石灰石粉清水混凝土試驗研究

汪華文，薛安平，陽 俊，周紹豪

石灰石粉清水混凝土試驗研究

汪華文1，薛安平2，陽 俊1，周紹豪1

（1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北武漢430040；
2.中交四航局第二工程有限公司，廣東廣州510300）

為緩解粉煤灰不可再生資源消耗和供應緊張，同時改善清水混凝土外觀質量的穩定性，以石灰石粉取代粉煤灰，設計水泥-礦粉-石灰石粉體系清水混凝土配合比，通過研究混凝土工作性、耐久性及外觀等性能，并進行了現場大尺寸模型驗證，確定了石灰石粉的最佳細度及摻量，保證了石灰石粉清水混凝土的施工性能和耐久性，同時提升清水混凝土外觀質量。

石灰石粉；清水混凝土；耐久性；外觀；現場驗證

1 研究背景

清水混凝土的發展在歐洲、日本等國家始于20世紀60年代[1]，隨著國外對清水混凝土理念的認識和發展，清水設計的民用住宅屢見不鮮，清水混凝土不再是奢侈的裝飾品，也不是毫無缺陷的藝術品，而是建筑設計利用混凝土本身的質感表現建筑的謙遜美。在我國，清水混凝土始于上世紀80年代，目前已有廣泛的應用，如深圳大運中心、中國電信大樓、南京三橋等[2]。

清水混凝土在我國交通工程中的應用極為廣泛，為滿足海洋工程等具有耐久性要求的工程，粉煤灰成為了不可或缺的礦物摻合料，但是隨著粉煤灰逐漸緊缺，粉煤灰的產量和質量均得不到保證，品質較差的粉煤灰不僅影響了工程的結構質量，同時嚴重影響了建筑的外觀質量[3]。

因此，尋找一種部分（或者是全部）取代粉煤灰，且地域礦產豐富，質量穩定可控，價格適中的礦物摻合料，對清水混凝土的發展和工程質量控制大有裨益。

2 石灰石粉在混凝土中的應用

在我國，石灰石粉在混凝土中的應用是作為副產品開始的，石灰石碎石及機制砂在生產過程中會產生一定比例的石粉[4]，水泥生產過程中會摻入5%~8%的石灰石粉，通過摻入石灰石粉，改善了混凝土的各項性能。從此，石灰石粉作為一種新型礦物摻合料被學者、工程技術人員、水泥生產商所熟識、研究和應用。研究表明[5-7]，石灰石粉可以改善混凝土的工作性能和力學性能，越來越多的工程中已經把石灰石粉作為一種礦物摻合料。

GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》中允許加入一定量的石灰石粉作為非活性混合材料。美國ACI212.1R—81《Admixtures for Concrete and Guide for Use of Admixtures in Concrete》（《混凝土外加劑和外加劑在混凝土中的使用指南》）中也指出石灰石粉可以作為混凝土的輔助膠凝材料；JGJ/T 318—2014《石灰石粉在混凝土中應用技術規程》，適用于建筑工程中將石灰石粉作為礦物摻合料使用的混凝土工程。

3 室內試驗

石灰石粉可以單獨與水泥組成二元復合材料，也可以再摻入其他輔助膠凝材料（如粉煤灰、礦粉、硅粉等）組成三元或多元復合膠凝材料。陳改新[8]等通過試驗研究，提出水泥、石灰石粉、粉煤灰、礦粉的最優配合比，即水泥34%、磨細礦渣粉23%和石灰石粉43%組成的三元復合膠凝材料。本研究通過對石灰石粉性能指標的檢測，研究不同細度、不同摻量石灰石粉對混凝土性能的影響，確定石灰石粉清水混凝土的最優配合比。

3.1 原材料

為滿足清水混凝土構件色澤亮白，顏色均勻的要求，優選白度大于90的石粉進行室內試驗研究，作為輔助膠凝材料取代粉煤灰。本試驗主要研究石灰石粉-礦渣粉-水泥的三元膠凝材料體系，試驗選用原材（水泥、礦粉、粗骨料、細骨料）均為市場常用建材。

JGJ/T 318—2014《石灰石粉在混凝土中應用技術規程》對混凝土中石灰石粉的碳酸鈣含量、細度、活性指數、流動度比、含水量、亞甲藍值規定了指標及測試方法，現對連州400目石灰石粉進行相關性能檢測，試驗結果如表1所示。

表1 石灰石粉關鍵性能指標測試結果Table1 Test resultsof key perforMance of limestone pow der

從檢測數據分析，上述400目石灰石粉關鍵性能指標均滿足《石灰石粉在混凝土中應用技術規程》技術要求。

3.2 石灰石粉清水混凝土配合比設計

石灰石粉細度關系著其自身的水化活性大小，因而石灰石粉細度對混凝土的工作性及硬化混凝土的力學性能和耐久性有較大影響[9]。為選取最優細度的石粉來替代粉煤灰，以C50（56 d）配合比為基準，配合比中石粉摻量均為92 kg/m3，具體試驗配比見表2所示，試驗結果見表3。

表2 室內石灰石粉細度比選試驗混凝土配比Table2 LaboratoryMixture ratio testson selection of limestone powder fineness kg·m-3

綜合比較表3數據，摻400目石粉混凝土狀態最優，后續試驗均采用400目石灰石粉替代粉煤灰進行試驗。通過比較不同石灰石粉摻量下石灰石粉-礦渣粉-水泥的三元膠凝材料體系膠砂試驗來確定石灰石粉的最佳摻量，具體膠砂試驗配比見表4。

表3 石灰石粉細度比選試驗混凝土性能指標試驗結果Table3 Test resultsof finenessof liMestone pow der and performance of concrete tested

表4 石灰石粉-礦渣粉-水泥的三元膠凝材料的膠砂試驗配合比Table4 TrialMix ratio ofMortarsbased on limestone powder-slag powder-cement g

根據GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》測試膠砂流動度，按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》進行標準養護測試抗壓強度和抗折強度，試驗結果見表5所示。

表5 石灰石粉-礦渣粉-水泥的三元膠凝材料的膠砂試驗結果Table5 Test resultofmortar based on limestone powder-slag powder-cement

由表5試驗結果分析可知，石灰石粉具有減水效應，能夠減少復合膠材的用水量；膠砂試件的抗壓強度和抗折強度都隨齡期增加而提高，隨石灰石粉的摻量增加而減少；摻量在30%以下時影響較小，超過30%后隨摻量增加下降幅度較大。石灰石粉摻量較小時，對早期強度有一定的促進作用。

通過上述對石灰石粉細度、摻量的比選試驗，綜合比較各組工作性能和力學性能，確定200目細度、20%的摻量為最佳。

3.3 石灰石粉混凝土強度試驗

分別對摻20%金福、廣源400目石灰石粉C30、C45、C50混凝土的強度進行測試，配合比如表6，強度如表7所示:

表6 摻20%石灰石粉C30、C45、C50混凝土配合比Table6 Mix ratio for concreteof C30,C45 and C50 containing 20%limestone powder kg·m-3

表7 摻20%石灰石粉C30、C45、C50混凝土強度試驗數據Table7 Resultsof strength testof concreteof C30,C45 and C50 containing 20%limestone pow der MPa

由以上數據可知，石灰石粉對混凝土的強度無明顯負影響，混凝土的強度正常增長，滿足配制高品質C30~C50清水混凝土要求。

3.4 石灰石粉混凝土溫度試驗

為比較石灰石粉和粉煤灰對混凝土水化熱的影響，對表8混凝土配合比的膠凝材料進行了水化熱試驗。

表8 石灰石粉、粉煤灰對混凝土水化熱影響對比試驗配合比Table8 Mix ratio for coMparative testsof influence of hydration heatof liMestone powder and fly ash upon concrete

由此可以判斷石灰石粉對混凝土的絕熱溫升在該體系內明顯低于粉煤灰，石灰石粉能有效降低混凝土的水化熱，對于大體積混凝土的控裂大有裨益。

3.5 石灰石粉混凝土干縮試驗

混凝土的干縮主要是混凝土中水泥石毛細孔失水引起的。一方面毛細孔內水分蒸發使孔中的負壓增大，產生收縮力使毛細孔縮小，混凝土產生收縮；另一方面膠凝體顆粒的吸附水蒸發，在分子引力作用下使顆粒間距變小，產生收縮。收縮應力大于混凝土抗拉強度，將導致混凝土開裂，影響混凝土耐久性。

為對比粉煤灰和不同細度石灰石粉對混凝土干縮性能的影響，試驗C50配合比為基礎，選取金福200目、400目、600目石灰石粉以20%的摻量取代粉煤灰，配合比如表9所示。

表9 粉煤灰、石灰石粉干縮試驗混凝土配合比表Table9 Mix ratio of concreteadded with fly ash and limestone powder for dry shrinkage tests

試驗按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中接觸法進行，試件尺寸為100mm×100mm×515 mm，采用數字千分表，計算機智能計數。

儀器每小時自動讀取長度變化量ΔL（取正），混凝土的應變按下式計算:

式中:ε為干縮率；ΔL為長度變化量，mm；L為時間初始長度，mm。

試驗結果如圖1所示，隨著干縮試驗的進行，混凝土在50 d基本完成主要收縮，且趨于穩定；在第10 d左右，混凝土的干縮速率最大；比較總的應變，對混凝土干縮應變影響程度的順序為: 600目石粉＞200目石粉＞400目石粉＞粉煤灰。

石灰石粉的細度比水泥低，摻入的石灰石粉均勻地填充在水泥石中，堵塞了一部分毛細孔，阻礙了毛細孔中吸附水向混凝土表面遷移的速度，有效抑制了干縮[10]。當石粉的細度相對水泥過小，其表面能較大，需水量也較大，后期水分蒸發的干縮也會較大。

圖1 C 50混凝土粉煤灰、石灰石粉干縮對比試驗Fig.1 Comparative testsof dry shrinkageofC50 concrete w ith fly ash and liMestone powder

3.6 石灰石粉混凝土抗氯離子擴散試驗

為對比粉煤灰與石灰石、不同細度的石灰石粉對混凝土抗氯離子擴散性能的影響，設計實驗配合比如表10所示，采用粉煤灰、100目、200目、400目、600目石灰石粉分別與水泥、礦粉混摻進行對比試驗。

表10 石灰石粉細度對抗氯離子擴散影響試驗配比Table10 TrialMix ratio of concrete for teston influenceof finenessof limestone powder upon resistance to chloride ion diffusionkg·m-3

試驗按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中RCM測試方法，測試28 d、56 d齡期試件氯離子擴散系數，試驗測得結果如表11所示。

表11 石灰石粉不同細度氯離子擴散系數試驗結果Table11 Test resultof chloride ion diffusion of limestone powder w ith different fineness

由表11可知，石灰石粉取代粉煤灰后，抗氯離子擴散能力下降，且隨著石灰石粉細度的增加，擴散系數變化不大。

文俊強[11]等人通過比對各種膠凝材料的混凝土氯離子擴散系數，發現長齡期抗氯離子滲透性能大小順序為:粉煤灰>礦渣粉>石灰石粉>水泥，比表面積785m2/kg的石灰石粉>比表面積383m2/kg的石灰石粉。同時，為進一步研究石灰石粉對混凝土孔結構的影響，采用壓汞試驗分別測試總孔隙（入汞量）、平均孔徑、孔隙率和孔分布。發現石灰石粉的摻入增加了水泥漿體的孔隙率，但是平均孔徑有所降低，通過孔徑分布計算可知，含石灰石粉的試樣中微細孔的比例升高，大孔比例降低，致使平均孔徑減小。含石灰石粉混凝土的氯離子傳輸性與總入汞體積、總孔隙率和中值孔徑沒有明顯的相關性，而與大于100 nm的孔體積有關，兩者之間呈比較明顯的線性關系。

4 現場足尺模型試驗

現場試驗以立柱為模型，分別驗證3種配合比設計思路:1）降低粉煤灰用量；2）單摻礦粉；3）石灰石粉取代粉煤灰。根據3種設計思路的配合比，在保持和易性基本相同的情況下，分別澆筑3個C50清水混凝土立柱，3個立柱的尺寸均為0.9m×0.9m×3.6m。本次試驗采用3種清水混凝土配比，配合比見表12。

現場測得混凝土狀態如表13所示。

表12 清水混凝土施工試驗配合比Table 12 TrialMix ratio for fair-faced concrete construction

表13 現場新拌混凝土性能Table 13 Performance of fresh concreteMixed on site

2015年12月22日，試驗柱拆模外觀如圖2所示。

整體對比，在混凝土工作性差異不大，且都易于施工的條件下，單摻礦粉混凝土外觀質量較差，外觀缺少光澤，且有較明顯的水波紋；摻礦粉+石灰石粉外觀最優，存在少量色差；粉煤灰和礦粉混摻試驗立柱外觀不是很理想，因為受粉煤灰材料特點的影響，外觀存在明顯的色差。

圖2 C50清水混凝土立柱試驗外觀Fig.2 AppearanceofC50 fair-faced concrete column

5 結論及建議

通過上述室內及現場足尺模型試驗研究，對石灰石粉清水混凝土技術的優點概括如下。

1）能夠提供很好的微集料效應，改善混凝土粉料級配，從而使混凝土工作性能更加優良，易于施工澆筑，混凝土的勻質性保證了混凝土基本無蜂窩、麻面等較大缺陷。

2）作為惰性填料，反應活性低，降低了混凝土的水化熱和溫度收縮，提高了混凝土體積穩定性，降低了混凝土開裂風險。

3）作為鈣質石粉，其需水行為優于其他類石粉，其減水作用與一級粉煤灰相當或者更好，能夠使混凝土體系水膠比更低和密實度更高，有利于提高混凝土耐久性，可用于一般海洋環境。

4）石灰石粉作為礦物摻合料取代粉煤灰，對混凝土的外觀質量和光感均有較大的提升，滿足清水混凝土的外觀質量要求。

石灰石粉作為水泥混合材料很早就出現在混凝土體系中，并不屬于非常新穎的材料。只是近年來由于粉煤灰的質量和產量暴露出來的缺點，讓人們思考不能一味地依賴粉煤灰，尋求并推廣新的礦物摻合料對土木工程產業具有重要意義。

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ExperiMental study on liMestone powder fair-faced concrete

WANGHua-wen1,XUEAn-ping2,YANG Jun1,ZHOUShao-hao1
（1.CCCCWuhan Harbour Engineering Design and Research Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei430040,China; 2.No.2Engineering Co.,Ltd.of CCCCFourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510300,China）

To ease the consumption and tight supp ly of fly ash which is a non-renewable resource and to improve the consistency of appearance quality of fair-faced concrete,the fly ash is replaced with limestone powder and themix ratio of cement,slag powder and limestone powder is designed for fair-faced concrete.Based on the study of the workability,durability and appearancequality ofproposed fair-faced concrete and the resultsof the large-sizemodel tests at the construction site,the optimal fineness and amount of limestone powder to be added was determined,which ensured the workability and durability of the limestone powder fair-faced concrete and the improvementof theappearancequality of the fair-faced concrete.

limestone powder;fair-faced concrete;durability;appearance;field verification

U654；TU528.36

A

2095-7874（2016）07-0046-06

10.7640/zggw js201607014

2016-05-28

2016-06-14

汪華文（1989—），男，湖北武漢市人，碩士，助理工程師，材料工程專業。E-mail:hw.wang.whut@foxmail.com