石灰石粉用于混凝土掺合料的试验研究

 许婷  苏祖平

 （中铁大桥科学研究院有限公司  武汉430034）

摘要  通过分析石灰石粉用于掺合料对混凝土工作性能、力学性能和抗氯离子渗透性能的影响，结果表明，石灰石粉单掺时，对混凝土工作性能有明显的改善作用；对立方体抗压强度、弹性模量和抗氯离子渗透性能均有不利影响，且掺量越大，不利影响越大；石灰石粉与矿粉或粉煤灰复掺后混凝土的工作性能与单掺时相当，但力学性能和抗氯离子渗透性能均优于单掺。

关键词  石灰石粉  掺合料  工作性能  力学性能  抗氯离子渗透性能

 石灰石在自然界中资源丰富，来源广泛。在将其加工成骨料的过程中会产生大量的石灰石粉，这些石粉一般不会再加以利用，废弃的石粉随意放置会造成环境的污染和资源的浪费。另一方面，近年来随着各条高速公路、高速铁路及桥梁的上马，导致现有的矿物活性掺合料如粉煤灰和矿渣粉料源紧张。因此，如何有效地将石灰石粉转变为一种新型的矿物掺合料运用到混凝土的制备中有非常重大的意义。

 笔者通过石灰石粉单掺、石灰石粉和粉煤灰或矿粉复掺等2种方式，研究了石灰石粉做掺合料对混凝土工作性能、力学性能及抗氯离子渗透性能的影响。

1  原材料与试验方法

1.1试验用原材料

 石灰石粉：湖北宜昌石灰石粉，比表面积为619 kg/m2，45flm筛筛余为0.0%。

 水泥：湖北亚东水泥厂生产的P．0 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为324 kg/m2，3d抗压强度为27.4 MPa，3d抗折强度为5.4 MPa，28 d抗压强度为50.9 MPa，28 d抗折强度为9.1MPa。

 粉煤灰：阳逻电厂I级粉煤灰，需水量比为94%，45 Vm筛筛余为8.8%，28 d活性指数为73%。

 矿粉：信阳明港建材S95级矿粉，比表面积为413 kg/m2，7d活性指数为79%，28 d活性指数为98%，流动度比为100%。

 砂：洞庭湖河砂，细度模数为3．O，为II区中砂。

 碎石：湖北阳新碎石，5～20 mm连续级配碎石。

 减水剂：武汉格瑞林建材科技有限公司生产的SP010型聚羧酸高效减水剂。

 水：饮用自来水。

水泥、粉煤灰、矿渣粉及石灰石粉的主要化学组成见表1。

1.2试验配合比及试验方法

试验配合比见表2，试验主要有2方面：①单掺石灰石粉对混凝土工作性能、力学性能及抗氯离子渗透性能的影响(SF01～SF06)；②石灰石粉与矿粉或粉煤灰复掺对混凝土工作性能、力学性能及抗氯离子渗透性能的影响(SF07，SF08)。

 坍落度的试验参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GBlT 50080 - 2002)；倒坍落度时间的试验方法：将坍落度筒倒置，然后将混凝土装入筒内，刮平，然后迅速提起至距地面约50 cm高处让混凝土自由流下，计下混凝土从筒内开始下流至完全流空所需要的时间；力学性能的试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GBlT 50081- 2002)；抗氯离子渗透性能采用电通量法评价，试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GBlT 50082-2009)。

2试验结果与分析

试验各组混凝土工作性能、力学性能及抗氯离子渗透性能试验结果见表3。

2.1  石灰石粉对混凝土工作性能的影响

 由表3可见坍落度试验中，除SF07外其余各组坍落度均大于或等于不掺石灰石粉的基准混凝土，倒坍落度时间的试验中，除SF06外其他各组均小于基准混凝土。石灰石粉的掺入能明显改善混凝土的工作性能，在用水量不变的情况下，单掺10%～30%时可提高坍落度15～20 mm，减小倒坍落度时间12～14 s。可以说石灰石粉在混凝土中有一定减水作用，故在保持相同工作性能的前提下混凝土的单方用水量可适当减少，由此试验中拌制出了SF06。由表2可见，该组混凝土用水量减少了3 kg/m3；对比SF01，SF07与SF08可以看出：石灰石粉与矿粉均以15%的掺量复掺时，用水量可减少8 kg/m3，而此时仅是坍落度比基准减小5 mm，倒坍落度时间也得到改善；石灰石粉与粉煤灰均以15%复掺时，在用水量减少8 kg/m3的情况下，坍落度与倒坍落度时间都得到较大改善（见表3）。石灰石粉对混凝土工作性能的改善主要由其形态效应和填充效应决定，表面致密光滑的石灰石粉颗粒分散在水泥颗粒之间，起到分散剂的作用；另一方面，由于石灰石粉比水泥颗粒细度小，能够填充水泥颗粒之间的间隙，起到填充骨架的作用，从而改善混凝土的工作性能。因而，石灰石粉无论单掺还是与粉煤灰或矿粉复掺均能有效改善混凝土的工作性能。

2.2  石灰石粉单掺对混凝土力学性能的影响

如图1所示，单掺石灰石粉后，混凝土的立方体抗压强度各个龄期均低于基准混凝土。由SF01～SF05这5组可以看出，掺加石灰石粉后，混凝土的立方体抗压强度降低，且掺量越大降低的幅度越大。由SF06可知，在不损失工作性能的前提下，可适当减小用水量，增加混凝土的密实度，此时强度较不减水时有所提高，但提高的幅度不足以弥补因石灰石粉的加入引起的强度降低。因而，石灰石粉等量取代水泥后会使混凝土的强度有较大幅度的降低。有资料显示：石灰石粉活性较低，大部分颗粒难以参与水化，仅仅充当一种粉末填充料。由于石灰石粉等量替代了水泥，因此，其掺量的增加，水泥用量和水化后形成的水化物的量就随之减少，必将导致混凝土强度的下降。

如图2所示，石灰石粉掺入对混凝土弹性模量的影响规律与立方体抗压强度相似，随着掺量的不断增加，弹性模量不断降低，但降低的幅度小于抗压强度的降低幅度。当掺量为10%，15%，20%和30%时弹性模量较基准分别降低了0. 7%，1.6%，4.2%和10. 8%，而抗压强度分别降低了15. 3%，21.3%，24. 7%和28. 6%。

2.3石灰石粉与矿粉、粉煤灰复掺对混凝土力学性能的影响

如图3所示，石灰石粉与矿粉分别以15%的掺量复掺后，3，7d抗压强度略低于基准混凝土，但14，28，56 d强度均高于基准混凝土；石灰石粉与粉煤灰分别以15%的掺量复掺后，各龄期强度均低于基准混凝土。但由表2可以看出，石灰石粉无论与矿粉还是粉煤灰复掺后的混凝土(SF07，SF08)除了7d龄期外，其他龄期强度均高于单掺石灰石粉( SF03)的混凝土各龄期强度，其中28 d强度分别提高了15.6 MPa和9.1MPa，56 d强度分别提高了11.4 MPa和5.8MPa。

如图4所示，石灰石粉与矿粉、粉煤灰复掺后混凝土弹性模量均高于基准混凝土。前述石灰石粉与矿粉、粉煤灰复掺后在保持相同工作性能的前提下混凝土用水量减小8 kg/m3，使混凝土结构更加密实。水泥、石灰石粉、矿粉（粉煤灰）的细度不同，三者组成的胶凝体系在颗粒的堆积上易形成更紧密的堆积状态，从而也提高了混凝土的密实度，密实度的增加对强度和弹性模量的提高有一定的帮助。另外，矿粉、粉煤灰在混凝土中的二次水化反应，能生成更多的C-S—H凝胶，并且能改善混凝土的孔结构，使混凝土孔隙率下降。因此，在多方面因素作用下，混凝土力学性能得到较大改善。

2.4石灰石粉对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

石灰石粉对混凝土抗氯离子渗透性能的影响规律见图5。

 由图5可见，石灰石粉的加入对混凝土抗氯离子渗透性能会产生不利影响。单掺石灰石粉后(SF02～SF05)，随着掺量的增加，电通量的数值不断增大。虽然采用适当减水的方法，增加混凝土密实度( SF06)对抗氯离子渗透性能有略微改善，但改善作用较小，56 d电通量仍高达到2 131 C，远大于基准混凝土( SF01)。从SF07和SF08 2组混凝土试验结果可以看出，石灰石粉与矿粉或粉煤灰复掺后混凝土56 d电通量均有大幅减小，混凝土抗氯离子渗透性能得到明显改善。SF07和SF082组混凝土电通量值的大幅减小主要是矿粉、粉煤灰的贡献。文献[10]指出：混凝土抗氯离子渗透性能与混凝土的孔结构有关，混凝土孔结构越粗化，抗氯离子渗透性能越差，反之，性能越好；石灰石粉在混凝土内基本不参与水化反应，更多的是起到填充作用，并不能降低孔隙率，细化孔径。而前面已提到：矿粉、粉煤灰在混凝土中的二次水化反应能生成更多的C-S—H凝胶，改善混凝土的孔结构，降低孔隙率，细化孔径，故利用石灰石粉等量取代水泥的方式并不能改善混凝土的抗氯离子渗透性能，需与矿粉或粉煤灰复掺。

3结论

 (1)石灰石粉作为掺合料单掺到混凝土中时，对混凝土工作性能有明显的改善作用，在单位用水量不变的情况下，掺量为10%～30%时可提高坍落度15～20 mm，减小倒坍落度时间12～14 s；对混凝土立方体抗压强度和弹性模量均有不利影响，随着掺量的增加，抗压强度和弹性模量不断降低，但弹性模量的降低幅度小于抗压强度的降低幅度；对混凝土抗氯离子渗透性能有不利影响，随着掺量的增加，混凝土电通量值不断增大。

 (2)石灰石粉与矿粉或粉煤灰组成的复合体系，能配制出力学性能与基准相同，工作性能和抗氯离子渗透性能优于基准的混凝土，可运用到高性能混凝土的配制中。