石灰石粉摻量和細度對混凝土性能的影響

丁華柱，劉圍，都增延，王波

（1重慶筑能建材有限公司，重慶 400713；2重慶市東毅新型建材有限公司，重慶 401334；3重慶建工新型建材有限公司，重慶 400012；4重慶志達欣建材有限公司，重慶 400037）

經過幾十年的改革開放，我國經濟發展逐漸從資源消耗型向環境友好型發展，走可持續的發展道路成為主流。混凝土產業作為資源消耗性的重點產業，對我國的環境產生了嚴重的破壞[1]，所以混凝土產業更應該走可持續的發展道路。眾所周知，混凝土技術發展到現在逐漸向高強高性能發展[2-3]，而利用外加劑和礦物摻合料提高混凝土的性能是混凝土發展的必經之路[4]。在混凝土中摻入礦物摻合料不僅能提高混凝土某一方面的性能，還能提高礦物摻合料的利用率。而我國的石灰石資源豐富，在生產粗骨料和機制砂時產生大量的石屑，由于缺乏相應的技術造成石灰石粉大量的隨意放置，不僅占用了空間而且對環境也造成破壞[5]。

已有研究表明適宜的石灰石粉含量能改善混凝土的拌合性能，提高拌合物的粘聚性，降低混凝土的孔隙率，對提高混凝土的耐久性有利[6]。國外利用石灰石粉生產水泥和配制高性能混凝土的例子很多[7]，在國內也有相應的標準和規范。但很多采石場產生的細小石灰石粉仍無法被使用，造成很大的資源浪費。所以本文以中等強度的普通混凝土為研究對象，研究了石灰石粉摻量和細度對混凝土工作性能和強度的影響，為石灰石粉大量應用于混凝土技術提供數據支持。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥

本次試驗采用的水泥為重慶拉法基水泥有限公司P·O42.5R普通硅酸鹽水泥，其化學成分如表1。

表1 水泥的化學組成

1.1.2 石灰石粉

試驗使用的石灰石粉為石灰石破碎后在球磨機中粉磨后制成不同比表面積的石灰石粉。石灰石粉CaCO3含量為85%，其比表面積分別為523m2/kg、618m2/kg、784m2/kg，其MB值為1.20g/kg，流動度比為102%。石粉的化學成分見表2所示。

表2 石灰石粉的化學組成

1.1.3 細骨料

試驗選用嘉陵江卵石機制砂，其各項性能指標見表3。

表3 機制砂的性能指標

1.1.4 粗骨料

試驗使用的粗骨料最大粒徑Dmax=26.5mm，級配良好。具體性能見表4。

表4 粗骨料的性能指標

1.1.5 減水劑

試驗使用的減水劑為聚羧酸系高性能減水劑，含固量22.30%，減水率28%。

1.2 試驗方法

試驗根據表5的配合比來研究石灰石粉摻量對混凝土性能的影響，用三種不同細度的石灰石粉等量取代15%的水泥，其他配合比不變。按以上配合比拌制混凝土后測試新拌混凝土的坍落度，然后制作100mm×100mm×100mm的立方體試件，在標準養護條件下養護到指定齡期測試其抗壓強度。

表5 石灰石粉摻量對混凝土性能影響的配合比

2 結果分析

2.1 石灰石粉對混凝土工作性能的影響

圖1 石灰石粉摻量對混凝土坍落度的影響

如圖1所示，在新拌混凝土中加入石灰石粉，隨著石灰石粉摻量的增加混凝土的坍落度也逐漸增加。在沒有摻入石灰石粉時，混凝土的坍落度僅為65mm，摻入10%的石灰石粉后，混凝土的坍落度比沒有摻入石灰石粉的混凝土的坍落度增加了接近兩倍。但是隨著混凝土中石灰石粉摻量的增加，混凝土坍落度的增加速率卻開始放緩。這主要是因為石灰石粉的細度大和密度比水泥小造成的。當混凝土中摻入一定量的石灰石粉后，由于石灰石粉的密度比水泥小，所以等質量取代水泥后使得混凝土中的漿體增加，從而使混凝土的坍落度增加。另一方面是由于石灰石粉顆粒的填充效應，石灰石顆粒填充在水泥大顆粒中間，使得水泥顆粒之間的空隙減少，而且增加了混凝土的保水性，使混凝土的坍落度增加。但混凝土中石灰石粉摻量大于一定值時，由于石灰石粉的細度比水泥顆粒細，使得粉體的表面積增加，從而增加包裹粉體顆粒的用水量，當粉體的表面需水量大于石灰石粉的減水效應時，混凝土的坍落度不再增加，甚至出現倒縮現象。

圖2 石灰石粉細度對混凝土坍落度的影響

圖2為石灰石粉細度對混凝土坍落度的影響，圖中“0”代表混凝土中沒有用石灰石粉等量取代水泥測得的混凝土坍落度，L1、L2、L3分別代表細度為523m2/kg、618m2/kg、784m2/kg的石灰石粉取代15%的水泥所測得的混凝土坍落度值。由圖可知混凝土中摻入石灰石粉后，混凝土的坍落度增加明顯。隨著摻入石灰石粉細度的增加，混凝土的坍落度也逐漸增加，但增加速率逐漸放緩。這主要也是由于石灰石粉的微集料填充效應改善了混凝土的顆粒級配，增加了混凝土的坍落度，而且石灰石粉細度越大對顆粒級配的改善效果越明顯，混凝土的坍落度也越大。但是隨著石灰石粉細度的增加，粉體的表面積也越大，包裹粉體材料所需的用水量也越多，當由于粉體表面積增加所造成的需水量大于由粉體材料改善顆粒級配而減少的用水量時，混凝土的坍落度增加逐漸放緩，甚至對混凝土的工作性能產生不良影響。

2.2 石灰石粉對混凝土力學性能的影響

圖3 石灰石粉摻量對混凝土的抗壓強度影響

由圖可知混凝土的抗壓強度隨著齡期的延長而逐漸增加，在石灰石的各個摻量中，3d和28d的強度增加明顯，而90d的抗壓強度增加非常緩慢。其中當石灰石粉摻量為15%時，混凝土各個齡期的抗壓強度比基準組和其他摻量時的抗壓強度都要大；當石灰石粉摻量為10%和20%時，混凝土的各個齡期的抗壓強度都比摻15%石灰石粉混凝土抗壓強度和基準組低。由于在水泥水化過程中摻入一定量的石灰石粉可以與水泥水化產物Ca（OH）2和水化鋁酸鈣反應生成堿式碳酸鈣和碳鋁酸鈣，堿式碳酸鈣和碳鋁酸鈣填充了水泥硬化體的孔隙，可以提高水泥混凝土的抗壓強度。當石灰石粉摻量為10%時，水泥水化生成的堿式碳酸鈣和碳鋁酸鈣比較少，而且混凝土有效水膠比提高得不明顯，所以由摻入石灰石粉后造成膠凝材料活性下降所引起的混凝土強度降低起主導原因。當石灰石粉摻量為15%時，水泥水化時生成的堿式碳酸鈣和碳鋁酸鈣比較多，而且大大提高了混凝土的有效水膠比，使混凝土強度大大提高。當石灰石粉摻量為20%時，混凝土強度低主要是由于摻入石灰石粉引起的膠凝材料活性下降造成的混凝土強度下降比由于石灰石粉反應生成堿式碳酸鈣和碳鋁酸鈣引起的混凝土強度增加更明顯。

圖4 石灰石粉細度對混凝土抗壓強度的影響

圖4為不同石灰石粉細度對混凝土各個齡期抗壓強度的影響。由圖可知混凝土的3d抗壓強度隨著摻入石灰石粉細度的增加而逐漸增加，甚至比基準組還要高；混凝土28d抗壓強度隨著石灰石粉細度的增加而基本保持不變，只是比基準組的抗壓強度略高；但混凝土90d的抗壓強度卻隨著摻入石灰石粉細度的增加而出現下降，甚至比基準組略低。這主要是因為石灰石粉能促進水泥的水化，在水泥水化過程中石灰石粉為水化產物Ca（OH）2和AFt提供晶核，促進了水泥水化產物的生成，而且隨著石灰石粉細度的增加，這種促進作用更加明顯。但是到了后期隨著水泥水化越來越徹底，這種促進作用逐漸消失。

3 結論

（1）混凝土中摻入一定量的石灰石粉后，其坍落度隨著石灰石粉摻量和細度的增加而增加，但增加速率明顯放緩。

（2）混凝土的抗壓強度在石灰石粉摻量為15%時出現最大值，而且石灰石粉細度越大，混凝土的早期強度越高，但其后期強度出現相反規律。

[1]徐小寧.中國水泥工業的生命周期評價[D].大連：大連理工大學,2013.

[2]崔捷.高強高性能混凝土技術研究[J].科技與企業，2013（7）:215.

[3]羅震亞.高強高性能混凝土[J].山西建筑，2007（31）:159-160.

[4]徐欣，康立中，于大忠，等.礦物摻合料配制高強高性能混凝土的研究與應用[A].全國高性能混凝土和礦物摻合料的研究與工程應用技術交流會論文集[C].2006.

[5]李正士.我國石灰石粉作為礦物摻合料對混凝土性能影響的研究進展[J].四川建材，2012（3）:19-21.

[6]李晶.石灰石粉摻量對混凝土性能影響的試驗研究[D].大連：大連理工大學，2007.

[7]Liu S,Wang Z.Effect of Limestone Powder on Acid Attack Characteristics of Cement Pastes[J].MATERIALS SCIENCE-MEDZIAGOTYRA，2014,20（4）:503-508.