杨如仙，汪华文

(1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，武汉 430040；2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，武汉 430040；3.中交二航武汉港湾新材料有限公司，武汉 430040)

随着交通基础建设的快速发展，在重视工程质量的同时，人们也不断追求工程外在质量的提升。2016年12月，交通运输部明确了品质工程是“践行现代工程管理发展的新要求，追求工程内在质量和外在品味的有机统一，以优质耐久、安全舒适、经济环保、社会认可为建设目标的公路水运工程建设成果”。高品质工程建设的基础之一便是高品质混凝土结构。高品质混凝土具有外观形象美、内在质量优、结构功能全和使用寿命长等特点。

近年来，清水混凝土等高品质混凝土开始被大力推广应用于海洋环境下的混凝土工程中，但由于海洋环境耐久性的要求非常高，目前在海工混凝土中通常采用大掺量优质矿物掺合料及性能稳定的外加剂来保证海洋工程混凝土的品质。然而，随着我国基础工程建设规模的扩大，满足现有混凝土技术要求的粉煤灰和矿渣粉已经日益短缺，优质矿物掺合料的分布不均和质量不稳定，也使混凝土品质提升难度增大。而石灰石粉作为一种储量大、易获取、价格低的混凝土用矿物掺合料，在海工混凝土中应用还较少。针对石灰石粉作为混凝土掺合料的物理和化学性能、应用效果和作用机理，国内学者进行了大量的研究。汪华文等[1]用一定细度的石灰石粉取代粉煤灰，改善混凝土工作性能、表观质量和耐久性能。杨如仙等[2]系统分析了磨细石粉作为矿物掺合料对混凝土的影响，证明适量的石灰石粉可以提高混凝土的工作性能、力学性能和抗渗性能、降低抗氯离子渗透性及抗硫酸盐侵蚀性能、抗碳化性。胡红梅等[3]试验得出在合适的掺量范围和复配比例条件下，石灰石粉与矿粉复掺不仅可以改善混凝土的自密实性能，同时也能满足高强要求。鄢佳佳等[4]研究得出，比表面积对石粉活性影响较显著，而对其需水性的影响相对较小。随着石粉比表面积的提高，砂浆流动度、抗压强度、干缩等轻微增大，抗氯离子渗透性小幅降低。冯庆革等[5]得出石灰石粉替代部分粉煤灰或矿粉，可以有效地改善工作性能，但对混凝土的抗氯离子渗透性不利。

粉煤灰和矿粉的单掺或复掺技术在海工混凝土中已得到较普遍应用，石灰石粉、粉煤灰和矿渣粉三者不同组合的多元复掺配制海工高品质混凝土的研究还相对较少，试验通过研究复合掺合料对混凝土工作性能、力学性能、耐久性能及外观质量的影响，为海工高品质混凝土配制提供一定的理论依据。

1 试 验

1.1 原材料

1)水泥：海螺PO 42.5，密度3.1 g/cm3，比表面积367 m2/kg，初凝215 min、终凝285 min，3 d抗压强度29.5 MPa、28 d抗压强度53.6 MPa。

2)矿渣粉：首钢S95级粒化高炉矿渣粉，7 d、28 d活性指数分别为78%、97%，流动度比100%。

3)粉煤灰：华源新型材料公司F类Ⅰ级粉煤灰,密度2.15 g/cm3，需水量比90%，烧失量9.05%。

4)石灰石粉：连州400 目石灰石粉，其流动度比为121.2%，亚甲蓝0.33 g/kg，7 d和28 d活性指数分别为66%、80%。

5)河砂：江西赣江中粗砂，细度模数为2.7，含泥量0.5%，泥块含量0.1%。

6) 碎石：5～10 mm、10～20 mm二级配连续碎石。表观密度2 690 kg/m3，含泥量0.4%，吸水率1.0%，泥块含量0.1%，针片状9.2%，压碎指标6.4%。

7)减水剂：中交二航武汉港湾新材料公司生产的聚羧酸高性能减水剂，掺量为1.1%时减水率28%,固含量23%，7 d、28 d抗压强度比分别为173%、152%。

1.2 方法

混凝土工作性能试验按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)进行；混凝土力学性能按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)进行，试件为标准尺寸；混凝土干燥收缩试验及氯离子扩散系数按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082—2009)进行；绝热温升按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2020)5.19试验方法，主要仪器为耐尔NELD-TV810型混凝土绝热温升仪；采用相同的脱模体系及振捣工艺，通过室外缩尺模型对比混凝土外观质量，模型尺寸2 m×0.5 m×1 m。

1.3 配合比设计

海工混凝土配制上多采用多种矿物掺合料复合，发挥其叠加效应，提高混凝土密实度及匀质性，以配制出高质量的混凝土。该试验以C40墩身海工高品质混凝土为设计目标，通过室内多次试验，设计了胶凝体系分别为水泥-粉煤灰-矿渣粉、水泥-粉煤灰-石灰石粉、水泥-矿渣粉-石灰石粉的三组配合比，水胶比为0.36、砂率为40%，水泥和掺合料总量为420 kg/m3，比较三组配合比混凝土工作性能、力学性能、抗裂性能、耐久性能以及外观质量，具体试验配比如表1 所示。

表1 不同胶凝体系下混凝土基准配合比 /(kg·m-3)

2 结果与分析

2.1 混凝土工作性能

不同复合胶凝体系对新拌混凝土工作性能的影响见表2。由表2可知：三种胶凝体系下配制的混凝土工作性能均满足要求，但采用粉煤灰+矿渣粉的胶凝体系配制的混凝土有少量泌水、黏度偏大。说明掺石灰石粉的混凝土，在水胶比和用水量相同的情况下，较其他胶凝材料体系混凝土，更有助于混凝土工作性的提升。采用石灰石粉胶凝体系，在同样坍落、扩展度要求下，能降低混凝土用水量。

表2 不同胶凝材料体系对混凝土工作性能影响

2.2 混凝土力学性能及耐久性能

测试混凝土强度、弹性模量及氯离子扩散系数，试验结果见表3。

表3 胶凝材料体系对混凝土力学性能及耐久性能的影响

由表3可知：在工作性能相同的条件下，掺入石灰石粉后，3 d及7 d强度及弹性模量均高于未掺石灰石粉的混凝土，但后期强度略低。掺入石灰石粉后，混凝土抗氯离子渗透系数明显降低，但基本上能满足一般海工混凝土耐久性要求。分析原因，主要是由于活性掺合料比石灰石粉比表面积更大、活性组分参与后期水化，能改善混凝土微结构。

2.3 混凝土热学性能

图1为三种不同胶凝体系下混凝土的绝热温升曲线。从图1可以发现：三种混凝土的绝热温升均低于40 ℃；矿渣粉+粉煤灰温度快速上升期始于约0.9 d龄期，温峰达到38 ℃；石灰石粉+粉煤灰温度快速上升期始于约1.2 d龄期，较矿渣粉+粉煤灰胶凝体系晚，且温峰仅为36 ℃，较矿渣粉+粉煤灰胶凝体系低。这是由于大量粉煤灰和石灰石粉的掺入,降低了混凝土在早期的水化放热和水化速度。相较而言,矿渣粉活性最大、石灰石粉活性最低,且矿渣粉的热反应速度远大于粉煤灰的热反应速度,因此矿渣粉+粉煤灰早期温度增幅也较高。由于混凝土的早期温升对于大体积混凝土结构的裂缝控制尤为重要，因此从控制早期温升角度考虑，石灰石粉与粉煤灰复合胶凝体系较石灰石粉+矿渣粉及粉煤灰+矿渣粉体系更适用于大体积混凝土结构，更不易因温度应力而发生开裂。

2.4 混凝土体积收缩

试验对比了不同胶凝材料体系下的混凝土干燥收缩值，如图2所示。

由图2可知，三种胶凝体系组成的海工混凝土收缩曲线基本一致，同等掺合料比例下，石灰石粉+粉煤灰干燥收缩值最小、石灰石粉+矿渣粉收缩值最大。当C40混凝土中掺入20%石灰石粉和20%粉煤灰后，混凝土干燥收缩变小，主要原因为石灰石粉+粉煤灰组成的复合掺合料密度较小，同等质量下，掺入的体积大于其他组合，充分发挥了密实效应，减少了混凝土的干燥收缩。

2.5 混凝土成型外观质量

对比不同胶凝材料体系下混凝土成型外观质量，可以看出：

1)三组小尺寸模型试件，均有较好的外观质量，表面无麻面、砂线以及直径大于5 mm的气泡等缺陷，混凝土表面平整光滑，无明显色差，但都分布有少量微小气泡。

2)采用粉煤灰+矿渣粉胶凝体系的混凝土，局部有少量浅层黑斑，边角有黄色锈迹、混凝土颜色偏暗，而采用粉煤灰+石灰石粉和石灰石粉+矿渣粉胶凝体系配制的混凝土色泽更加均匀、光泽更亮白、表面缺陷更少。

因此，采用掺入磨细石灰石粉配制混凝土，更易配制出外观质量佳的高品质混凝土。

3 结 论

a.通过调整砂率、调节减水剂用量等措施，三种复合胶凝体系均能配制出性能优良的混凝土。其中，石灰石粉替代粉煤灰、矿渣粉，能够提供较好的填充效应，改善混凝土粉料级配，明显提升混凝土的工作性能，存在一定“减水”作用。合理使用石灰石粉，能降低单方混凝土用水量。

b.相较于矿渣粉及粉煤灰，石灰石粉能提高混凝土早期力学性能，后期强度略低于粉煤灰+矿渣粉体系。

c.对比粉煤灰复合胶凝材料体系，石灰石粉与矿渣粉复合后，混凝土工作性能、力学性能和抗裂性能指标略有提高，抗氯离子渗透性能有所降低，外观质量明显改善，色泽均匀、光泽亮白。

d.石灰石粉作为惰性填料，其反应活性低，能降低混凝土的水化热和温度收缩，提高混凝土体积稳定性，降低混凝土开裂风险，适于配制大体积混凝土。