楊友祥

（北京市八通混凝土攪拌站，北京　101121）

石灰石粉在普通混凝土中應(yīng)用的研究與探索

楊友祥

（北京市八通混凝土攪拌站，北京101121）

本文研究了用不同細(xì)度（比表面積）的石灰石粉分別按一定比例取代普通混凝土中的粉煤灰與礦粉，試驗結(jié)果表明，當(dāng)石灰石粉細(xì)度足夠細(xì)時，可以改善混凝土的工作性能，提高抗壓強(qiáng)度，尤其是早期抗壓強(qiáng)度，并根據(jù)其它專業(yè)人士的研究結(jié)果，細(xì)度足夠細(xì)及摻量合適時，混凝土的耐久性能可以滿足要求。這對日益匱乏的其它摻合料，如粉煤灰、礦粉有替代作用，能產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益。并最大限度地降低了因廢棄石灰石粉的產(chǎn)生對環(huán)境的污染。

普通混凝土；石灰石粉；比表面積；工作性能；抗壓強(qiáng)度；耐久性

0　緒論

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國的工程建設(shè)規(guī)模越來越大，而60% 以上的建筑都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?；炷两Y(jié)構(gòu)趨向大體量、大跨度、超高強(qiáng)、高性能方向發(fā)展。隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，工業(yè)與民用建筑規(guī)模的日趨增加，混凝土的用量越來越多，而用于生產(chǎn)混凝土的原材料卻日益缺乏，天然砂石骨料越來越少。近幾年來，為滿足工程建設(shè)的需要，混凝土中由機(jī)制砂石骨料代替天然砂石骨料的情況越來越多，在生產(chǎn)機(jī)制砂石的過程中，產(chǎn)生了大量的砂石粉，這不僅造成資源浪費，還嚴(yán)重污染了環(huán)境，有些機(jī)制砂石場周圍石粉堆積如山，刮風(fēng)時滿天飛揚(yáng)，嚴(yán)重的污染了環(huán)境。如果能將石灰石粉用于混凝土，尤其是普通混凝土，如工作性能、力學(xué)性能、耐久性能滿足現(xiàn)時混凝土的各項指標(biāo)要求，或者優(yōu)于現(xiàn)時的混凝土性能，這將產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益，既降低了成本，同時保護(hù)了環(huán)境，并且解決了混凝土中摻合料資源缺乏的問題。眾所周知，現(xiàn)代高性能混凝土離不開礦物摻合料和化學(xué)外加劑?；炷劣昧吭絹碓酱?，而用于混凝土的礦物摻合料如粉煤灰、礦粉資源卻越來越少。

本文以北京地區(qū)常規(guī)雙摻（粉煤灰、礦粉）配合比為基礎(chǔ)，通過不同比表面積的石灰石粉分別取代配合比中的粉煤灰、礦粉來進(jìn)行試驗，研究其工作性能及抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。

1　原材料

（1）水泥：采用河北燕新建材鉆牌 P·O42.5水泥，物理性能見表1。

（2）粗骨料：采用密云威克廢石，含泥量0.7%，泥塊含量0，針片狀顆粒含量3.2%，壓碎指標(biāo)值4.8%，屬5～25mm 連續(xù)級配。

表1　水泥物理性能

（3）細(xì)骨料：河北易縣興隆中砂，含泥量2.2%，泥塊含量0，經(jīng)篩分析試驗，屬于 Ⅱ 區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.4。

（4）粉煤灰：天津大唐同舟 F 類 Ⅱ 級粉煤灰，物理指標(biāo)見表2。

表2　粉煤灰物理指標(biāo)　%

（5）礦粉：首嘉 S95級礦粉，密度2.92g/cm3，比表面積436kg/m2，流動度比101%，活性指數(shù)7d 為82%、28d 為105%。

（6）外加劑：天津飛龍聚羧酸泵送劑，指標(biāo)見表3。

表3　外加劑性能指標(biāo)

（7）石灰石粉：河北三河段甲嶺黃土莊石灰石粉，其化學(xué)成分見表4。

表4　石灰石粉化學(xué)成分　%

2　試驗設(shè)計

本試驗采用不同比表面積的石灰石粉對基準(zhǔn)配合比中的粉煤灰與礦粉按一定比例取代，來研究石灰石粉作為摻合料對普通混凝土工作性能、抗壓強(qiáng)度的影響。

2.1基準(zhǔn)配合比設(shè)計

根據(jù)北京地區(qū)及周邊地區(qū)混凝土用原材料質(zhì)量狀況，結(jié)合北京市多家商品混凝土攪拌站近幾年生產(chǎn)配合比數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)配合比確定如表5。

表5　混凝土基準(zhǔn)配合比　kg/m3

2.2石灰石粉比表面積的確定

在試驗中將生產(chǎn)機(jī)制砂石過程中產(chǎn)生的石粉在小型球磨機(jī)中磨至規(guī)定比表面積進(jìn)行試驗，試驗確定三個等級，分別為：500m2/kg、1000m2/kg 和1500m2/kg。

2.3試驗中相關(guān)標(biāo)識符號的規(guī)定

Fx(Kx)-5(10,15)：“F”表示用石粉取代粉煤灰，“K”表示用石粉取代礦粉，“x”表示取代百分?jǐn)?shù)，“5”表示石粉比表面積500m2/kg，“10”表示石粉比表面積1000m2/kg，“15”表示石粉比表面積1500m2/kg。

3　試驗方法

混凝土工作性能按《普通混凝土拌合物性能試驗方法》要求進(jìn)行試驗。

混凝土抗壓強(qiáng)度按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》要求進(jìn)行試驗。

4　試驗結(jié)果及分析

4.1試驗結(jié)果

石灰石粉取代粉煤灰（10%～100%），試驗結(jié)果見表6及圖1～6所示。石灰石粉取代礦粉（10%～100%），試驗結(jié)果見表7及圖7～12所示。

4.2結(jié)果分析

（1）對 Fx-5系列配比，由圖1可以看出，當(dāng)石粉摻量達(dá)到30% 以上，雖然初始坍落度可以達(dá)到200mm 以上，并且隨著石粉摻量的增加，初始坍落度一直保持200mm 以上，但當(dāng)摻量達(dá)到60% 以上時，60min 坍落度損失明顯變大。最大損失值達(dá)到45mm。

表6　石灰石粉取代粉煤灰混凝土性能檢測結(jié)果

圖1　Fx-5坍落度

圖2　Fx-5抗壓強(qiáng)度

表7　石灰石粉取代礦粉混凝土性能檢測結(jié)果

初始坍落度與基準(zhǔn)混凝土相比，增長幅度最大為35mm。

由圖2可以看出，隨著石粉摻量的增加，3d、7d 早期強(qiáng)度增長，至40% 時增長到最高，隨后下降，當(dāng)摻量達(dá)到60%時，與基準(zhǔn)配合比接近，之后隨著摻量的增加，3d、7d 強(qiáng)度略有下降。

隨著石粉摻量的增加，摻量在30% 以下時，28d 強(qiáng)度基本與基準(zhǔn)配合比接近或稍有下降，之后隨著摻量的增加，28d強(qiáng)度下降。

（2）對 Fx-10系列配合比，由圖3可以看出，隨著石粉摻量的增加，初始坍落度增大，并且60min 坍落度損失越來越小，摻量達(dá)到50% 以上時，隨著石粉摻量的增加，初始坍落度基本不增長，60min 坍落度損失也很小，為10～15mm，對混凝土的工作性能改善明顯。

由圖4可以看出，隨著石粉摻量的增加，3d、7d 早期強(qiáng)度增加，至40% 時達(dá)到最大，之后隨著摻量的增加，3d、7d早期強(qiáng)度下降，直至摻量達(dá)到100% 時，3d、7d 早期強(qiáng)度基本不低于基準(zhǔn)配合比強(qiáng)度。

隨著石粉摻量的增加，28d 強(qiáng)度稍有增加，至50% 時達(dá)到最高，隨后下降，至80% 時與基準(zhǔn)配合比28d 強(qiáng)度基本相同或稍有下降，之后隨著摻量的增加，28d 強(qiáng)度下降。

圖3　Fx-10坍落度

圖4　Fx-10抗壓強(qiáng)度

（3）對 Fx-15系列配合比，由圖5及圖6可以看出，隨著石粉摻量的增加，對混凝土工作性的改善及對強(qiáng)度的影響，與 Fx-10基本相同。初始坍落度與 Fx-10相比略有增加，增加5mm 左右，強(qiáng)度與 Fx-10相比略有增加，增加0.1～0.4MPa。

（4）對 Kx-5系列配合比，由圖7可以看出，當(dāng)石粉摻量達(dá)到30% 以上，雖然初始坍落度可以達(dá)到200mm 以上，并且隨著石粉摻量的增加，初始坍落度一直保持200mm 以上，但當(dāng)摻量達(dá)到50% 以上時，60min 坍落度損失明顯變大，最大損失值達(dá)到40mm。

初始坍落度與基準(zhǔn)配合比相比，增幅最大為40mm。

由圖8可以看出，隨著石粉摻量的增加，3d、7d 早期強(qiáng)度增長，至30% 時增長到最高，隨后下降。當(dāng)摻量達(dá)到50%～60% 時，與基準(zhǔn)配合比接近，之后隨著摻量的增加，3d、7d 強(qiáng)度略有下降。

隨著石粉摻量的增加，摻量在30% 以下時，28d 強(qiáng)度與基準(zhǔn)配合比接近或稍有下降，之后隨著摻量的增加，28d 強(qiáng)度下降。

（5）對 Kx-10系列配合比，由圖9可以看出，隨著石粉摻量的增加，初始坍落度增大，并且60min 坍落度損失越來越小，摻量達(dá)到50% 以上時，隨著石粉摻量的增加，初始坍落度基本不增長，60min 坍落度損失也很小，為5～15mm，對混凝土工作性能改善明顯。

圖5　Fx-15坍落度

圖6　Fx-15抗壓強(qiáng)度

圖7　Kx-5坍落度

圖8　Kx-5抗壓強(qiáng)度

由圖10可以看出，隨著石粉摻量的增加，3d、7d 早期強(qiáng)度增加，至30% 時達(dá)到最大，之后隨著摻量的增加，3d、7d 早期強(qiáng)度下降，摻量達(dá)到60%～70% 時，3d、7d 早期強(qiáng)度與基準(zhǔn)配合比接近，之后隨著摻量增加，3d、7d 強(qiáng)度略有下降。

隨著石粉摻量的增加，28d 強(qiáng)度略有增加，至30% 時達(dá)到最高，隨后下降，至50% 時與基準(zhǔn)配合比28d 強(qiáng)度基本相同或略有下降，之后隨著摻量的增加，28d 強(qiáng)度下降。

（6）對 Kx-15系列配合比，由圖11及圖12可以看出，隨著石粉摻量的增加，對混凝土工作性能的改善及對強(qiáng)度的影響，與 Kx-10基本相同，初始坍落度與 Kx-10相比基本相同。強(qiáng)度與 Kx-10相比，略有增加，增加0.1～0.3MPa。

圖9　Kx-10坍落度

圖10　Kx-10抗壓強(qiáng)度

圖11　Kx-15坍落度

5　石灰石粉改善混凝土性能的機(jī)理探索

根據(jù)內(nèi)川浩、陳迅捷、陳劍雄、崔洪濤等人的分析研究，石灰石粉影響混凝土性能的機(jī)理分析如下：

石灰石粉作為一種高性能混凝土摻合料，當(dāng)比表面積較大時，大于水泥及其它摻合料的比表面積時，不但補(bǔ)充了混凝土中缺少的細(xì)顆粒，增大了粉體材料的比表面積，減少泌水和離析，而且石灰石粉能與水泥和水形成柔軟的漿體，增加了混凝土的含漿量，改善了混凝土的和易性，由此使混凝土坍落度增大。

圖12　Kx-15抗壓強(qiáng)度

由于高細(xì)度石灰石粉具有良好的形態(tài)效應(yīng)和填充效應(yīng)，其在混凝土中與水泥水化相比用水量少，表面光滑的石灰石粉顆粒分散在水泥離子之間，起到分散劑的作用，細(xì)小的石灰石粉顆粒對水泥水化過程中形成的絮凝結(jié)構(gòu)有解絮作用，石灰石粉顆粒呈球形，表面光滑，在水泥顆粒間起到“滾珠”作用，是個體系的反應(yīng)速度較慢，有效的減少了混凝土坍落度經(jīng)時損失。

CaCO3能加速 C3S 的水化，并隨其細(xì)度的增加而增加，并且對 C3S 早期的水化影響更大，CaCO3對 C3S 水化的加速作用主要是由于 CaCO3對飽和的 Ca2+離子溶液起了晶核作用，促使 C-S-H 凝膠相提前成核析晶，當(dāng) C3S 開始水化時，釋解出了大量 Ca2+離子，當(dāng) Ca2+離子在溶液中遷移時，發(fā)生了 CaCO3顆粒表面對 Ca2+離子的吸附作用，導(dǎo)致水化過程中 C3S 顆粒周圍的 Ca2+離子濃度降低，從而加速了 C3S 的水化，提高了混凝土強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度。至于摻量過高而使混凝土強(qiáng)度下降，主要是 Ca2+消耗掉了幾乎全部的參與二次反應(yīng)的硅相，致使二次增強(qiáng)作用減少所改。

石灰石粉的細(xì)度比水泥細(xì)，摻入的石粉均勻的填充在水泥石中，堵塞了一部分毛細(xì)孔，阻礙了毛細(xì)孔中吸附水向混凝土表面的遷移速度，有效的抑制了干縮。

雖然摻入石灰石粉使混凝土堿度降低，但超細(xì)石灰石粉的摻入改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，抗?jié)B性能更好，只是對表面碳化略有增大，混凝土內(nèi)部鋼筋保護(hù)層以內(nèi)的抗碳化能力基本與不摻石灰石粉的相當(dāng)，甚至略有提高。

石灰石粉的加入改善了混凝土的密實性，石灰石粉的微集料填充效應(yīng)不但使毛細(xì)孔得到細(xì)化，而且孔隙率減少，孔結(jié)構(gòu)得到了改善。但是石灰石粉摻量過大時，過量的石灰石粉不能形成二次水化產(chǎn)物，降低了界面過渡區(qū)的密實性，抗凍能力下降，如對混凝土的抗凍性能要求較高時，可采取如少摻石灰石粉、提高石灰石粉比表面積、通過提高化學(xué)外加劑的抗凍能力等措施提高混凝土的抗凍性。

6　結(jié)論

（1）在普通混凝土中摻入超細(xì)石灰石粉，可以明顯改善混凝土拌合物的工作性，混凝土拌合物初始坍落度增幅明顯，坍落度經(jīng)時損失減小。

（2）在普通混凝土中摻入超細(xì)石灰石粉，可以提高混凝土強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度，在合理的摻量范圍內(nèi)，可以保持后期強(qiáng)度基本不降低，與不摻石灰石粉的相當(dāng)。

（3）石灰石粉細(xì)度達(dá)到一定程度（比表面積1000m2/kg)以上，可以明顯改善混凝土的工作性，提高強(qiáng)度，但在比表面積1000m2/kg 以上，隨著細(xì)度的提高，對混凝土工作性及強(qiáng)度的改善不明顯。

（4）石灰石粉細(xì)度較粗時（比表面積500m2/kg 及以下），對混凝土工作性能的改善不明顯，隨著摻量的增加，早期抗壓強(qiáng)度變化不明顯，后期抗壓強(qiáng)度下降。

（5）在普通混凝土中超細(xì)石灰石粉取代粉煤灰以不超過80% 為宜，取代礦粉以不超過50% 為宜。

7　問題

由于篇幅所限，本文只對 C30普通混凝土進(jìn)行了試驗研究，應(yīng)對各強(qiáng)度等級的普通混凝土進(jìn)行大量實驗研究，對石灰石粉在混凝土中的運用提供大量的試驗數(shù)據(jù)及使用依據(jù)。

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[10] 熊遠(yuǎn)柱，萬慧文．石灰石粉對混凝土性能的影響[J]．混凝土.2010,32(9):89-91．

［通訊地址］北京市通州區(qū)怡樂園二區(qū)18-D-510（710021）

楊友祥，男，北京市八通混凝土攪拌站。