石灰石粉替代粉煤灰在混凝土中的應用

王瑞，趙永寧，王帥，段成博

（寧夏錦泰鴻業(yè)商砼有限公司研發(fā)中心，寧夏 銀川 750200）

石灰石粉替代粉煤灰在混凝土中的應用

王瑞，趙永寧，王帥，段成博

（寧夏錦泰鴻業(yè)商砼有限公司研發(fā)中心，寧夏 銀川 750200）

本文試驗了用石灰石粉以不同摻量替代粉煤灰對混凝土工作性、力學性能的影響，試驗結(jié)果表明：石灰石粉適當?shù)奶娲勖夯以诨炷林袘脮r，能夠改善混凝土的和易性、工作性，降低混凝土坍落度損失，力學性能得到提高，改善了混凝土密實性及耐久性。應用于高強度混凝土時，石灰石粉與粉煤灰復摻使用可以降低混凝土的粘聚性，提高混凝土的流動性。

石灰石粉；工作性；耐久性；混凝土

0 前言

隨著現(xiàn)代工程建筑的發(fā)展，人們對混凝土的性能和質(zhì)量不斷地提出了新的、更高的技術(shù)要求，伴隨著外加劑在混凝土工程上普遍應用以后，人們開始把目光投向礦物摻合料，作為現(xiàn)代混凝土的重要原材料，改善混凝土各項性能的同時也降低了成本，減少了對環(huán)境的污染，為綠色高性能混凝土這一發(fā)展方向做出巨大貢獻。日益在國內(nèi)外材料與工程界引起廣泛的關(guān)注與重視，甚至將之稱為混凝土的第六組分，成為當今混凝土技術(shù)進步的重要途徑和措施。經(jīng)過大量試驗和長期在生產(chǎn)中的應用，參考不同使用者和研究者對石灰石粉混凝土數(shù)據(jù)結(jié)果不同的原因，通過石灰石粉與其他礦物摻合料復摻的試驗數(shù)據(jù)，簡單總結(jié)石灰石粉對混凝土工作性能、力學性能和耐久性能的影響。

1 材料的質(zhì)量與地區(qū)差異

西部大開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，寧夏加大了對基礎(chǔ)設施的投資和建設質(zhì)量管理力度，煤炭資源在寧夏有著相當大的儲量且煤質(zhì)較好，為混凝土提供大量質(zhì)量優(yōu)良價格低廉的粉煤灰資源。但是，混凝土企業(yè)過快的發(fā)展步伐打亂了現(xiàn)有粉煤灰市場，粉煤灰質(zhì)量不穩(wěn)定、波動大，如細度、需水比、燒失量、活性指數(shù)及拌合物性能均受到很大影響。近些年來，隨著水利、交通及各類民用設施建設的迅速發(fā)展，粉煤灰逐漸面臨資源緊缺、運輸距離遠等問題，這必然會大大提高混凝土的成本、增加工程造價。因此，非常需要找到一種容易獲取且質(zhì)優(yōu)價廉的新型輔助礦物摻合料。

石灰石粉是石灰?guī)r經(jīng)機械加工后顆粒小于 0.16mm 的微細粉體，其化學成分以 CaCO3為主，最早作為一種廉價的添加物而曾經(jīng)為不法分子利用來謀取暴利，但是隨著人們經(jīng)過科學的試驗驗證，作為一種惰性摻合料在水泥基材料中起到的功能協(xié)同效應逐漸改變了人們對其惰性觀點的認識。近年來，混凝土技術(shù)從普通混凝土向綠色高性能混凝土邁進，但是原材料資源日趨匱乏，質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢。由于它具有比熟料易磨性好的優(yōu)點，合理的與粉煤灰、硅灰復摻在水泥體系中能改善整個體系級配，降低水泥用量，在應用過程中由于其需水比相對粉煤灰較低，還有因為其早期的水化惰性，導致整個水泥水化體系往往處于一種比較遲鈍的狀態(tài)，從而有效地避免了水化熱導致的質(zhì)量問題。因此，從混凝土材料系統(tǒng)的觀點出發(fā)的話，石灰石這種傳統(tǒng)的惰性材料應該越來越多的被混凝土摻合料技術(shù)所利用。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

水泥：寧夏瀛海天琛建材有限公司瀛海牌 P·O42.5R水泥，3d 水泥強度 27.8MPa；28d 水泥強度 50.6MPa。

粉煤灰：寧夏青鋁自備電廠I級灰，45μm 方孔篩篩余11%，燒失量 4.69%。

石灰石粉：阿拉善左旗鑫磊石料廠石灰石粉，比表面積700m3/kg，45μm 方孔篩篩余 2.1%。

粗骨料：阿拉善左旗鑫磊石料廠 5～25mm 碎石，含泥量0.6%，壓碎指標值 9.8%。

細骨料：青銅峽恒源砂廠生產(chǎn)。水洗砂：細度模數(shù) 2.7，Ⅱ 區(qū)級配，含泥量 2.7%；天然砂：細度模數(shù) 2.2，Ⅱ 區(qū)級配，含泥量 3.9%。

減水劑：寧夏潤維聚羧酸高性能減水劑，減水率28.7%，含固量 12%。

水：市政自來水。

石灰石粉質(zhì)量檢測指標有：第一、細度，用負壓篩或勃氏比表面積儀測出；第二、石灰石粉中碳酸鈣和氧化鈣的含量，（1）測定燒失量來體現(xiàn)碳酸鈣的純度，（2）在石灰石粉中加入過量的已知濃度的鹽酸標準溶液，充分反應后，稱量未反應的物質(zhì)的質(zhì)量來計算碳酸鈣的純度。石灰石粉化學成分分析見表 1。

表 1 石灰石粉化學分析 %

表 2 礦物摻合料物理性能

2.2 試驗方法

水泥：按 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》、GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》、GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》標準進行檢測。

摻合料：按 GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》、JGJ/T 318—2014《石灰石粉在混凝土中應用技術(shù)規(guī)程》標準進行檢測。

砂及碎石：JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》標準進行檢測。

外加劑：按 GB 8076—2008《混凝土外加劑》、GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》、GB 50119—2013《混凝土外加劑應用技術(shù)規(guī)范》標準進行檢測。

混凝土力學性能試驗：根據(jù) GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》標準進行檢測。

混凝土拌合物性能試驗：根據(jù) GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》標準進行檢測。

混凝土耐久性能試驗：GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》、JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗評定標準》標準進行檢測。

3 試驗及結(jié)果分析

3.1 石灰石粉取代粉煤灰對水泥膠砂強度的影響

根據(jù) GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》與 GB/T 18736—2002《高強高性能混凝土用礦物外加劑》中對各礦物摻合料活性和水泥膠砂強度的試驗方法，用石灰石粉以 5%、10%、15%、20% 取代粉煤灰復摻的方法檢驗水泥膠砂強度的變化，結(jié)果見表 3。

結(jié)果顯示，在膠砂體系中，采用 45μm 方孔篩篩余小于12% 的石灰石粉，以水泥質(zhì)量 5%、10%、15%、20% 取代粉煤灰復摻時，水泥漿體和水泥膠砂試件強度在復摻試驗中比單摻粉煤灰時效果好，石灰石粉的活性指數(shù)及水泥的強度貢獻隨之提高，對體系發(fā)揮積極作用，膠砂強度持續(xù)增長。當石灰石粉摻量大于 20%時，膠砂強度隨之降低。

表 3 抗壓強度和抗折強度試驗結(jié)果

3.2 石灰石粉取代粉煤灰對混凝土工作性的影響

設計混凝土配合比，為了滿足當前建筑物、構(gòu)筑物設計強度的要求，分別檢測普通、中等、高強度等級（C30、C40、C50）混凝土中石灰石粉取代粉煤灰后混凝土的工作性能。試驗時按照設計配合比制成 (100×100×100)mm 的立方體試塊做立方體抗壓試驗；測定初始坍落度、1h 坍落度損失、擴展度、抗壓強度，并觀察混凝土拌合物的和易性、工作性，混凝土試驗配合比和結(jié)果見表 4。

表 4 混凝土試驗配合比及結(jié)果

從表 4 的試驗結(jié)果可以看出，混凝土拌合物的擴展度都在 510mm 以上，說明拌合物的和易性都較好，沒有摻石灰石粉的混凝土經(jīng)時損失較大，用石灰石粉取代粉煤灰后拌合物的初始坍落度值增大，經(jīng)時損失減小，隨著取代石灰石粉摻量的增加混凝土的工作性、和易性得到提高。石灰石粉適量取代粉煤灰能夠避免其質(zhì)量不穩(wěn)定對混凝土拌合物性能的影響，改善混凝土工作性的同時，使混凝土和易性得到了改善（流動性、保水性、粘聚性均增加）。

3.3 石灰石粉取代粉煤灰對混凝土表觀密度的影響

通過表 4 的試驗結(jié)果，根據(jù)混凝土拌合物的和易性、工作性及 7d、28d 強度，使混凝土配合比滿足綠色高性能，調(diào)整混凝土配合比（表 5），用質(zhì)量法假定 C30 表觀密度為2370kg/ m3、C40 表觀密度為 2385kg/ m3、C50 表觀密度為2400kg/ m3 檢測混凝土表觀密度及強度。

表 5 混凝土調(diào)整配合比 kg/ m3

從表 5 中可見，通過容重法計算調(diào)整的配合比與混凝土拌合物的表觀密度實測值有一定的差異，隨著石灰石粉摻量的增加，拌合物表觀密度逐漸增加，混凝土試件(100×100×100)mm 的單塊質(zhì)量也隨之提高，說明混凝土密實度得到了改善，增加其密實性與耐久性。

3.4 石灰石粉取代粉煤灰對不同結(jié)構(gòu)部位混凝土的影響

根據(jù)本地區(qū)材料的質(zhì)量、成本及混凝土建筑物、構(gòu)筑物的特點，應用于不同的結(jié)構(gòu)部位，設計混凝土配合比。以C20（墊層、CFG 樁、基礎(chǔ)、其他部位等）、C25（梁板梯柱、路面、基礎(chǔ)、其他部位等）、C30（梁板梯柱、路面、基礎(chǔ)、其他部位等）強度等級為例，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位以水泥 10%～15% 的摻量用石灰石粉取代粉煤灰，在工程實體中應用。觀察其在運輸、泵送、振搗及養(yǎng)護過程中混凝土性能及實體結(jié)構(gòu)抗壓強度等變化。各強度等級混凝土調(diào)整配合比及混凝土性能結(jié)果見表 6。

根據(jù)表 6，在同期實際工程的應用中，單摻粉煤灰混凝土在和易性和工作性方面都略低于復摻石灰石粉混凝土。在同樣的施工工藝下，混凝土實體結(jié)構(gòu)的感觀要優(yōu)于粉煤灰混凝土，混凝土出現(xiàn)質(zhì)量缺陷的機率比同時期粉煤灰混凝土要少。但是在路面、特殊環(huán)境等混凝土工程中，石灰石粉取代粉煤灰這一技術(shù)還需要大量的試驗和工程中的應用來驗證。參照本地區(qū)材料質(zhì)量、價格差異及成本（石灰石粉價格略高于粉煤灰），考慮到低強度等級混凝土（如 C20 及以下強度）使用結(jié)構(gòu)部位的非重要性及成本問題，合理使用石灰石粉取代粉煤灰，緩解了近年來礦物摻合料供應緊張這一不利局面，結(jié)合地區(qū)混凝土現(xiàn)狀和工程特點，以保證質(zhì)量，降低成本為原則，使現(xiàn)代混凝土工程更綠色、更耐久。

表 6 混凝土調(diào)整配合比 kg/ m3

4 結(jié)論

試驗得出以下結(jié)論：

（1）利用石灰石粉比表面積大于粉煤灰這一特點，應用在混凝土中具有良好的填充效應和微集料效應，需水比相比粉煤灰較小，可與其他礦物摻合料復摻使用。相當于水泥10%～15% 摻量的石灰石粉取代粉煤灰與粉煤灰復摻可以有效的提高混凝土早期強度與后期強度，摻量大于 20% 時，混凝土抗壓強度降低。

（2）合理選擇石灰石粉摻量取代粉煤灰可以減小混凝土的坍落度損失，提高混凝土和易性與密實性，減少混凝土的質(zhì)量缺陷，改善混凝土工作性、耐久性及工程實體感觀，同時彌補了粉煤灰以次充好、供應不足的局面，同時降低了成本，有利于廢棄資源的合理利用，減少環(huán)境污染。

（3）根據(jù)現(xiàn)代混凝土工程的特點和設計需要，改變傳統(tǒng)觀念和思維方法，針對不同的結(jié)構(gòu)部位調(diào)整配合比及礦物摻合料用量和用法，使礦物摻合料從低強度到高強度由用法單一向雙摻、多摻礦物摻合料過渡，改變礦物摻合料不被重視的問題。

（4）石灰石粉作為一種低活性礦物摻合料，利用其惰性材料的特點適量取代粉煤灰可以降低水化熱，減緩水化熱放熱峰值，減小溫度應力，改善混凝土早期開裂現(xiàn)象，混凝土水泥水化過程中處于一種遲鈍的狀態(tài)，從而避免因水化熱導致的質(zhì)量問題。

（5）我公司通過試驗合理的選擇石灰石粉的摻量和降低水膠比，可以提高混凝土和易性、工作性及施工效率，對石灰石粉這一新興礦物摻合料的使用起到了推動作用。在以保證質(zhì)量，降低成本為原則的質(zhì)量方針下，即使混凝土達到最小水膠比、最小水泥用量、最大礦物摻合料，又降低了工程造價和能源消耗。

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［通訊地址］寧夏回族自治區(qū)銀川市德勝工業(yè)園區(qū)新勝東路寧夏錦泰鴻業(yè)商砼有限公司研發(fā)中心（750200）

王瑞（1986—），男，工程師，長期從事混凝土技術(shù)工作。