石灰石粉細(xì)度對混凝土性能的影響研究

李昌泉

（樂清市霞雪混凝土有限公司，浙江 溫州 325600）

0 前言

隨著我國對基礎(chǔ)設(shè)施投資的持續(xù)增長，市政交通、工民建、海灣港口等迎來了快速建設(shè)時期，作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材料的混凝土需求巨大，帶來了膠凝材料、砂石等原材料的大量消耗。長期的無序開采使得天然砂資源日益短缺，高昂的價格使得混凝土企業(yè)不得不將目光轉(zhuǎn)向更易獲得的機制砂。機制砂是按照建筑用砂的要求，將母巖進(jìn)行破碎篩分而得，顆粒呈棱角，石粉含量對混凝土和易性及強度、耐久性等指標(biāo)影響較大[1-3]。有研究表明，適量的石粉可以促進(jìn)水泥水化成核，從而改善混凝土和易性和強度，因此有些企業(yè)將石粉取代部分水泥并應(yīng)用于混凝土生產(chǎn)，未考慮摻量和石粉細(xì)度等因素對混凝土帶來的影響。磨細(xì)石粉比表面積大，對水分及外加劑等吸附較強，細(xì)度對石粉在混凝土中的應(yīng)用可能產(chǎn)生一定影響，需要進(jìn)行深入研究。

本文通過粉磨獲得不同比表面積的石灰石粉，研究其細(xì)度對混凝土性能的影響，以期提供理論和技術(shù)參考。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥為海螺 P·O42.5水泥，水泥的性能指標(biāo)分別見見表1。粉煤灰為Ⅱ級灰，需水比為98%，礦粉為 S95。

（2）石灰石粉：所用石粉為石灰石經(jīng)水洗烘干后，經(jīng)破碎粉磨獲得，比表面積分別為200m2/kg、320m2/kg、400m2/kg、560m2/kg。

（3）外加劑采用浙江科之杰生產(chǎn)的外加劑，含固為12%，推薦摻量為1.0%～3.0%。

（4）細(xì)集料采用全機制砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，石粉含量9.0%，MB 值為1.5。粗集料為小石（5～10mm）和大石（10～20mm）搭配使用。

表1 水泥的性能指標(biāo)結(jié)果

1.2 試驗方法

（1）按照 GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土工作性能和凝結(jié)時間。

（2）混凝土力學(xué)性能試驗 按照 GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，成型100mm×100mm×100mm 混凝土試件，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，測定混凝土相應(yīng)齡期的抗壓強度。

（3）混凝土收縮性能試驗：按照混凝土配比拌和成型尺寸100mm×100mm×515mm 的棱柱體試件，每組3塊，并預(yù)埋測頭，帶模養(yǎng)護1d 后脫模，放置溫度為 (20±2)℃、相對濕度為95% 的養(yǎng)護室進(jìn)行養(yǎng)護，測試不同齡期的混凝土收縮率，計算公式如下：

式中：

為精確地描述液固兩相流的流動特征，適應(yīng)較高濃度泥漿流的模擬，并且在準(zhǔn)確性和計算量之間達(dá)到平衡，采用基于顆粒流動力學(xué)理論的歐拉-歐拉雙流體模型進(jìn)行研究。

εt——試驗期為 t(d) 的混凝土收縮率，%；

L0——時間長度的初始度數(shù)，mm；

Lt——試件在試驗期 t(d) 時測得的長度讀數(shù)，mm；

Lb——試件的測量標(biāo)距，mm。

（4）混凝土碳化和抗?jié)B性能試驗

（5）試驗配合比

采用 C30全機砂混凝土配合比，石粉設(shè)定摻量為10% 和20%。C30混凝土配比及原材料用量見表2。

表2 C30試驗配合比及原材料用量 kg/m3

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 石粉細(xì)度對混凝土工作性能和凝結(jié)時間的影響

良好的混凝土工作性能不僅可以提高混凝土施工效率，也有利于混凝土均勻分散，是混凝土結(jié)構(gòu)強度和耐久性得以保證的前提。不同細(xì)度的石粉在混凝土中分散效果不同，對混凝土工作性能必定產(chǎn)生一定影響，也會造成混凝土凝結(jié)時間的波動。表3為石粉摻量10% 和20% 時，不同石粉細(xì)度的混凝土工作性能和凝結(jié)時間測試結(jié)果。

表3 不同石粉細(xì)度的混凝土工作性能和凝結(jié)時間

表3所示結(jié)果顯示，石粉摻量10% 和20%，隨石粉比表面積增大，混凝土初始坍落度和擴展度呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，當(dāng)石粉比表面積在320m2/kg，混凝土初始工作性能最佳，混凝土經(jīng)時損失也較低。這是因為石粉較粗時，混凝土保水能力較弱，泌水通道較多，混凝土水分蒸發(fā)速率加快，混凝土保坍能力減弱，但石粉過細(xì)會吸附較多外加劑，包裹水分，使得混凝土粘度增加，外加劑的作用效果下降[4]。同時可以看出，石粉較粗（200m2/kg）時，混凝土初始流動性隨摻量增加而略有提高，這可能是因為較多的粗石粉改善了混凝土部分級配，使得混凝土和易性提高。石粉較細(xì)，摻量提高會增大混凝土的粘滯性，混凝土經(jīng)時損失也會加大。

從混凝土凝結(jié)時間測試結(jié)果看，石粉細(xì)度變小會降低混凝土初凝和終凝時間，這是因為部分石粉能夠促進(jìn)水泥水化生成鋁碳酸鈣等水化產(chǎn)物，使得混凝土石粉凝結(jié)時間變短。

2.2 石粉細(xì)度對混凝土抗壓強度的影響

力學(xué)性能作為混凝土承受荷載、實現(xiàn)功能應(yīng)用的重要指標(biāo)，保證混凝土強度十分關(guān)鍵。研究了石粉細(xì)度對混凝土抗壓強度的影響，測試結(jié)果見表4和圖1。

表4和圖1結(jié)果表明，無論石粉摻量10% 或20%，石粉3d、7d 和28d 強度都隨石粉比表面積增大先提高后降低，石粉細(xì)度320m2/kg 時，混凝土各齡期抗壓強度最高，這時石粉能夠有效填充混凝土孔隙，改善混凝土孔結(jié)構(gòu)，增強混凝土界面粘接強度，石粉細(xì)度過小，更易吸附在水泥顆粒表面，阻止水泥進(jìn)一步水化，混凝土強度反而降低。

當(dāng)石粉摻量提高時，混凝土各齡期強度均有所降低，這是因為石粉降低水泥密度，使得水泥水化生成的有效水化產(chǎn)物降低。但石粉摻量較高，摻入各細(xì)度石粉的混凝土各齡期強度相差較小，這是因為石粉含量提高，對混凝土的填充作用減弱，混凝土后期強度增長不明顯。

表4 摻入不同細(xì)度石粉的混凝土抗壓強度結(jié)果

圖1 不同石粉細(xì)度的混凝土抗壓強度

2.3 石粉細(xì)度對混凝土收縮的影響

混凝土從拌和到硬化過程中，由于水泥水化和周圍環(huán)境溫濕度變化，會產(chǎn)生收縮。對添加不同細(xì)度石粉的混凝土收縮情況進(jìn)行測試，結(jié)果見表5和圖2。

表5 添加不同細(xì)度石粉的混凝土收縮值

圖2 添加不同細(xì)度石粉的混凝土收縮

從表5和圖2所示結(jié)果可以看出，在石粉摻量一定的情況下，石粉比表面積越大，混凝土的收縮值越大，這是因為石粉的加入降低了水泥中有效膠凝礦物數(shù)量，水泥水化生成的氫氧化鈣、水化硅酸鈣等礦物降低，空氣中的酸性氣體 CO2、SO2等更易對混凝土造成侵蝕，使得混凝土更易出現(xiàn)干燥收縮、碳化收縮等。石粉摻量增加，石粉比表面積的增大對混凝土收縮的負(fù)面作用提高，這是因為石粉本身的疏松多孔結(jié)構(gòu)在水分不足時更容易受到環(huán)境影響，從而造成更大的干燥收縮[5]。

2.4 石粉細(xì)度對混凝土碳化和抗?jié)B性能的影響

混凝土在服役的過程中，由于自身含有毛細(xì)孔，容易受到硫酸鹽、氯離子等離子侵蝕和二氧化碳、二氧化硫等酸性氣體侵蝕，從而產(chǎn)生混凝土耐久性不良，對混凝土服役壽命造成影響[6]。研究了石粉細(xì)度對混凝土碳化和抗?jié)B性能的影響，結(jié)果見表6。

表6 石粉細(xì)度對混凝土碳化和抗?jié)B性能的影響

表6結(jié)果表明，石粉摻量一定時，混凝土碳化深度和滲透高度均隨著石粉比表面積的增加先降低后增加，這是因為石粉比表面積在320m2/kg 時，能夠有效提高混凝土密實度，混凝土抗外界侵蝕的能力較強。當(dāng)石粉摻量增加時，添加相同細(xì)度的石粉混凝土抗碳化能力和抗?jié)B透能力下降，這是因為石粉摻量增加，對水泥的膠凝水化作用降低，造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較多的結(jié)構(gòu)缺陷[7]，從而使得混凝土耐久性降低。

3 結(jié)論

（1）隨著石粉比表面積增大，混凝土初始坍落度和擴展度呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，當(dāng)石粉比表面積在320m2/kg，混凝土初始工作性能最佳，相同石粉細(xì)度，石粉摻量增加會增加混凝土的流動阻力，增加混凝土坍落度損失。由于石粉細(xì)度降低，有效水膠比降低，混凝土凝結(jié)時間呈現(xiàn)縮短趨勢。

（2）隨著石粉比表面積增加，混凝土強度先增加后降低，當(dāng)石粉摻量提高，石粉細(xì)度對混凝土強度的影響差別縮小，混凝土后期增長乏力。

（3）對于不同石粉摻量，混凝土加入的石粉隨細(xì)度降低會增大混凝土的體積收縮，且石粉含量較多會加大石粉對混凝土的收縮效應(yīng)。

（4）石粉摻量一定，混凝土抗碳化和抗?jié)B能力都隨著石粉細(xì)度減小先增加后降低，這是因為加入石粉后水泥水化生成的膠凝礦物數(shù)量降低，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷增加，從而導(dǎo)致混凝土抵抗外界不良環(huán)境侵蝕能力減弱。