磨細石灰石粉高性能混凝土配合比設計研究

張懷偉

（中鐵六局集團交通工程分公司，北京 100036）

近年來，隨著國家環保政策愈發嚴格，各地火力發電廠多進行升級改造，粉煤灰產量急劇降低；鋼鐵企業在降低產能，用鋼鐵礦渣生產的礦渣粉產量也急劇下降。在高鐵工程快速發展背景下，混凝土用礦物摻和料需求量不降反升，供需矛盾越來越大，急需尋找新的混凝土礦物摻和料替代產品。

作為資源非常豐富、容易獲取且質優價廉的磨細石灰石粉的新型礦物摻和料可應用于混凝土，用于替代部分粉煤灰和礦粉，從而達到節約能源、減少環境污染的作用。但磨細石灰石粉的摻量一直困擾著混凝土界的工程技術人員，因此，研究和探討石灰石粉在混凝土中的應用有非常重要的意義。

1 原材料

1）水泥 P.O42.5，立窯、低C3A含量、燒失量小、低堿水泥，水泥物理性能如表1所示。

表1 水泥的物理及化學性能指標

2）磨細石灰石粉 其化學成分和物理性能如表2所示。

表2 磨細石灰石粉物理及化學性能指標

3）骨料 選用級配合理、吸水率低、粒形良好、質地均勻堅硬、線膨脹系數小的潔凈碎石，無堿骨料反應，深成火成巖。5～25mm連續級配的粗骨料，密度為2.75g/cm3，粒徑5～10∶10～25=4∶6；細骨料選用級配合理、質地均勻堅固、吸水率低、孔隙率小的潔凈天然中粗河砂，無堿骨料反應，密度為2.69g/cm3，細度模數為2.9、級配Ⅱ區的河砂。

4）減水劑 采用聚羧酸系高性能減水劑，配合比設計前，通過GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》中“水泥砂漿減水率”試驗、JC/T 1083—2008《水泥與減水劑相容性試驗方法》中的“凈漿流動度法”或GB 50119—2003《混凝土外加劑應用技術規范》“附錄A混凝土外加劑對水泥的適應性檢測方法”試驗，先由廠商技術人員配合進行減水劑與膠材、細骨料相容性試驗，以確保減水劑與其他材料的相容性能。

從磨細石灰石粉細度22%看，通過球磨磨細的石灰石粉顆粒大小與II級粉煤灰細度相當，其顆粒形態與天然石子相同，都是致密結構，不會吸附多余的水，反而有一定的物理減水作用，能一定程度提高混凝土流動性能。這與傳統觀念認為混凝土中摻加石粉會增加用水量、會吸附外加劑的觀點不一致，這在流動度比103%得到驗證。意大利的CZERNIN W認為：100g粗石灰石粉和20g水混合時，不產生強度；將石灰石粉磨細至與水泥細度相同時，同樣配合比的試樣表現出某些強度；將石灰石粉磨細至比表面積為2 000cm3/g時，擠壓成型的圓柱體能承受100N以上的荷載。從不同齡期的活性指數看，磨細石灰石粉隨著齡期的增加，其活性指數呈緩慢增長的規律。因此，不能簡單地將其當作純粹的“惰性”細摻料。它在混凝土中的作用不但是粉細狀態時產生“微粉效應”，還可作為活性摻和料，提高混凝土一定的后期強度。

2 試驗方法

2.1 配合比設計

固定膠凝材料用量為395kg/m3，固定拌合用水量為155kg/m3，磨細石灰石粉替代水泥，高性能聚羧酸減水劑摻量1.0%，混凝土配合比如表3所示。

表3 混凝土配合比設計

2.2 試件成型、養護與測試

1）為盡量減少原材料不均勻引起的誤差，按3m3混凝土量準備各種原材料的數量。

2）為盡量減少操作時溫度不均引起的誤差，混凝土成型室溫控制在（20±5）℃。

3）各組分原材料的投料順序和攪拌程序 投入砂、水泥和石灰石粉后混合干拌30s，加約80%的水和減水劑（水和減水劑先混合），攪拌90s，加入碎石、剩余的水和減水劑后再攪拌90s。

4）測試混凝土出機性能、1h坍落度損失、1h含氣量損失，基本滿足要求后，立即成型試件，包括抗壓強度、電通量。每個齡期試件各成型2組后在混凝土養護室帶模養護24h，拆模后放入標準養護室養護，溫度（20±2）℃，濕度95%RH以上。

5）按照不同摻量，依據TB 10413—2018《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》制作成型膠材耐蝕系數試件，養護至規定齡期。

6）混凝土試件抗壓強度、電通量、抗滲測試分別按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》、GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》的規定進行。

3 試驗結果對比分析

3.1 新拌混凝土工作性能

不同石灰石粉摻量對新拌混凝土工作性能的影響如表4和圖1，2所示。

表4 不同石灰石粉摻量對混凝土工作性能的影響

圖1 不同石灰石粉摻量對混凝土出機工作性能的影響

由試驗結果可看出，隨石灰石粉摻量的增加，在控制坍落度基本符合的條件下，出機性能逐漸增大，至摻量為20%時，擴展度基本無增長；隨石灰石粉摻量的增加，15%摻量的混凝土60min工作性能達到峰值，隨后呈下降趨勢。這主要是因為混凝土中石灰石粉的密實填充作用，當石灰石粉顆粒填充于水泥粒子之間的空隙時，置換出填充水，使粒子間的間隔水層加厚，同時，石灰石粉珠形顆粒的“滾珠效應”也可改善混凝土的流動性，在摻量達到一定值時，這種效應逐漸降低。

圖2 不同石灰石粉摻量對混凝土60min工作性能的影響

3.2 對混凝土強度影響的變化規律

不同石灰石粉摻量對混凝土抗壓強度的影響如表5所示。

表5 不同石灰石粉摻量對不同齡期混凝土強度影響的變化規律

結果表明，不同齡期混凝土的抗壓強度隨著摻量的增加而增加，同一齡期強度在10%摻量時到達峰值，且隨后均呈不同程度下降，28d強度降幅較大，56d和90d的降幅較小。摻量較小時，有利于提高早期強度，它能與水泥中的C3A反應生成水化碳鋁酸鈣（C3A-CaCO3-H2O）。

3.3 對抗硫酸鹽化學侵蝕性能影響的變化規律

混凝土抗硫酸鹽化學侵蝕性能主要用膠材耐蝕系數表示，要求不得小于0.8。不同石灰石粉摻量對膠材耐蝕系數的影響如表6所示。

試驗表明，同一摻量的膠材耐蝕系數隨齡期的增長而提高；同一齡期的膠材耐蝕系數隨摻量的增加而提高，至15%時達到峰值，隨后膠材耐蝕系數隨摻量的增加呈下降趨勢。

表6 不同摻量石灰石粉對膠材耐蝕系數影響的變化規律

3.4 對混凝土密實性能影響的變化規律

混凝土密實性能主要用混凝土電通量表示，不同石灰石粉摻量對不同齡期混凝土電通量的影響如表7所示。

表7 不同石灰石粉摻量對混凝土電通量影響的變化規律

結果表明，同一齡期的混凝土電通量隨石灰石粉摻量的增加而降低，180d齡期的電通量最小；不同齡期的混凝土電通量隨石灰石粉摻量的增加而降低，15%摻量時有明顯轉折，15%～25%摻量的電通量變化趨于平緩；說明隨著摻量的增加，其填充效應和微活性效應逐漸降低。

3.5 對混凝土抗滲性能影響的變化規律

混凝土抗滲性能主要用抗滲等級表示，要求不得小于P12，為便于統計分析，用最大水壓力值表示。不同摻量石灰石粉混凝土承受的最大水壓力如表8所示。

試驗表明，同一摻量混凝土承受的最大水壓力隨齡期增長而提高；同一齡期混凝土承受的最大水壓力隨摻量的提高而增長，至15%時達到峰值，隨后混凝土承受的最大水壓力隨摻量提高呈下降趨勢；摻量至20%時，隨著齡期增長至56d時，混凝土承受的最大水壓力已不再提高；摻量至25%時，混凝土承受的最大水壓力已下降至最低。

4 結語

1）混凝土出機工作性能隨摻量的增加而提高，60min工作性能在15%摻量時達到峰值，隨后呈下降趨勢。

表8 不同石灰石粉摻量對混凝土承受最大水壓力影響變化規律

2）不同齡期混凝土抗壓強度隨摻量的增加而增加，同一齡期強度在10%摻量時達到峰值，且隨后均呈不同程度下降，28d強度降幅較大，56d和90d的降幅較小。說明其摻量過大，其填充效應愈發下降，且不利于強度增長。

3）不同齡期的膠材耐蝕系數隨著摻量的增加而增加，5%摻量的增幅較小，5%～25%摻量的增幅較大；同一齡期強度在15%摻量時達到峰值，且隨后均呈不同程度的下降，28d的降幅較大。說明摻量過大，其微活性效應對抵抗硫酸鹽侵蝕的作用反而受到約束。

4）同一齡期混凝土電通量隨石灰石粉摻量的增加而降低，不同齡期的混凝土電通量隨石灰石粉摻量的增加而降低，15%摻量時有明顯轉折，說明隨著摻量的增加，其填充效應和微活性效應逐漸降低。

5）同一摻量混凝土承受的最大水壓力隨齡期的增長而提高；同一齡期混凝土承受的最大水壓力隨摻量的提高而增長，至15%時達到峰值，隨后隨摻量提高呈下降趨勢；摻量至20%時，隨著齡期增長至56d時，混凝土承受的最大水壓力已不再提高；摻量至25%時，混凝土承受的最大水壓力降至最低。

6）磨細石灰石粉是低活性的細摻料，主要作用是在粉細狀態時產生“微粉效應”，用于改善混凝土的工作性和降低溫升，可有效提高強度、抗滲性和抗硫酸鹽化學侵蝕性，并有長期作用效果。

7）可有效降低工程成本，提高經濟效益。因水泥價格遠高于石灰石粉，可合理替代部分水泥。

綜上所述，磨細石灰石粉的最佳摻量是15%，出機工作性能和60min工作性能均較好，強度、抗滲性能和抗硫酸鹽化學侵蝕性能有顯著改善，均表現出優勢性能。