石灰石粉摻量和細(xì)度對混凝土性能的影響

丁華柱，劉圍，都增延，王波

（1重慶筑能建材有限公司，重慶 400713；2重慶市東毅新型建材有限公司，重慶 401334；3重慶建工新型建材有限公司，重慶 400012；4重慶志達(dá)欣建材有限公司，重慶 400037）

經(jīng)過幾十年的改革開放，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸從資源消耗型向環(huán)境友好型發(fā)展，走可持續(xù)的發(fā)展道路成為主流。混凝土產(chǎn)業(yè)作為資源消耗性的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，對我國的環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞[1]，所以混凝土產(chǎn)業(yè)更應(yīng)該走可持續(xù)的發(fā)展道路。眾所周知，混凝土技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在逐漸向高強(qiáng)高性能發(fā)展[2-3]，而利用外加劑和礦物摻合料提高混凝土的性能是混凝土發(fā)展的必經(jīng)之路[4]。在混凝土中摻入礦物摻合料不僅能提高混凝土某一方面的性能，還能提高礦物摻合料的利用率。而我國的石灰石資源豐富，在生產(chǎn)粗骨料和機(jī)制砂時(shí)產(chǎn)生大量的石屑，由于缺乏相應(yīng)的技術(shù)造成石灰石粉大量的隨意放置，不僅占用了空間而且對環(huán)境也造成破壞[5]。

已有研究表明適宜的石灰石粉含量能改善混凝土的拌合性能，提高拌合物的粘聚性，降低混凝土的孔隙率，對提高混凝土的耐久性有利[6]。國外利用石灰石粉生產(chǎn)水泥和配制高性能混凝土的例子很多[7]，在國內(nèi)也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。但很多采石場產(chǎn)生的細(xì)小石灰石粉仍無法被使用，造成很大的資源浪費(fèi)。所以本文以中等強(qiáng)度的普通混凝土為研究對象，研究了石灰石粉摻量和細(xì)度對混凝土工作性能和強(qiáng)度的影響，為石灰石粉大量應(yīng)用于混凝土技術(shù)提供數(shù)據(jù)支持。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥

本次試驗(yàn)采用的水泥為重慶拉法基水泥有限公司P·O42.5R普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分如表1。

表1 水泥的化學(xué)組成

1.1.2 石灰石粉

試驗(yàn)使用的石灰石粉為石灰石破碎后在球磨機(jī)中粉磨后制成不同比表面積的石灰石粉。石灰石粉CaCO3含量為85%，其比表面積分別為523m2/kg、618m2/kg、784m2/kg，其MB值為1.20g/kg，流動(dòng)度比為102%。石粉的化學(xué)成分見表2所示。

表2 石灰石粉的化學(xué)組成

1.1.3 細(xì)骨料

試驗(yàn)選用嘉陵江卵石機(jī)制砂，其各項(xiàng)性能指標(biāo)見表3。

表3 機(jī)制砂的性能指標(biāo)

1.1.4 粗骨料

試驗(yàn)使用的粗骨料最大粒徑Dmax=26.5mm，級(jí)配良好。具體性能見表4。

表4 粗骨料的性能指標(biāo)

1.1.5 減水劑

試驗(yàn)使用的減水劑為聚羧酸系高性能減水劑，含固量22.30%，減水率28%。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)根據(jù)表5的配合比來研究石灰石粉摻量對混凝土性能的影響，用三種不同細(xì)度的石灰石粉等量取代15%的水泥，其他配合比不變。按以上配合比拌制混凝土后測試新拌混凝土的坍落度，然后制作100mm×100mm×100mm的立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)到指定齡期測試其抗壓強(qiáng)度。

表5 石灰石粉摻量對混凝土性能影響的配合比

2 結(jié)果分析

2.1 石灰石粉對混凝土工作性能的影響

圖1 石灰石粉摻量對混凝土坍落度的影響

如圖1所示，在新拌混凝土中加入石灰石粉，隨著石灰石粉摻量的增加混凝土的坍落度也逐漸增加。在沒有摻入石灰石粉時(shí)，混凝土的坍落度僅為65mm，摻入10%的石灰石粉后，混凝土的坍落度比沒有摻入石灰石粉的混凝土的坍落度增加了接近兩倍。但是隨著混凝土中石灰石粉摻量的增加，混凝土坍落度的增加速率卻開始放緩。這主要是因?yàn)槭沂鄣募?xì)度大和密度比水泥小造成的。當(dāng)混凝土中摻入一定量的石灰石粉后，由于石灰石粉的密度比水泥小，所以等質(zhì)量取代水泥后使得混凝土中的漿體增加，從而使混凝土的坍落度增加。另一方面是由于石灰石粉顆粒的填充效應(yīng)，石灰石顆粒填充在水泥大顆粒中間，使得水泥顆粒之間的空隙減少，而且增加了混凝土的保水性，使混凝土的坍落度增加。但混凝土中石灰石粉摻量大于一定值時(shí)，由于石灰石粉的細(xì)度比水泥顆粒細(xì)，使得粉體的表面積增加，從而增加包裹粉體顆粒的用水量，當(dāng)粉體的表面需水量大于石灰石粉的減水效應(yīng)時(shí)，混凝土的坍落度不再增加，甚至出現(xiàn)倒縮現(xiàn)象。

圖2 石灰石粉細(xì)度對混凝土坍落度的影響

圖2為石灰石粉細(xì)度對混凝土坍落度的影響，圖中“0”代表混凝土中沒有用石灰石粉等量取代水泥測得的混凝土坍落度，L1、L2、L3分別代表細(xì)度為523m2/kg、618m2/kg、784m2/kg的石灰石粉取代15%的水泥所測得的混凝土坍落度值。由圖可知混凝土中摻入石灰石粉后，混凝土的坍落度增加明顯。隨著摻入石灰石粉細(xì)度的增加，混凝土的坍落度也逐漸增加，但增加速率逐漸放緩。這主要也是由于石灰石粉的微集料填充效應(yīng)改善了混凝土的顆粒級(jí)配，增加了混凝土的坍落度，而且石灰石粉細(xì)度越大對顆粒級(jí)配的改善效果越明顯，混凝土的坍落度也越大。但是隨著石灰石粉細(xì)度的增加，粉體的表面積也越大，包裹粉體材料所需的用水量也越多，當(dāng)由于粉體表面積增加所造成的需水量大于由粉體材料改善顆粒級(jí)配而減少的用水量時(shí)，混凝土的坍落度增加逐漸放緩，甚至對混凝土的工作性能產(chǎn)生不良影響。

2.2 石灰石粉對混凝土力學(xué)性能的影響

圖3 石灰石粉摻量對混凝土的抗壓強(qiáng)度影響

由圖可知混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的延長而逐漸增加，在石灰石的各個(gè)摻量中，3d和28d的強(qiáng)度增加明顯，而90d的抗壓強(qiáng)度增加非常緩慢。其中當(dāng)石灰石粉摻量為15%時(shí)，混凝土各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)組和其他摻量時(shí)的抗壓強(qiáng)度都要大；當(dāng)石灰石粉摻量為10%和20%時(shí)，混凝土的各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度都比摻15%石灰石粉混凝土抗壓強(qiáng)度和基準(zhǔn)組低。由于在水泥水化過程中摻入一定量的石灰石粉可以與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2和水化鋁酸鈣反應(yīng)生成堿式碳酸鈣和碳鋁酸鈣，堿式碳酸鈣和碳鋁酸鈣填充了水泥硬化體的孔隙，可以提高水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)石灰石粉摻量為10%時(shí)，水泥水化生成的堿式碳酸鈣和碳鋁酸鈣比較少，而且混凝土有效水膠比提高得不明顯，所以由摻入石灰石粉后造成膠凝材料活性下降所引起的混凝土強(qiáng)度降低起主導(dǎo)原因。當(dāng)石灰石粉摻量為15%時(shí)，水泥水化時(shí)生成的堿式碳酸鈣和碳鋁酸鈣比較多，而且大大提高了混凝土的有效水膠比，使混凝土強(qiáng)度大大提高。當(dāng)石灰石粉摻量為20%時(shí)，混凝土強(qiáng)度低主要是由于摻入石灰石粉引起的膠凝材料活性下降造成的混凝土強(qiáng)度下降比由于石灰石粉反應(yīng)生成堿式碳酸鈣和碳鋁酸鈣引起的混凝土強(qiáng)度增加更明顯。

圖4 石灰石粉細(xì)度對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖4為不同石灰石粉細(xì)度對混凝土各個(gè)齡期抗壓強(qiáng)度的影響。由圖可知混凝土的3d抗壓強(qiáng)度隨著摻入石灰石粉細(xì)度的增加而逐漸增加，甚至比基準(zhǔn)組還要高；混凝土28d抗壓強(qiáng)度隨著石灰石粉細(xì)度的增加而基本保持不變，只是比基準(zhǔn)組的抗壓強(qiáng)度略高；但混凝土90d的抗壓強(qiáng)度卻隨著摻入石灰石粉細(xì)度的增加而出現(xiàn)下降，甚至比基準(zhǔn)組略低。這主要是因?yàn)槭沂勰艽龠M(jìn)水泥的水化，在水泥水化過程中石灰石粉為水化產(chǎn)物Ca（OH）2和AFt提供晶核，促進(jìn)了水泥水化產(chǎn)物的生成，而且隨著石灰石粉細(xì)度的增加，這種促進(jìn)作用更加明顯。但是到了后期隨著水泥水化越來越徹底，這種促進(jìn)作用逐漸消失。

3 結(jié)論

（1）混凝土中摻入一定量的石灰石粉后，其坍落度隨著石灰石粉摻量和細(xì)度的增加而增加，但增加速率明顯放緩。

（2）混凝土的抗壓強(qiáng)度在石灰石粉摻量為15%時(shí)出現(xiàn)最大值，而且石灰石粉細(xì)度越大，混凝土的早期強(qiáng)度越高，但其后期強(qiáng)度出現(xiàn)相反規(guī)律。

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