復摻石灰石粉高強機制砂混凝土性能研究

張冠軍

在石灰石、機制砂生產過程中，會產生大量的石灰石粉，而這些石灰石粉大多被廢棄處理，造成資源浪費和環境污染。若將這些廢棄的石灰石粉摻入高強機制砂混凝土中，則不僅可以改善高強混凝土的性能，還可以減少對環境的污染，使資源得到更加充分的利用。但美中不足的是，石灰石粉會對高強混凝土耐久性帶來不良影響。本文通過研究復摻石灰石粉對高強機制砂混凝土性能的影響，為復摻混凝土的生產提供技術依據。

1 原材料來源及性能分析

1.1 水泥、粉煤灰、礦渣粉

水泥選用P·O42.5R普通硅酸鹽水泥（表1）；粉煤灰選用電廠I級粉煤灰，比表面積350m2/kg；礦渣粉選用S95級礦渣粉。

表1 P·O42.5R普通硅酸鹽水泥的物理性能

1.2 細集料、粗集料

細集料機制砂為水洗砂，其篩余和其他性能指標分析分別見表2 和表3。粗集料采用5~25mm 連續級碎石。

表2 機制砂篩余分析

表3 機制砂的其他性能指標分析

1.3 外加劑

采用高效聚羧酸減水劑。

1.4 拌合水

采用自來水拌合。

1.5 石灰石粉

石灰石粉選用本地機制砂廠生產時分選出的石灰石粉。

比表面積為350m2/kg 的石灰石粉的顆粒形貌如圖1、圖2 所示，其顆粒粒徑不均勻，平均粒徑低于水泥顆粒，形貌與水泥顆粒接近，為不規則礫石狀，棱角圓滑，且具有明顯的團聚性。

圖1 比表面積為350m2/kg的石灰石粉顆粒形貌（×1 000倍）

圖2 比表面積為350m2/kg的石灰石粉顆粒形貌（×4 000倍）

石灰石粉顆粒的粒徑分布如圖3所示，石灰石粉的D50粒徑為2.89μm，<3μm的石灰石粉顆粒含量占 51.36%，3~32μm 的石灰石粉顆粒含量占48.64%。

圖3 石灰石粉顆粒的粒徑分布

2 石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土性能的影響及最佳配合比的確定

復摻石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉配制C60 機制砂高強混凝土試樣的配合比見表4，復摻石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉配制C60 機制砂高強混凝土試樣性能測試結果見表5。

2.1 石灰石粉-粉煤灰復摻對C60 機制砂高強混凝土和易性及抗壓強度的影響

從表4、表5可以看出，用石灰石粉與粉煤灰復摻作礦物摻合料（17%左右）取代膠凝材料配制C60機制砂高強混凝土時，混凝土的整體和易性較好，表現為流動性好、坍落度無損失、粘度較好；同樣，在膠凝材料不變時，石灰石粉摻量越高，混凝土和易性越好；在石灰石粉摻量不變時，隨著膠凝材料總量的增加，混凝土的和易性變好。

表5 復摻石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉配制C60機制砂高強混凝土試樣性能測試結果

圖4為石灰石粉-粉煤灰復摻對C60機制砂高強混凝土抗壓強度的影響。從表4 和圖4 可以看出，用石灰石粉與粉煤灰復摻配制C60機制砂高強混凝土時，在膠凝材料用量不變時，石灰石粉摻量越高，混凝土抗壓強度越大；在石灰石粉摻量不變時，隨著膠凝材料用量的增加，混凝土早期抗壓強度逐漸增加，但后期抗壓強度變化不大，且60d 抗壓強度仍有所增長。

圖4 石灰石粉-粉煤灰復摻對C60機制砂高強混凝土抗壓強度的影響

表4 復摻石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉配制C60機制砂高強混凝土試樣配合比，kg/m3

綜合比較不同試樣石灰石粉-粉煤灰復摻對C60 機制砂高強混凝土和易性、抗壓強度的影響，最后選取A2 試樣的配合比為最佳石灰石粉-粉煤灰復摻混凝土配合比。

2.2 石灰石粉-礦渣粉復摻對C60 機制砂高強混凝土和易性和抗壓強度影響

從表4、表5 可以看出，用石灰石粉-礦渣粉作為礦物摻合料（20%左右）取代膠凝材料配制C60機制砂高強混凝土時，混凝土的整體和易性較好，表現為粘度好、流動快、狀態好、坍落度無損失。另外，在膠凝材料不變時，石灰石粉摻量越高，混凝土和易性越好；在石灰石粉摻量不變時，隨著膠凝材料總量的增加，混凝土的和易性變好。

石灰石粉-礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土抗壓強度的影響見圖5。從表4 和圖5 可以看出，石灰石粉-礦渣粉復摻配制C60 機制砂高強混凝土時，在膠凝材料用量不變時，石灰石粉摻量越高，混凝土抗壓強度越大，但變化不大；在石灰石粉摻量不變時，膠凝材料用量的增加對混凝土抗壓強度影響不大；在膠凝材料用量和石灰石粉摻量不變時，隨著養護齡期的增加，混凝土抗壓強度緩慢增加，且60d抗壓強度仍在增長。

圖5 石灰石粉-礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土抗壓強度的影響

綜合比較不同試樣石灰石粉-礦渣粉復摻對C60 機制砂高強混凝土和易性、抗壓強度的影響，最后選取B2 試樣的配合比為最佳石灰石粉-礦渣粉復摻混凝土配合比。

2.3 石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻最佳配合比的確定

表6、表7 分別為復摻石灰石粉-粉煤灰、石灰石粉-礦渣粉配制C60機制砂高強混凝土最佳配合比及試樣的性能測試結果。對照GB/T 14902-2016《預拌混凝土》和其他有關混凝土標準，可知最佳配合比的石灰石粉-粉煤灰、石灰石粉-礦渣粉復摻C60 機制砂高強混凝土的和易性和抗壓強度均能滿足規范和標準要求，滿足工程設計和施工要求。

表6 石灰石粉-粉煤灰、石灰石粉-礦渣粉復摻配制C60機制砂高強混凝土最佳配合比，kg/m3

表7 最佳配合比石灰石粉-粉煤灰、石灰石粉-礦渣粉復摻配制C60機制砂高強混凝土試樣的性能測試結果

3 石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土耐久性的影響

石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60 機制砂高強混凝土耐久性影響的試驗方案見表8。

表8 石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土耐久性影響的試驗方案，kg/m3

3.1 石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土抗滲性的影響

石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60 機制砂高強混凝土滲水高度的影響見圖6。從圖6可以看出，與未摻石灰石粉的C60 機制砂高強混凝土相比，當用石灰石粉與粉煤灰復摻制備C60機制砂高強混凝土時，混凝土的滲水高度增加，即抗滲性降低；而用石灰石粉與礦渣粉復摻制備C60機制砂高強混凝土時，混凝土的滲水高度降低，即抗滲性提高。實驗表明，在水壓力為1.2MPa時，各試樣表面均無滲水，即各混凝土試樣的抗滲等級均>P12，完全能夠滿足混凝土工程的一般抗滲要求。

圖6 石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土滲水高度的影響（水壓1.2MPa）

3.2 石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土抗凍性的影響

石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60 機制砂高強混凝土抗凍性的影響見表9。從表9 可以看出，與未摻石灰石粉的C60 機制砂高強混凝土相比，當用石灰石粉與粉煤灰復摻或石灰石粉與礦渣粉復摻制備C60機制砂高強混凝土時，混凝土抗凍性均可滿足F100抗凍等級要求。

表9 石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土抗凍性的影響

3.3 石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土收縮性的影響

石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60 機制砂高強混凝土收縮性的影響見表10。從表10可以看出，與未摻石灰石粉的C60 機制砂高強混凝土相比，當用石灰石粉與粉煤灰復摻或石灰石粉與礦渣粉復摻制備C60機制砂高強混凝土時，石灰石粉的加入，使混凝土的早期收縮率（前7d）稍有降低，后期收縮率（7d后）卻大大增加。

表10 石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土收縮性的影響

綜合分析石灰石粉對C60 機制砂高強混凝土收縮率的影響可知，當用石灰石粉與粉煤灰復摻、或石灰石粉與礦渣粉復摻制備C60 機制砂高強混凝土時，石灰石粉的加入對各復摻配合比的混凝土的收縮率影響規律不同。

3.4 石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土漿體自收縮性的影響

石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60 機制砂高強混凝土漿體的自收縮性的影響見圖7。從圖7可以看出，摻加粉煤灰比摻加礦渣粉的C60機制砂高強混凝土漿體的早期自收縮幅度小得多。若用60%石灰石粉等量替代部分粉煤灰，有助于降低混凝土漿體的自收縮幅度。若用60%石灰石粉等量替代部分礦渣粉，則有助于大幅降低混凝土漿體的自收縮幅度。因此認為，用部分石灰石粉替代粉煤灰或礦渣粉，是減少混凝土漿體早期自收縮幅度，降低混凝土開裂危害，改善清水混凝土表面質量的有效措施。

圖7 石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土漿體的自收縮性的影響

3.5 石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土抗碳化性的影響

石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60 機制砂高強混凝土碳化深度的影響見表11。從表11可以看出：

表11 石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土碳化深度的影響

（1）當混凝土中加入石灰石粉后，混凝土的碳化深度稍有增加，變化很小。

（2）摻粉煤灰的混凝土，各齡期的碳化深度大于相應摻礦渣粉的混凝土各齡期的碳化深度。

（3）在混凝土配合比不變的情況下，各試樣標準養護齡期越長，混凝土的碳化深度越??；室外灑水養護齡期越長，混凝土的碳化深度越小。

（4）在養護條件和混凝土配合比不變的情況下，隨著碳化齡期的增加，混凝土的碳化深度增大。

（5）在混凝土配合比和碳化前養護齡期相同的情況下，與標準養護相比，室外灑水養護的混凝土的碳化深度較小，即，抗碳化性能較好。

由C60 機制砂高強混凝土抗碳化性能的影響可知，利用石灰石粉與粉煤灰復摻或石灰石粉與礦渣粉復摻配制C60機制砂高強混凝土時，與養護條件相比，石灰石粉對混凝土抗碳化性能影響較小，養護條件是影響混凝土抗碳化性能的主要因素。

3.6 石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土水化產物的影響

圖8 和圖9 分別為石灰石粉與粉煤灰復摻、石灰石粉與礦渣粉復摻對C60 機制砂高強混凝土水化28d影響的SEM圖。

圖8 石灰石粉與粉煤灰復摻對C60機制砂高強混凝土水化28d影響的SEM圖

圖9 石灰石粉與礦渣粉復摻對C60機制砂高強混凝土水化28d影響的SEM圖

從圖8 和圖9 可以看出，石灰石粉與粉煤灰復摻、石灰石粉與礦渣粉復摻制備C60機制砂高強混凝土，混凝土漿體水化28d的水化產物晶粒均未出現粗大的纖維狀結構或管狀結構的水化硅酸鈣凝膠，晶粒尺寸普遍較小，六角板狀結構的氫氧化鈣晶體和水化鋁酸鈣凝膠明顯較少，并產生大量柱狀鈣礬石，C60機制砂高強混凝土硬化漿體結構較致密，空隙率更低，水化產物分布更均勻。

4 結語

（1）對于C60 機制砂高強混凝土，石灰石粉與粉煤灰復摻及石灰石粉與礦渣粉復摻，在石灰石粉摻量低于總膠凝材料的15%時，混凝土和易性和抗壓強度均能滿足AB/T 14902-2016《預拌混凝土》和其他有關混凝土標準要求及工程設計施工要求。

（2）石灰石粉與粉煤灰復摻或石灰石粉與礦渣粉復摻，均可使C60機制砂高強混凝土的抗滲等級>P12，抗凍性均能滿足F100抗凍等級要求。

（3）對于C60 機制砂高強混凝土，摻粉煤灰比摻礦渣粉的漿體的早期自收縮幅度小得多。用部分石灰石粉替代粉煤灰或礦渣粉，是減少混凝土早期自收縮幅度、降低混凝土開裂危害、改善清水混凝土表面質量的有效措施。

（4）石灰石粉-粉煤灰-礦渣粉復摻制備的C60機制砂高強混凝土抗碳化性能降低，但變化不明顯；摻粉煤灰的混凝土抗碳化性能大于摻礦渣粉的混凝土的抗碳化性能；養護條件是影響混凝土抗碳化性能的主要因素。