預(yù)拌混凝土中石灰石粉替代粉煤灰的配合比試驗(yàn)研究

劉桂平

(江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院,江西 南昌 330024)

1 引言

隨著混凝土的多元化發(fā)展,對(duì)礦物摻合料的需求日益增長(zhǎng)。目前我國(guó)的粉煤灰、磨細(xì)礦粉等礦物摻合料供應(yīng)日益緊張,價(jià)格不斷上漲[1]。因此在利益的驅(qū)動(dòng)下,粉煤灰供應(yīng)商銷售的粉煤灰存在以次充好、以假亂真的行為。石灰石粉是一種容易得到且廉價(jià)的材料,骨料的加工過(guò)程中也會(huì)帶來(lái)大量石粉,如果不加以利用不僅要占用場(chǎng)地堆放而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。如果能將其稍作加工,作為摻合料使用替代日益緊缺的粉煤灰對(duì)于解決實(shí)際工程的原材料緊缺問(wèn)題,降低工程造價(jià)和環(huán)保等將具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)研究人員已經(jīng)開展了石灰石粉在混凝土中的應(yīng)用研究。陳劍雄等人的研究表明石灰石粉取代5%～10%水泥后,混凝土的早期強(qiáng)度顯著提高,后期強(qiáng)度也發(fā)展良好。摻量超過(guò)20%時(shí)對(duì)混凝土強(qiáng)度發(fā)展不利,尤其達(dá)到30%時(shí)強(qiáng)度顯著降低[3]。周金鐘等[4]認(rèn)為,石灰石粉可代替粉煤灰作摻合料使用,但代替礦粉時(shí),混凝土強(qiáng)度有不同程度的降低。大量的實(shí)驗(yàn)研究表明,石灰石粉部分取代水泥,混凝土拌和物坍落度增加且經(jīng)時(shí)損失減小[5]。當(dāng)不取代水泥時(shí),則隨摻量的增加,坍落度經(jīng)時(shí)損失增大。目前針對(duì)石灰石粉應(yīng)用于混凝土的研究,研究較多的是取代水泥的相關(guān)研究,而替代預(yù)拌混凝土中粉煤灰應(yīng)用研究并不多。

本文針對(duì)江西省贛南地區(qū)缺乏Ⅱ級(jí)粉煤灰的現(xiàn)實(shí)情況,探究石灰石粉應(yīng)用于預(yù)拌混凝土中的可行性,采用當(dāng)?shù)卦牧霞肮こ坛Ｓ门浜媳?開展石灰石粉替代粉煤灰的配合比應(yīng)用研究,為石灰石粉的推廣應(yīng)用以及混凝土企業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)、降本增效提供試驗(yàn)依據(jù)。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料

(1)水泥：江西贛州萬(wàn)年青水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。

(2)礦粉：新余中治環(huán)保資源開發(fā)有限公司S95級(jí)粒化高爐礦渣粉,密度2.86g/cm3,比表面積420m2/kg,28d活性指數(shù)97%,流動(dòng)度比100%。

(3)粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰,45μm篩余18.5%,需水量比100%。

(4)礦粉：比表面積440m2/kg,流動(dòng)度比100%,28d活性指數(shù)98%。

(5)骨料：粗骨料,小石5～16mm連續(xù)級(jí)配碎石,大石10～31.5mm連續(xù)級(jí)配碎石；細(xì)骨料,河砂細(xì)度模數(shù)2.6,中砂。

外加劑和水：外加劑為聚羧酸緩凝高性能減水劑,含固量10%,減水率25%；水為飲用自來(lái)水。

(6)石灰石粉：江西贛州萬(wàn)年青水泥有限公司生產(chǎn)的石灰石微粉,比表面積為650m2/kg,亞甲基藍(lán)值MB為0.50g/kg,28d活性指數(shù)67%,其顆粒粒度分布見(jiàn)圖1。以上可知,該石灰石粉為超細(xì)石灰石粉,10μm以下顆粒含量達(dá)50%左右,MB值低,對(duì)外加劑的吸附性較小。

圖1 石灰石粉的顆粒粒度分布

2.2 試驗(yàn)方法

(1)混凝土的擴(kuò)展度、1h坍落度經(jīng)時(shí)損失和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

本試驗(yàn)中,通過(guò)固定外加劑摻量,控制混凝土的初始坍落度在210±10mm來(lái)確定不同配合比混凝土的用水量,擴(kuò)展度、1h坍落度經(jīng)時(shí)損失參照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)；混凝土的強(qiáng)度參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

2.3 試驗(yàn)配合比

(1)C25配合比

表2-1 混凝土配合比參數(shù)(kg/m3)

(2)C30配合比

表2-2 混凝土配合比參數(shù)(kg/m3)

備注：“-”表示試驗(yàn)組的用水量以混凝土拌合物坍落度達(dá)到210±10mm來(lái)確定。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

(1)石灰石粉對(duì)混凝土拌合物需水量、性能及抗壓強(qiáng)度的影響

由下表3-1可知,不同強(qiáng)度等級(jí)摻石灰石粉的混凝土,相比于摻粉煤灰的基準(zhǔn)混凝土其單方用水量均有一定降低,單方用水量最大可減少5kg左右,石灰石粉混凝土的擴(kuò)展度幾乎都大于基準(zhǔn)混凝土,1h坍落度經(jīng)時(shí)損失均大于基準(zhǔn)混凝土,石灰石粉混凝土7d抗壓強(qiáng)度均略大于基準(zhǔn)混凝土,28d抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土略低,但基本上與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。

表3-1 混凝土拌合物用水量、性能及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 討論分析

本文試驗(yàn)結(jié)果可能的原因是由于石灰石粉對(duì)水和外加劑的吸附相對(duì)于粉煤灰要小很多,因此在固定外加劑摻量不變,達(dá)到相同初始坍落度時(shí),石灰石粉混凝土的用水量會(huì)有不同程度的降低,而對(duì)于1h坍落度經(jīng)時(shí)損失,摻石灰石粉的混凝土均有不同程度的增大,這可能是因?yàn)橐环矫嬗盟拷档土?另一方面石灰石粉促進(jìn)了水泥C3S的早期水化[6],進(jìn)一步消耗了自由水,生成了更多的水化產(chǎn)物,水化產(chǎn)物的空間網(wǎng)絡(luò)體搭接的更加牢固,同時(shí)一定程度上增加了對(duì)外加劑的吸附；另外,由于本試驗(yàn)所用石灰石粉屬于超細(xì)粉體,小于10μm的顆粒含量高達(dá)50%,這些細(xì)顆粒不僅能夠很好的填充水泥、礦粉顆粒之間的間隙,改善膠凝材料的顆粒級(jí)配,釋放膠凝材料顆粒之間的間隙水,大幅提高混凝土的密實(shí)度。而且其主要化學(xué)成分CaCO3也促進(jìn)了水泥中C3S的早期水化,同時(shí)CaCO3周圍形成的結(jié)晶新相,改善了CaCO3與硬化水泥漿體的界面結(jié)構(gòu),使界面更致密,因此石灰石粉混凝土的早期7d強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)混凝土；但是石灰石粉是一般認(rèn)為是惰性材料,其加入使得整個(gè)硬化漿體體系的膠凝材料減少,石灰石粉的加入也增大了實(shí)際有效的水灰比,一方面在早期加速水化速率,提高了水化程度,另一方面卻增加了毛細(xì)孔的含量[7],因此導(dǎo)致28d抗壓強(qiáng)度略有降低。

4 結(jié)論

(1)在保持混凝土坍落度相近的情況下,石灰石粉替代預(yù)拌混凝土中的粉煤灰,C25和C30石灰石粉混凝土的單方用水量可降低5kg左右,且混凝土的工作性能更好,但1h坍落度經(jīng)時(shí)損失均大于基準(zhǔn)混凝土。

(2)通過(guò)調(diào)整膠凝材料組成比例和砂率,石灰石粉混凝土的7d強(qiáng)度均略大于基準(zhǔn)混凝土,28d強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng),且均能達(dá)到不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

(3)石灰石粉是一種新型廉價(jià)的綠色礦物摻合料,能夠很好地解決贛南地區(qū)預(yù)拌混凝土用粉煤灰資源短缺和價(jià)格上漲的局面。

[1]趙海紅.石粉作礦物摻合料的研究[D].重慶：重慶大學(xué),2013．

[2]劉數(shù)華,閻培渝.石灰石粉在復(fù)合膠凝材料水化中的作用機(jī)理[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2008(10)：1401-1405．

[3]陳劍雄,李鴻芳,陳寒斌.石灰石粉超高強(qiáng)高性能混凝土性能研究[J].施工技術(shù),2005,34(4)：27．

[4]周金鐘,鄭廣軍,等.石灰石粉在普通混凝土中的應(yīng)用研究[J].建筑節(jié)能,2009,37(6)：31-34．

[5]陳劍雄,崔洪濤,陳寒斌,肖斐.摻入超細(xì)石灰石粉的混凝土性能研究[J].施工技術(shù),2004,33(4)：39．

[6]郭育霞,貢金鑫,李晶.石粉摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能及耐久性的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào),2009,12(3)：266-271．

[7]V.Bonavetti,H.Donza,G.Mene′ndez,O.Cabrera,E.F.Irassar.Limestone filler cement in low w/c concrete∶Arational use of energy[J].Cement and Concrete Res,2003,33∶865-871．