石粉替代粉煤灰和礦粉對(duì)混凝土膠材體系流動(dòng)性影響研究

趙世冉，劉長義/kg，張林/kg，楊勇/kg，賈林，張凱峰，伍勇華

（1. 中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安 710116；2. 冀東海德堡（涇陽）水泥有限公司，陜西 涇陽713701；3. 西安寧眾實(shí)業(yè)有限公司，陜西 西安 710018；4. 西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055）

石粉替代粉煤灰和礦粉對(duì)混凝土膠材體系流動(dòng)性影響研究

趙世冉1，劉長義2/kg，張林2/kg，楊勇2/kg，賈林3，張凱峰1，伍勇華4

（1. 中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安 710116；2. 冀東海德堡（涇陽）水泥有限公司，陜西 涇陽713701；3. 西安寧眾實(shí)業(yè)有限公司，陜西 西安 710018；4. 西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055）

本文通過試驗(yàn)研究高氧化鈣石粉（CaO 含量≥50%）替代粉煤灰和礦粉對(duì) C20～C50 混凝土膠凝材料體系流動(dòng)性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，石粉可以提高混凝土膠凝材料體系的流動(dòng)性，且石粉替代粉煤灰對(duì)漿體流動(dòng)性的改善作用更明顯。生產(chǎn)中，可采用控制石粉總量的方式來達(dá)到改善混凝土性能，控制混凝土漿體流動(dòng)性的目的，石粉占混凝土膠凝材料總量的最大百分比應(yīng)控制在 23% 左右。

石粉；水泥凈漿；混凝土；膠材體系；流動(dòng)度

0 前言

近些年，礦物摻合料粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、硅灰等粉體材料在混凝土中的普遍使用，取得了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。然而，隨著煤電、鋼鐵等行業(yè)節(jié)能減排和去產(chǎn)能壓力的進(jìn)一步加大，優(yōu)質(zhì)礦渣、粉煤灰資源逐漸緊缺，混凝土行業(yè)出現(xiàn)產(chǎn)量低、生產(chǎn)成本高、經(jīng)濟(jì)效益差等問題。與此同時(shí)，市場上部分粉煤灰廠家摻加劣質(zhì)石粉之類的雜質(zhì)以假代真、以次充好，嚴(yán)重影響著混凝土的質(zhì)量。針對(duì)這些情況，尋找一種新的混凝土礦物摻合料來緩解粉煤灰等混凝土摻合料短缺的問題勢在必行。

石粉是由高品質(zhì)石灰石磨細(xì)加工制成的。研究表明，石粉中粒徑小于 0.045mm 的硅質(zhì)、鈣質(zhì)顆粒，具有一定強(qiáng)度的水化產(chǎn)物，可以充填混凝土孔隙，使混凝土的孔隙細(xì)化，降低混凝土的孔隙率，改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的性能[3-5]。石灰石在我國分布廣泛，且具有易于粉磨、低反應(yīng)活性、低需水量比等特點(diǎn)，是替代粉煤灰、粒化高爐礦渣粉等摻合料的絕佳材料。

石粉作為混凝土摻合料的研究由來已久，但是混凝土生產(chǎn)中真正將石粉作為摻合料的卻很少，這主要是由于大多數(shù)石粉的 MB 值等指標(biāo)不穩(wěn)定，易造成混凝土膠材體系與外加劑適應(yīng)性不良，混凝土質(zhì)量波動(dòng)大[6-8]。本文采用高氧化鈣含量（≥50%）石粉，從石粉與混凝土外加劑適應(yīng)性的角度出發(fā)，研究不同比表面積石粉分別替代粉煤灰和粒化高爐礦渣粉對(duì)混凝土膠凝材料體系流動(dòng)性的影響規(guī)律，為石粉在混凝土中的生產(chǎn)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用銅川聲威 P·O42.5 水泥，主要物理性能指標(biāo)見表1；粉煤灰采用Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度 19.5%，燒失量6.1%；礦粉為立之林 S95 級(jí)礦粉，7d、28d 活性指數(shù)分別為 81% 和98%；石粉采用冀東水泥廠磨細(xì)石灰石粉，比表面積分別為400m2/kg 和 600m2/kg；外加劑采用高性能聚羧酸減水劑。

表1 水泥物理性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)首先依據(jù) GB/T 8077—2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》，進(jìn)行了水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)，以檢驗(yàn)外加劑摻量一致（膠凝材料總量的 1.8%）時(shí)，石粉摻入對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的影響，石粉摻量分別為水泥質(zhì)量的 0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%。

在石粉對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度影響的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)選取C20、C30、C40、C50 混凝土生產(chǎn)配合比進(jìn)行石粉分別替代粉煤灰和礦粉后混凝土膠材體系流動(dòng)度的影響試驗(yàn)，其中，石粉替代粉煤灰量分別為 0%、20%、40%、60%、80%、100%，石粉替代礦粉量為 100%，外加劑摻量為膠凝材料總量的 1.8%。

1.3 混凝土膠材配比（表2）

表2 混凝土膠材體系配比 m3/kg

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 石粉對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的影響

試驗(yàn)分別將比表面積為 400m2/kg 和 600m2/kg 石粉按不同比例摻入水泥中進(jìn)行凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖1a、圖1b 所示。

由圖1 可知，隨著石粉摻量的增加，凈漿初始流動(dòng)度呈逐漸遞增的趨勢。經(jīng) 1h 靜置后，在外加劑緩釋保坍組分的作用下，未摻石粉的凈漿流動(dòng)度大于初始流動(dòng)度，相比較而言，除比表面積 600m2/kg 石粉 10% 摻量外，摻石粉的凈漿流動(dòng)度，1h 后漿體流動(dòng)度均低于初始流動(dòng)度，且隨石粉摻量的增加，降低幅度增大。由圖1b 可知，當(dāng)比表面積 600m2/kg 石粉摻量低于 20% 時(shí)，凈漿 1h 前后流動(dòng)度變化接近純水泥凈漿，而當(dāng)石粉摻量大于 20% 時(shí)，1h 后凈漿流動(dòng)度低于初始流動(dòng)度，且隨著石粉摻量的增加，流動(dòng)度趨于穩(wěn)定值 230mm。圖1a 也表現(xiàn)出隨石粉摻量的增加，流動(dòng)度趨于穩(wěn)定的規(guī)律。這可能是因?yàn)槭蹖?duì)外加劑的吸附作用，限制了外加劑中緩釋保坍組分作用的發(fā)揮，并且石粉摻量越大，限制作用越明顯。

2.2 石粉替代粉煤灰和礦粉對(duì)混凝土膠材體系漿體流動(dòng)性的影響

根據(jù)石粉對(duì)水泥漿體流動(dòng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)選取比表面積 600m2/kg 石粉進(jìn)行 C20～C50 混凝土同配比膠材體系流動(dòng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖2a、圖2b、圖2c和圖2d 所示。

圖1 不同比表面積石粉摻量對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度影響

b C30 混凝土同配比膠材體系

圖2 比表面積 600m2/kg 石粉對(duì)混凝土膠材體系流動(dòng)性的影響

由圖2a 可知，當(dāng)采用比表面積 600m2/kg 石粉替代粉煤灰，石粉摻量小于 60% 時(shí)，C20 混凝土膠材體系的初始流動(dòng)度呈遞增趨勢，大于 60% 時(shí)，流動(dòng)度略有降低，并趨于穩(wěn)定值 320mm，此時(shí)石粉占膠材總量的百分比為 23%。從漿體流動(dòng)度表現(xiàn)來看，石粉替代粉煤灰量大于 60% 時(shí)，漿體開始出現(xiàn)輕微泌水現(xiàn)象，這是因?yàn)槭鄣募尤腴g接增加了漿體中的自由水，即在重力下起擴(kuò)散作用的膠凝材料質(zhì)量減少，使?jié){體出現(xiàn)泌水扒底，流動(dòng)度值達(dá)到極限不再增加。另外，1h 后的漿體流動(dòng)度變化也表明，比表面積 600m2/kg 石粉替代粉煤灰摻量低于 60% 時(shí)，漿體流動(dòng)度大于初始流動(dòng)度，摻量大于60% 時(shí)，漿體流動(dòng)度降低并趨于穩(wěn)定值，這可能是因?yàn)槭蹖?duì)外加劑緩釋成分的吸附作用及其他效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。從替代礦粉后漿體流動(dòng)度變化情況來看，石粉 100% 替代，C20 混凝土膠材體系的初始流動(dòng)度低于基準(zhǔn)值，但 1h 后流動(dòng)度增大。

由 C30 混凝土同配比膠材體系漿體流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果（圖2b）可知，比表面積 600m2/kg 石粉替代粉煤灰后，漿體流動(dòng)度呈增長趨勢。相比于初始流動(dòng)度，當(dāng)石粉摻量低于 80%時(shí)，1h 后漿體流動(dòng)度無損失，此時(shí)石粉占膠材總量的百分比為 20%。石粉替代礦粉的試驗(yàn)結(jié)果也呈現(xiàn)出初始流動(dòng)度增大，1h 后流動(dòng)度變化不大的趨勢。表明比表面積 600m2/kg 石粉在 C30 膠材體系中替代粉煤灰和礦粉都可以起到增加漿體流動(dòng)性的作用。

由圖2c 可知，比表面積 600m2/kg 石粉，在 100% 替代C40 混凝土同配比膠材體系中的礦粉后，與替代 60% 粉煤灰（100% 替代礦粉替代量為 60g，60% 替代粉煤灰替代量為 60g，是等量替代）相比，初始流動(dòng)度和 1h 后流動(dòng)度均較低，表明 C40 混凝土同配比膠材體系中石粉替代粉煤灰比替代礦粉對(duì)流動(dòng)性增強(qiáng)作用更為明顯。石粉替代粉煤灰對(duì)漿體初始流動(dòng)度和 1h 后流動(dòng)度的影響表明，可采用石粉 100% 替代 C40 混凝土膠材體系中的粉煤灰以改善漿體流動(dòng)度，此時(shí)石粉占膠材總量的百分比為 17%。

由圖2d 可知，石粉替代 C50 混凝土膠材中的粉煤灰和礦粉對(duì)漿體流動(dòng)性的影響規(guī)律與 C40 混凝土膠材體系類似，漿體初始流動(dòng)度均隨著石粉替代量的增加而增加。不同的是，石粉的加入明顯增大了漿體 1h 后的流動(dòng)度，且流動(dòng)度增大幅度隨石粉替代量的增加而降低，在 100% 替代量時(shí)，1h 前后漿體流動(dòng)度變化不大。在石粉 100% 替代礦粉后，與基準(zhǔn)相比，漿體初始流動(dòng)度增加 32mm，1h 后流動(dòng)度增加 10mm，與替代 80% 粉煤灰相比，初始流動(dòng)度和 1h 后流動(dòng)度均較低，表明石粉替代 C50 混凝土膠材中的粉煤灰比替代礦粉對(duì)流動(dòng)性增加更為明顯。

石粉在混凝土中的晶核效應(yīng)、化學(xué)活性效應(yīng)和減水效應(yīng)得到了業(yè)界研究人員的普遍認(rèn)同[9-11]。本試驗(yàn)的研究表明，經(jīng)磨細(xì)至一定細(xì)度的石粉表面光滑、顆粒圓潤，表面的摩擦阻力較小，能夠充分發(fā)揮本身的滾珠效應(yīng)，增加水泥凈漿的流動(dòng)性，起到減水的作用，可作為粉煤灰的替代品用于混凝土生產(chǎn)。其中，在 C20 混凝土中石粉替代粉煤灰量應(yīng)低于60%，且占膠凝材料總量應(yīng)低于 23%；在 C30 混凝土中石粉替代粉煤灰量應(yīng)低于 80%，且占膠凝材料總量應(yīng)低于 20%；在 C40 和 C50 混凝土中石粉可全替代粉煤灰，且石粉占膠凝材料總量應(yīng)分別低于 23% 和 17%。

3 結(jié)論

粉磨至一定細(xì)度的石粉可以提高水泥漿體的初始流動(dòng)度，且當(dāng)石粉比表面積大于 600m2/kg 時(shí)改善流動(dòng)度的效果更明顯。在相同的外加劑摻量下，石粉可增加水泥漿體的流動(dòng)度損失，但當(dāng)摻量達(dá)到一定值時(shí)，漿體的流動(dòng)度變化將趨于穩(wěn)定，不隨石粉摻量的變化而變化。

石粉替代混凝土膠材體系中的粉煤灰和礦粉可以提高漿體的流動(dòng)性，其中石粉替代粉煤灰比替代礦粉對(duì)漿體流動(dòng)性的改善作用更明顯。石粉應(yīng)用于混凝土中，可以改善混凝土膠材體系的流動(dòng)性，可采用控制石粉總量的方式來達(dá)到控制漿體流動(dòng)性的目的，綜合來看，石粉占混凝土膠凝材料總量的最大百分比應(yīng)控制在 23% 左右。

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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(shè)北方有限公司研發(fā)中心（710116）

Study on the influence of the fluidity of concrete cementitious material system when using limestone powder instead of fly ash and blast furnace slag powder

Zhao Shiran1,Liu Changyi2/kg, Zhang Lin2/kg, Yang Yong2/kg, Jia Lin3, Zhang Kaifeng1,Wu Yonghua4
(1.China West Construction North Group Co.,Ltd, Shaanxi, Xi'an,710116; 2. Jidong Heidelberg Jingyang Cement Co.,Ltd, Shaanxi,Jingyang, 713701; 3. Xi'an Ningzhong Industrial Co.,Ltd, Shaanxi, Xi'an, 710018; 4. Xi'an University of Architecture and Technology, Shaanxi, Xi'an, 710055)

Through the test research for C20 ～ C50 concrete cementitious material system liquidity is investigated when the powder is adopted to replace the fly ash and granulated blast furnace slag powder. The results show that the limestone powder can improve the liquidity of concrete of gelled material system, when using limestone powder instead of fly ash on the improvement of the slurry liquidity effect will be more obvious.In the actual production, in order to control the fluidity of concrete paste by a way to control the total amount of limestone powder is best method, control of lime stone powder accounted for the greatest percentage of cementitious material of the concrete aggregate at around 23%.

limestone powder; cement paste; concrete; cementitious material system; fluidity

趙世冉（1987—），男，工程師，從事高性能混凝土與綠色建材研究。