超細(xì)石灰石粉高強(qiáng)自密實(shí)混凝土的制備

聶虎，汪彬，徐文

（1.湖北藍(lán)?；炷劣邢薰?，湖北　武漢 430200；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇　南京　210008）

超細(xì)石灰石粉高強(qiáng)自密實(shí)混凝土的制備

聶虎1，汪彬2，徐文2

（1.湖北藍(lán)海混凝土有限公司，湖北武漢 430200；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇南京210008）

將 1800 目超細(xì)石灰石粉等量取代膠凝材料應(yīng)用于 C60 高強(qiáng)自密實(shí)混凝土制備，試驗(yàn)研究了其摻量對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能和自生體積變形的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：超細(xì)石灰石粉的摻入不超過(guò) 10% 可以顯著改善自密實(shí)混凝土工作性，而對(duì)長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度幾乎沒(méi)有不利影響，同時(shí)其可以有效降低混凝土自生體積變形，抑制收縮開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

超細(xì)石灰石粉；工作性；收縮開(kāi)裂；水化熱；高強(qiáng)自密實(shí)混凝土

0　引言

在水泥基材料中將石灰石粉作為一種礦物填料的研究與應(yīng)用已有超過(guò)三十年的歷史。形式上包括：將石灰石粉摻入水泥配制所謂石灰石硅酸鹽水泥，摻量從6%～20%不等；在砂漿和混凝土中直接摻入一定量的石灰石粉取代水泥作為填料，摻量可超過(guò) 35%。在此基礎(chǔ)上，完成了眾多的研究成果、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用實(shí)例[1-2]。一般認(rèn)為，石灰石粉并不完全是惰性礦物摻合料，它在水泥基材料中的摻入不僅降低了造價(jià)成本，減小了水化熱，提高了資源利用率，而且促進(jìn)了C3S的水化，改善了水泥基材料的力學(xué)性能，尤其是提高了早期強(qiáng)度；同時(shí)，在適宜的摻量下等量取代水泥時(shí)，因其形態(tài)良好帶來(lái)的“滾珠”效應(yīng)和對(duì)水泥水化過(guò)程中形成的“絮凝結(jié)構(gòu)”的解絮作用，還顯著優(yōu)化了水泥基材料的工作性能，提高了流動(dòng)性，降低了經(jīng)時(shí)損失，這一改善作用隨著石灰石粉顆粒細(xì)度的提高而越來(lái)越顯著[3-4]。

正是由于這些性能，近年來(lái)，石灰石粉被越來(lái)越多地應(yīng)用于混凝土中，尤其是作為混凝土未來(lái)重要發(fā)展方向之一、具備優(yōu)異工作性能的自密實(shí)混凝土[5]。為進(jìn)一步探討石灰石粉在高強(qiáng)自密實(shí)混凝土中應(yīng)用的可行性，基于改善流變、降低拌合物粘度的考慮，選用了比表面積遠(yuǎn)大于水泥的超細(xì)石灰石粉，試驗(yàn)研究了使用其配制的 C60 高強(qiáng)自密實(shí)混凝土工作性能和力學(xué)性能，并從自收縮的角度研究了其對(duì)混凝土變形開(kāi)裂的影響。

1　原材料與試驗(yàn)實(shí)施方案

1.1原材料

水泥： P?O 52.5 水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量 26.2%，細(xì)度3.2%；粉煤灰：II 級(jí)干排粉煤灰，細(xì)度 14.5%，需水量比103%；石灰石粉市售，表觀密度 2780kg/m3，細(xì)度 1800 目，比表面積 1850m2/kg。外加劑： PCA 高性能減水劑，復(fù)合了減水、保坍、增稠及引氣、消泡等組分，適用于配制自密實(shí)混凝土，總體性能滿足現(xiàn)行國(guó)標(biāo) GB 8076－2008《混凝土外加劑》的要求；細(xì)集料：天然河砂，表觀密度為 2630kg/m3，細(xì)度模數(shù)為 2.7；粗集料：粒徑為 5～16 mm 的連續(xù)級(jí)配玄武巖碎石。

1.2試驗(yàn)實(shí)施方案

自密實(shí)混凝土攪拌過(guò)程中的加料順序參考 CECS 203－2006《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，即先投入細(xì)集料、水泥及摻合料攪拌 20s 后，再投入 2/3 的用水量和粗集料攪拌 30s 以上，然后加入剩余水量和外加劑攪拌 30s 以上。當(dāng)在冬季施工時(shí)，應(yīng)先投入集料和全部?jī)粲盟繑嚢?30s以上，然后再投入膠凝材料攪拌 30s 以上，最后加外加劑攪拌 45s 以上?；炷猎囼?yàn)配合比如表 1 所示，超細(xì)石灰石粉采用內(nèi)摻方式，分別等量替代膠凝材料 5%、10%、15% 和20%。

出料后，立即進(jìn)行自密實(shí)混凝土拌合物含氣量、擴(kuò)展度、T50 流動(dòng)時(shí)間、V 型漏斗流出時(shí)間以及 U 型儀填充高度試驗(yàn)，并成型150mm×150mm×150mm立方體抗壓強(qiáng)度試件和在端部預(yù)埋入銅頭的100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件。立方體試件采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，測(cè)試其 3d、7d 和 28d 強(qiáng)度。棱柱體試件自然養(yǎng)護(hù) 1d 后拆模，使用保鮮膜和鋁箔完全絕濕密封后，架設(shè)千分表在 20℃ 環(huán)境條件下測(cè)試其 28d 自生體積變形發(fā)展情況。

表1　混凝土試驗(yàn)配合比 kg/m3

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1超細(xì)石灰石粉對(duì)高強(qiáng)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

依據(jù)如表 1 所示 C60 自密實(shí)混凝土配合比，膠凝材料總量（包括超細(xì)石灰石粉）515kg/m3，水膠比 0.32，砂率46%，超細(xì)石灰石粉取代膠凝材料總量分別為 0、5%、10%、15% 和 20%?；谠撆浜媳鹊玫降淖悦軐?shí)混凝土工作性能試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示。在試驗(yàn)選取的摻量范圍內(nèi)，隨著超細(xì)石灰石粉摻量的增加，自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度增大，粘度降低，流動(dòng)速度增加，工作性能不斷改善；但摻量超過(guò) 15% 后，拌合物粘聚性開(kāi)始變差，體系離析傾向有所加劇，反映為 U 型儀和 V 型漏斗通過(guò)難度提高，U 型儀填充高度下降，V 型漏斗通過(guò)時(shí)間延長(zhǎng)，反而不利于自密實(shí)混凝土的和易性。

超細(xì)石灰石粉的摻入可以改善水泥顆粒粒徑分布，填充水泥顆粒間空隙，使得拌合時(shí)更多的自由水被釋放出來(lái)；同時(shí)石灰石粉顆粒因其良好的形貌效應(yīng)，在水泥顆粒間可以起到“滾珠”作用，優(yōu)化了拌合物的流變性能。超細(xì)石灰石粉的摻入還促進(jìn)了水泥顆粒對(duì)超塑化劑的吸附，并且可以降低體系中 C3A、C4AF 以及可溶性堿的相對(duì)含量，提高水泥和超塑化劑的相容性，改善拌合物的流變性能[6]。但當(dāng)其摻量過(guò)高時(shí)，往往會(huì)由于自由水過(guò)多釋放，帶來(lái)泌水、包裹性下降等問(wèn)題，因此，超細(xì)石灰石粉在水泥基材料中的摻加應(yīng)適量。

表2　超細(xì)石灰石粉摻量對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響

2.2超細(xì)石灰石粉對(duì)高強(qiáng)自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的影響

抗壓強(qiáng)度是衡量混凝土力學(xué)性能、確定其強(qiáng)度等級(jí)的最基本的指標(biāo)，關(guān)于不同超細(xì)石灰石粉摻量下自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表 3 所示。當(dāng)摻量不超過(guò) 10% 時(shí)，摻加了超細(xì)石灰石粉的 C60 自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度早期略有降低，但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，28d 值與基準(zhǔn)幾乎持平；而摻量超過(guò) 10% 后，不同齡期的超細(xì)石灰石粉自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度均有一定幅度的降低，且隨著摻量的增加這一幅度有所增大。

有研究表明，石灰石粉具有一定的活性，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：① 與水泥水化產(chǎn)生的 Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)生成堿式碳酸鈣；② 與水泥中的 C3A 和 C4AF 等鋁相反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣；③ 促進(jìn) C3S 水化[7]。此外，超細(xì)石灰石粉摻入混凝土后，由于其顆粒細(xì)小，可以填充水泥漿體孔隙，起到進(jìn)一步密實(shí)的作用，這對(duì)混凝土強(qiáng)度也有一定的貢獻(xiàn)。當(dāng)超細(xì)石灰石粉摻量較低時(shí)，其對(duì)混凝土強(qiáng)度影響較小，而摻量較高時(shí)，由于其水化活性遠(yuǎn)低于水泥等膠凝材料，內(nèi)摻情況下最終還是會(huì)對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

2.3超細(xì)石灰石粉對(duì)高強(qiáng)自密實(shí)混凝土自生體積變形的影響

高強(qiáng)自密實(shí)混凝土一般用于配筋密集的異形構(gòu)件或鋼管混凝土等結(jié)構(gòu)，由于其強(qiáng)度等級(jí)較高且外部約束較強(qiáng)，往往存在收縮開(kāi)裂情況較為嚴(yán)重的問(wèn)題。研究表明，高強(qiáng)混凝土自收縮占其早期收縮變形比例最大，是開(kāi)裂的主要誘因[8]。試驗(yàn)研究了不同摻量超細(xì)石灰石粉對(duì)高強(qiáng)自密實(shí)混凝土早期自收縮的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。在試驗(yàn)選取的摻量范圍內(nèi)，隨著超細(xì)石灰石粉摻量的增加，自密實(shí)混凝土不同齡期自生體積變形均有所降低，以 28d 值為例，5%、10%、15%和 20% 超細(xì)石灰石粉摻量下，自密實(shí)混凝土自收縮分別降低了 4%、9%、13% 和 17%。這可能與石灰石粉活性相對(duì)水泥、粉煤灰等膠凝材料較低有關(guān)，其等量取代膠凝材料后，養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，絕大多數(shù)顆粒并未水化，而是以惰性填料形式存在于水泥漿體中，體積不發(fā)生變化，因此宏觀上表現(xiàn)為自密實(shí)混凝土收縮降低。

圖1　超細(xì)石灰石粉摻量對(duì)自密實(shí)混凝土自生體積變形的影響

3　結(jié)論

（1）超細(xì)石灰石粉因其尺寸效應(yīng)、顆粒形貌效應(yīng)，以及促進(jìn)減水劑吸附效應(yīng)等，適量的摻入可以改善高強(qiáng)自密實(shí)混凝土和易性，降低其屈服應(yīng)力和塑性粘度。

（2）超細(xì)石灰石粉等量取代膠凝材料制備高強(qiáng)自密實(shí)混凝土?xí)r，較低的摻量下對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大，但摻量較高時(shí)，有不利作用。

（3）超細(xì)石灰石粉等量取代膠凝材料可以降低高強(qiáng)自密實(shí)混凝土早期自生體積變形，隨著摻量的增加，這一作用愈發(fā)明顯，因此，其對(duì)于抑制自密實(shí)混凝土早期收縮開(kāi)裂是有利的。

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［通訊地址］武漢市江夏區(qū)廟山開(kāi)發(fā)區(qū)陽(yáng)光大道湖北藍(lán)海混凝土有限公司（430200）

Preparation of high strength self-consolidating concrete with ultra-fine limestone powder

Nie Hu1, Wang Bin2, Xu Wen2
(1. Hubei Lanhai concrete Co., Ltd., Wuhan430200, China; 2. Jiangsu Subote new materials Co., Ltd., Nanjing 211103, China)

An experimental research was carried out to evaluate the effect of the addition of 1800 mesh ultra-fine limestone powder on the workability, mechanical property and autogenous shrinkage of C60 high strength self-consolidating concrete (SCC) in this paper. The results indicated that the addition of no more than 10% ultra-fine limestone powder can improve the workability of SCC observably and have no adverse effects on its compressive strength. Meanwhile, the ultra-fine limestone powder reduced the autogenous shrinkage effectively and restrained the shrinkage cracking risk of SCC.

ultra-fine limestone powder, workability, shrinkage cracking, hydration heat, high strength self-consolidating concrete

聶虎（1978—），男，工程師，從事混凝土生產(chǎn)質(zhì)量管理工作。