采用磨細石灰石粉生產(chǎn)混凝土的試驗研究

趙世冉，孟剛，劉超，邰煒，張凱峰，張磊

（ 中建西部建設北方有限公司；陜西 西安 710116）

采用磨細石灰石粉生產(chǎn)混凝土的試驗研究

趙世冉，孟剛，劉超，邰煒，張凱峰，張磊

（ 中建西部建設北方有限公司；陜西 西安 710116）

本文采用礦山開采后的廢棄物石灰石粉替代部分混凝土原材料進行混凝土生產(chǎn)的試驗研究，以考察磨細石粉應用于商品混凝土的可行性，并通過試驗確定石粉的最佳替代區(qū)間。研究表明：當采用磨細石粉替代混凝土用粉煤灰時，在混凝土中的單方替代量可達 20～60kg，且磨細石粉的比表面積越大，對混凝土早期強度的提升越明顯；當采用磨細石粉替代混凝土用礦粉時，可以改善混凝土的流動性，但對混凝土強度的影響較大；水泥-礦粉-石粉膠凝體系中的水化產(chǎn)物較水泥-粉煤灰-石粉膠凝體系中的水化產(chǎn)物多，對混凝土強度貢獻也較大。

石粉；摻合料；混凝土；流動性；抗壓強度

0 前言

近幾年，隨著混凝土應用技術的進步，粉煤灰、粒化高爐礦渣粉等礦物摻合料被大量應用于商品混凝土之中，也取得了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益[1,2]。然而，隨著公眾對環(huán)境保護的日益關注，國家對煤電行業(yè)、鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排壓力的進一步加大，導致傳統(tǒng)礦物摻合料資源供應日趨緊張[3]。因此，尋找新型混凝土礦物摻合料是提升混凝土技術水平，和推進混凝土產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵之所在[4,5]。本文采用磨細石粉分別替代粉煤灰和礦粉，從不同比表面積不同摻量石粉對混凝土綜合性能的影響入手，開展試驗研究，以期為今后石粉作為摻合料在混凝土中的大規(guī)模應用提供技術支持。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 水泥

本試驗采用聲威 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，主要物理性能指標見表 1。

表1 水泥物理性能指標

1.1.2 礦粉

采用陜西德龍 S95 級礦粉，性能指標見表 2。

表2 礦粉性能指標

1.1.3 粉煤灰

采用大唐盛龍 Ⅱ 級粉煤灰，細度 15.2%。

1.1.4 集料

細集料：采用渭河河砂，細度模數(shù) 2.6；粗集料采用5～31.5mm 連續(xù)級配渭河卵石。

1.1.5 外加劑

采用瑞士西卡高效聚羧酸減水劑，減水率 23%。

1.1.6 拌合水

采用地下水。

1.1.7 石粉

采用湖北某采石場石灰石磨細制得，比表面積分別為400m2/kg、500m2/kg 和 600m2/kg，本試驗分別以 A、B 和 C三個字母來作為此三種不同比表面積石粉的編號，石粉的化學成分見表 3。

表3 石粉化學成分 %

1.2 試驗方案

根據(jù)行業(yè)標準 JGJ/T 318-2014《石灰石粉在混凝土中應用技術規(guī)程》規(guī)定，石粉摻量不應超過膠凝材料總量 20%，本試驗采用三種不同比表面積的磨細石粉，分別以 20kg、40kg、60kg 的單方取代量取代 C35 混凝土中的粉煤灰和礦粉（石粉分別占膠材總量的 6%、12%、18%），通過對混凝土物理、力學性能的對比試驗，分析不同比表面積不同摻量石粉對混凝土性能的影響。

2 試驗結果

2.1 物理性能試驗結果

為評價石粉對混凝土流動性的影響，本文依據(jù)GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》對不同比表面積石粉替代粉煤灰和礦粉對混凝土擴展度的影響進行了測試，結果見表 4、表 5 及圖 1。

表4 石粉取代粉煤灰混凝土擴展度 mm

表5 石粉取代礦粉混凝土擴展度 mm

圖1 不同比表面積石粉取代粉煤灰和礦粉對混凝土擴展度的影響

由上述試驗結果可知，石粉替代粉煤灰后對混凝土擴展度的影響較小，而石粉替代礦粉后對混凝土擴展度的影響則呈現(xiàn)出隨著石粉替代量增加，混凝土擴展度先增加后降低的趨勢。這表明在適當?shù)膿搅糠秶鷥?nèi)，石粉在水泥顆粒之間的“滾珠”作用效果明顯，增加了混凝土拌合物的流動性，有利于調(diào)節(jié)商品混凝土的泵送性能。從石粉比表面積對混凝土流動性的影響來看，隨著石粉比表面積的增大，混凝土擴展度呈降低的趨勢。這主要是因為，混凝土中拌和水的作用除了滿足水泥水化以提供強度外，還要在骨料與粉體的顆粒表面形成一層水膜，使顆粒之間容易產(chǎn)生相對滑動[6,7]。在混凝土拌合的過程中，石粉比表面積越大，包裹其表面需要的水就越多，此時石粉的表面吸附水作用大于其“滾珠”效應而成為影響混凝土性能的主導因素，宏觀上則表現(xiàn)為混凝土拌合物的擴展度降低。

2.2 力學性能試驗結果

石粉取代粉煤灰和礦粉對混凝土力學性能的影響見表6、表 7 和圖 2 所示。

表6 石粉取代粉煤灰混凝土抗壓強度 MPa

表7 石粉取代礦粉混凝土抗壓強度 MPa

由圖 2(a) 可知，采用不同比表面積石粉分別替代20～60kg 粉煤灰，28d 后混凝土的強度均大于 43MPa，滿足C35 混凝土強度要求。對比早期強度可知，當采用比表面積為 600m2/kg 的 C 號石粉，單方取代粉煤灰量低于 40kg 時，混凝土的 3d 抗壓強度接近甚至高于基準混凝土。這是因為相對于 A 號、B 號石粉，C 號石粉的比表面積較大，微集料填充效應較好；另外，隨著石粉比表面積的增加，其微集料效應和微晶核效應對混凝土的增強作用也越明顯。從水泥水化的角度分析，一方面，石粉等量取代粉煤灰后，在膠凝體系中起到了分散水泥的作用，從一定程度上促進了水泥的水化；另一方面，石粉的物理填充作用改善了混凝土的孔結構，從而增大了水分從內(nèi)向外遷移的難度，延緩了水分的散失，從而保證了水泥水化所需的水分，提高了水泥的水化程度。隨著膠凝體系水化的進一步發(fā)展，摻石粉混凝土的 7d、28d 抗壓強度均低于基準混凝土，這是因為與粉煤灰相比，石粉的活性較低，隨著齡期及替代粉煤灰量的增加，粉煤灰二次水化反應對強度的補充作用降低，從而降低了混凝土強度。

由圖 2(b) 可知，與基準混凝土抗壓強度相比，石粉替代礦粉后，混凝土各齡期的強度均隨著石粉摻量的增加而降低，且摻量越大降低越明顯，這是因為活性較高的礦粉對混凝土各齡期的活性均有貢獻，隨著低活性石粉替代礦粉量的增加，膠凝材料活性組分降低，混凝土強度降低。有研究指出，石粉對混凝土后期強度（180d）的影響逐漸減少[8-10]，因此在應用石粉作摻合料生產(chǎn)混凝土時，應考慮取代粉煤灰，且在保證結構安全的同時，充分考慮養(yǎng)護齡期對強度的影響。

圖2 不同比表面積石粉取代粉煤灰和礦粉對混凝土抗壓強度的影響

2.3 掃描電鏡分析試驗

混凝土的強度與微結構的密實程度有密切的聯(lián)系[11-13]，為了解石粉對混凝土中膠凝材料水化產(chǎn)物的影響，試驗制備了水泥膠砂試塊、水泥-粉煤灰-石粉膠砂試塊以及水泥-礦粉-石粉膠砂試塊，在溫度 (20±2)℃、濕度 95% 以上的標準養(yǎng)護室養(yǎng)護 28d 后，經(jīng)切、磨、洗、烘、滲膠、拋光、噴金等過程制成微小立方體試樣，進行掃描電子顯微鏡（SEM）檢測，見圖 3(a)、(b)、(c)。

從圖 3(a) 水泥膠砂的 SEM 圖可以看到少量分散分布的立方片狀氫氧化鈣晶體和 C3S、C2S、C3A 和 C4AF 的水化產(chǎn)物，內(nèi)部結構相對密實。圖 3(fb) 是石粉取代 60% 粉煤灰后膠砂的 SEM 圖，圖中除了水泥水化產(chǎn)物之外，還可以看到球形的粉煤灰和六方片狀的碳鋁酸鈣晶體以及片狀緊密堆積近似立方體的碳酸鈣晶體。在水泥-粉煤灰-石粉體系中，既有水泥的水化反應，也有粉煤灰的火山灰效應（活性 SiO2和 Al2O3等成分與水泥產(chǎn)物在有水的情況下發(fā)生化學反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣），還有石粉的活性效應（石粉與水泥中的鋁相反應生成具有一定凝膠能力的碳鋁酸鹽復合物），因石粉的活性低于水泥和粉煤灰，故石粉參與水化的產(chǎn)物碳鋁酸鈣晶體較少，從活性產(chǎn)物的角度對混凝土強度的貢獻也較少，宏觀上表現(xiàn)為，石粉替代粉煤灰后混凝土后期強度略低。圖 3(c) 是石粉取代 60% 礦粉后膠砂的 SEM 圖，圖中可以看出，水化產(chǎn)物和圖 3(b) 中的基本相同，這主要是因為在水泥-礦粉-石粉體系中，同樣也是有水泥水化反應和石粉的活性效應以及礦粉的火山灰效應，不同的是圖 3(c)有大量的氫氧化鈣晶體和碳酸鈣晶體以及八面體的水化鐵鋁酸鈣晶體集中分布，從活性的角度分析，礦粉的活性高于粉煤灰，所以相同齡期下的水化產(chǎn)物也較豐富，宏觀上經(jīng)相同比表面積的石粉替代后，水泥-礦粉-石粉膠凝體系制備的混凝土早期強度比水泥-粉煤灰-石粉膠凝體系制備混凝土的強度高。

圖3 掃描電子顯微鏡圖譜

3 結論

（1）將磨細石粉作為一種新型摻合料生產(chǎn)綠色混凝土具有良好的應用前景，特別是采用磨細石粉替代粉煤灰時，在混凝土中的單方替代量可達 20～60kg，且石粉的比表面積越大，對混凝土早期強度的提升越明顯。

（2）采用磨細石粉替代適量的礦粉可以改善混凝土的流動性，但對混凝土強度的影響較大，石粉單方替代礦粉量不宜超過 40kg。

（3）石粉可以在混凝土中參與水化反應但活性較低，水泥-礦粉-石粉膠凝體系中的水化產(chǎn)物較水泥-粉煤灰-石粉膠凝體系中的水化產(chǎn)物多，對混凝土強度貢獻也較大。

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［通訊地址］陜西省西安市長安區(qū)王寺鎮(zhèn)西街中建西部建設北方有限公司研發(fā)中心（710116）

趙世冉（1987-），男。碩士，從事高性能混凝土與綠色建材研究。