石灰石粉在C50 預制梁混凝土中應用研究

周綠丹

（保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

為節能環保，并積極推動碳減排的工作，我國正式提出2030 年前實現碳達峰，2060 年前碳中和的戰略目標。而基礎性設施建設在我國國民經濟發展中起到非常重要的作用，水泥的大量生產及應用不可避免導致碳排放量的增加，因此，用大摻量礦物摻合料取代水泥生產混凝土已成為混凝土行業發展的必然趨勢。目前常見礦物摻合料有粉煤灰和礦粉，但廣東省內由于火力發電廠較少，粉煤灰市場常出現供不應求，以次充好的現象，嚴重地影響工程實體的質量，因此尋找粉煤灰的替代品是市場發展的迫切需求[1]。

石灰石粉是石灰巖經破碎粉磨后的一種礦物質細粉料，細度可根據客戶需求從幾目到上千目不等，有研究表明石灰石粉不完全是一種惰性礦物材料，用石灰石粉取代少量水泥在低標混凝土中已得到成功應用[2]。現用石灰石粉取代粉煤灰，研究石灰石粉對C50 預制梁混凝土性能影響。

1 原材料

水泥采用江門海螺水泥廠生產的PⅡ42.5 水泥，礦粉是唐山曹妃甸盾石新建材有限公司生產的S95 礦粉，石灰石粉為廣東立偉達礦業有限公司325 目重質碳酸鈣。原材檢驗報告見表1 所列，砂為西江中砂，碎石為江門市新會大澤永鑫石業有限公司生產的5～25 mm 連續繼配碎石，減水劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的PCA-Ⅰ聚羧酸高性能減水劑。

表1 石灰石粉原材檢驗報告一覽表

2 石灰石粉摻量對C50 預制梁混凝土性能的影響

在配合比設計過程中，保持水灰比和膠材總量不變，按照C50 強度等級進行設計，通過調整石灰石粉摻量，研究不同石灰石粉摻量對C50 混凝土物理性能的影響（見表2）。由表2 可以看出，隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的初始坍落度逐漸增加，原因是磨細石灰石粉具有與粉煤灰類似的形貌效應，能在混凝土中發揮物理緊密填充以及減水作用，改善混凝土粘性[3]，進而降低混凝土流動阻力。隨著石灰石粉摻量增加，28 d 齡期混凝土抗壓強度先增加后減小，當石灰石粉摻量為16%時，該三元膠凝材料體系混凝土抗壓強度達到最大，原因是石灰石粉活性指數較低，在總摻合料用量一定情況下，必然引起最終混凝土抗壓強度有所降低。但是石灰石粉的填充效應可有效改善混凝土微觀孔結構，對混凝土強度有一定的貢獻作用[4]。因此，石灰石粉合理摻量宜控制在16%左右。

表2 C50 混凝土配合比設計及性能檢測一覽表

3 石灰石粉對C50 預制梁混凝土力學性能的影響

綜合考慮混凝土性能和單方成本，選用表2 中2# 混凝土配合比在試驗室內進行混凝土試拌并成型試件，靜置1 d 后脫模，然后搬到混凝土養護室進行標準養護。待養護齡期為2 d，7 d 和28 d 時，分別檢測混凝土試件抗壓強度及靜壓彈性模量（見表3），進而研究石灰石粉對C50 預制梁混凝土力學性能的影響，測試方法參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》JTG 3420-2020 要求執行。

表3 不同齡期C50 預制梁混凝土的力學性能一覽表

從表3 可以看出，隨著養護齡期的延長，該C50預制梁混凝土抗壓強度和靜壓彈性模量均逐漸增大。該C50 混凝土2 d 抗壓強度為51.4 MPa，達到設計強度的103%，2 d 靜彈性模量為3.24×104N/mm2，達到28 d 混凝土彈性模量的84%，同時滿足混凝土強度不低于設計值80%，彈性模量應不低于混凝土28 d 實測值80%的張拉條件要求，原因在于石灰石粉對水泥早期水化有促進作用，大量的碳酸鈣和C3A 反應生產化學性質比較穩定的單硫型鈣礬石，從而促進水泥基材料早期強度的提高[5]。故自加水拌合開始算起，養護2 d 后即可進行預制梁板的張拉，大大縮短產梁周期。

4 水化熱試驗

水化熱試驗采用TamAir 微量水化熱儀在72 h內持續地檢測凈漿樣品在水化過程中的放熱量及放熱速率（見圖1 和圖2）。兩組試樣水膠比均為0.33，環境溫度為25℃，一組膠材為純水泥基準樣，一組膠材為2#配合比中所列組份及比例的對比樣。從圖1可以看出，石灰石粉取代水泥后，一方面降低了膠凝材料體系的水化放熱總量，混凝土內部溫升降低，有利于結構物溫縮裂縫的控制；另一方面對比樣早期水化放熱速率增大，說明水化放熱量比基準樣大，相應的水化反應快，從側面證實了石灰石粉能促進水泥早期水化。隨著水化不斷進行，早期強度不斷增加，從而驗證了用石灰石粉取代粉煤灰生產C50 預制梁，早期強度發展得快，可縮短張拉時間的合理性。

圖1 石灰石粉對水化放熱速率的影響曲線圖

圖2 石灰石粉對水化放熱量的影響曲線圖

5 石灰石粉對C50 預制梁混凝土耐久性的影響

由于混凝土耐久性能直接影響到整個橋梁的使用壽命，因此，在混凝土配合比設計過程中，不僅要綜合考慮混凝土的工作性能和力學性能，更要注重混凝土的耐久性能，故該試驗通過抗氯離子擴散系數和電通量兩個參數評價混凝土的耐久性能，研究石灰石粉對C50 預制梁混凝土耐久性的影響。實驗采用RCM 法測定混凝土中氯離子擴散系數，在試驗室內直接用φ100 mm×50 mm 試模成型制作試件，靜置1 d 后拆模并移入標準養護室中養護，試驗前將試件飽水24 h，試驗結果見表4 所列。從表4 可以看出，該混凝土28 d 氯離子擴散系數為5.1×10-12m2/s，84 d 氯離子擴散系數為2.8×10-12m2/s，滿足在Ⅲ類海洋環境中抗氯離子擴散系數的技術要求，原因在于石灰石粉中微細硅質、鋁質顆粒具有一定反應活性，能與水泥水化產物發生二次水化反應生產水化硅酸鈣凝膠，阻斷混凝土內部孔隙連通，提高混凝土的致密性，從而提高混凝土耐久性能[6]。

表4 氯離子擴散系數試驗結果一覽表

電通量試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）中相關規定進行，測試齡期為28 d。從表5 可以看出，該混凝土28 d 電通量小于1 000 C，滿足Ⅲ類海洋環境下電通量的技術要求。有文獻表明在氯鹽或化學侵蝕環境下，當混凝土電通量小于1 000 C 時，可滿足混凝土使用壽命達到100 a 的耐久性能要求。

表5 電通量測試結果一覽表

6 結 論

（1）石灰石粉可以作為一種礦物摻合料取代粉煤灰用于混凝土生產，其合理摻量在16%左右，此時混凝土性能表現最佳。

（2）石灰石粉能誘導前期水化，提高混凝土早期強度，有利于縮短預制梁張拉時間，提高產梁周期。

（3）石灰石粉潛在的活性效應能改善混凝土內部孔隙結構，用石灰石粉配制出混凝土耐久性優良，能滿足惡劣環境下抗滲性技術要求。