非活性摻合料石灰粉在混凝土中的高效利用

梁 慶，周漢章

1.廣東南粵勘察設(shè)計有限公司，廣東 廣州 511453；2 .廣州臨海混凝土有限公司，廣東 廣州 511453

0 前言

混凝土是當(dāng)今世界運用最廣泛用量最大的建筑材料，它耐久性好、價格低廉、就地取材方便等眾多優(yōu)點，但是由于近幾年砂石等混凝土原材料過渡被開發(fā)造成目前我國砂石、礦粉、水泥、粉煤灰等資源匱乏，石灰石粉作為摻合料在混凝土中的充分利用不僅可以解決石灰石粉帶來的環(huán)境污染問題還可以采用石粉替代粉煤灰生產(chǎn)出滿足設(shè)計要求的混凝土，石灰石粉作為惰性摻合料也就是非活性礦物摻合料指的是活性很低或者沒有活性的摻合料，在砂石開采破碎過程中產(chǎn)生的石灰石粉，為在混凝土中科學(xué)、合理和安全地應(yīng)用石灰石粉，通過在混凝土中的一系列試驗驗證其可行性以達(dá)到節(jié)能利廢，同時產(chǎn)生良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

1 關(guān)于石灰石粉

1.1 石灰石粉的定義

圖1 石灰石粉能譜分析

石灰石粉是一種以一定純度的石灰石為原料經(jīng)粉磨至規(guī)定細(xì)度的粉狀材料，主要由方解石（CaC03）組成的礦物，石灰石粉主要構(gòu)成元素為Ca，O，Mg，C，Si，Al（石灰石粉能譜分析如圖1）其天然資源豐富，分布廣泛，容易獲得。在開采石灰石的過程中，產(chǎn)生了大量的石屑和石灰石粉，石灰石粉也可以用天然石灰石經(jīng)機(jī)械加工成粉料直接獲得。

1.2 石灰石粉GB/T30190-2013 國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求

表1 石灰石粉的技術(shù)要求

1.3 國外對石灰石粉的應(yīng)用

國外很早便開始將石粉運用于工程，最早使用石粉做摻合料的是1900 年左右建成的安哥拉的Capanda 壩，為了減少溫度裂縫、降低成本，石粉在該工程中被大量使用。哥倫比亞的Miell 壩單方混凝土中使用了140kg 左右石粉，主要為了提高混凝土密實度。而約旦的Mujib 碾壓混凝土重力壩，石粉占了總骨料的5%左右，經(jīng)過檢測，各項力學(xué)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)［1］。

在日本，從20 世紀(jì)末石灰石粉已開始廣泛應(yīng)用于高流動性混凝土和高性能噴射混凝土。因為其填充水泥對環(huán)境有較低負(fù)荷，因此石灰石粉用作填料水泥在未來將更加突出。石灰石粉取代水泥在降低造價成本，減小水化熱，提高資源利用以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面有突出的作用。法國生產(chǎn)此品種水泥已有較長的歷史，產(chǎn)量也最多，已有品種標(biāo)準(zhǔn)CPJ45R 和CPJSSR，可復(fù)摻亦可單摻石灰石粉，單摻石灰石粉摻量為10%～25%［2］。

2 摻石灰石粉混凝土相關(guān)試驗

2.1 試驗原材料的選用

表2 試配原材料信息

2.2 礦物組成

表3 水泥氧化物及熟料礦物組成

表4 石灰石粉氧化物組成

表5 礦粉氧化物組成

表6 粉煤灰氧化物組成

表7 C30 石灰石粉代替煤灰混凝土配合比 kg

2.4 試配過程及物理性能

表8 石灰石粉不同取代率試配數(shù)據(jù)

3 摻石灰石粉混凝土試驗數(shù)據(jù)分析

從表8 試配數(shù)據(jù)看出，S1 為基準(zhǔn)配方，沒有摻石灰石粉，外加劑摻量為2.2%，出機(jī)狀態(tài)好，初始塌落度和擴(kuò)展度、1h、2h 保塌效果在7 組試配中最好，28d、60d 抗壓強(qiáng)度最高。S2為石灰石粉代替煤灰20%，外加劑摻量高于基準(zhǔn)0.1%，出機(jī)狀態(tài)與基準(zhǔn)無太明顯差別，初始、1h、2h 擴(kuò)展度略差于基準(zhǔn)組，7d 抗壓強(qiáng)度高于基準(zhǔn)組1.3MPa，28d 抗壓強(qiáng)度略低于基準(zhǔn)組60d 抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)組低3MPa。S3 為石灰石粉代替煤灰40%，外加劑摻量2.3%，料出機(jī)狀態(tài)略差于前面兩組，1h、2h 漿體收縮較明顯以致擴(kuò)展度逐步減小，7d 抗壓強(qiáng)度為7 組試配最高達(dá)到25.5MPa，28d、60d 抗壓強(qiáng)度與摻20%石灰石粉S2 組相當(dāng)，這說明摻石灰石粉后期無明顯強(qiáng)度貢獻(xiàn)。

S4 組為石灰石粉替代煤灰50%，外加劑摻量2.4%，試驗過程中發(fā)現(xiàn)用水量不足，外加200g 水后，狀態(tài)較好，塌落度擴(kuò)展度略差于S3 組，7d、28d、60d 抗壓強(qiáng)度都低于S3 組，隨著石灰石粉的增加強(qiáng)度開始逐漸降低。S5 組為石灰石粉替代60%，外加劑摻量2.5%，攪拌過程中發(fā)現(xiàn)摻量不夠，加到2.6%摻量后狀態(tài)粘稠吸附水和外加劑比較明顯，初始、1h、2h 塌落度擴(kuò)展度小于S4 組7d 抗壓強(qiáng)度低于S4 組，28d、60d 強(qiáng)度無太明顯增長。當(dāng)石灰石粉替代為80%，，外加劑2.6%，用水量都明顯不夠，料出機(jī)狀態(tài)粘稠1h 后塌損大已經(jīng)沒有工作性能，隨之容重也變輕，7d 抗壓強(qiáng)度略高于S5 組，28d 僅僅為86%、60d 抗壓強(qiáng)度反降。當(dāng)石灰石粉替代為100%外加為2.8%時，外加劑摻量和用水量明顯不夠，料出機(jī)無法滿足施工要求，7d、28d、60d 抗壓強(qiáng)度僅為76%。

4 摻石灰石粉SEM 微觀分析

4.1 樣品SEM 成像圖

圖1 S1 樣

圖2 S2 樣

圖3 S3 樣

圖4 S4 樣

圖5 S4 樣

圖6 S5 樣

圖7 S7 樣

4.2 樣品SEM 成像圖微觀分析

從樣品SEM 成像圖1 可以看到基準(zhǔn)組S1 摻粉煤灰試驗，從成像圖來看粉煤灰顆粒表面的水化產(chǎn)物較多并將粉煤灰顆粒包裹團(tuán)聚在一起，說明粉煤灰己經(jīng)參與了二次水化反應(yīng)，從28d、60d 抗壓強(qiáng)度也可以看出粉煤灰反應(yīng)程度高活性高、強(qiáng)度貢獻(xiàn)高，粉煤灰的活性激發(fā)有兩種方式物理激發(fā)活性和化學(xué)激發(fā)活性，細(xì)化為減水效應(yīng)、微集料效應(yīng)和密實效應(yīng)。［3］摻入粉煤灰后煤灰中的球形微珠起到滾珠軸承作用，這就使得混凝土出機(jī)狀態(tài)流動性好。

成像圖2 摻入20%的石灰石粉后通過觀察成像圖非活性摻合料石灰石粉的摻入能改善了混凝土的微觀形貌，摻入20%石灰石粉后由于石粉的顆粒較細(xì)，它可以填充水泥漿體與骨料之間的孔隙，降混凝土內(nèi)部的孔隙率提高其抗壓強(qiáng)度，這點從S2 組7d 抗壓強(qiáng)度可以體現(xiàn)比基準(zhǔn)組高，從S3 成像圖3 到圖4可以看到石灰石粉摻到40%～50%后石灰石粉顆粒表面光滑度下降且?guī)Ю饨堑男蚊玻f明其與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)二次水化不充分，匹配度較差沒有起到優(yōu)化顆粒結(jié)構(gòu)的作用，導(dǎo)致膠砂界面粘結(jié)薄弱，7d、28d、60d 抗壓強(qiáng)度略下降。

S5 組圖5 和S6 組、S7 組圖6、圖7 從形貌圖上可以看出孔隙、無序的絮狀物質(zhì)和缺陷比前面三組要多，隨著石灰石粉組份的增加孔隙率也將急劇增大，水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)開始變得疏松并且石灰石粉有“吸附效應(yīng)”會讓吸附于骨料表面的自由水，導(dǎo)致流動度變小和易性變差，目前摻合料的活性激發(fā)方式主要是物理激發(fā)和化學(xué)激發(fā)，石灰石粉很明顯不具備化學(xué)激發(fā)能力，不能夠生成產(chǎn)生增強(qiáng)作用的水化產(chǎn)物或者可以促進(jìn)水化反應(yīng)的進(jìn)行，所以摻入超量的石灰石粉后對強(qiáng)度的影響很大。

5 結(jié)論

活性摻合料粉煤灰具有物理活性和化學(xué)活性，其物理活性產(chǎn)生的效應(yīng)包括減水效應(yīng)、微集料效應(yīng)和密實效應(yīng)［3］，所以摻入粉煤灰的混凝土不僅和易性好而且抗壓強(qiáng)度高，而非活性摻合料石灰石粉只具有物理活性，適量的石灰石粉可減少新拌混凝土的泌水與離析現(xiàn)象，石粉填充了砂石之間的孔隙使得混凝土級配得到了改善并使水泥石結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)更加密實，因顆粒細(xì)小的石灰石粉填充效應(yīng)可降低混凝土的孔隙率，并使孔徑減小，阻斷了可能形成的滲透通路，在一定的程度上使水泥水化進(jìn)程加快提高強(qiáng)度，石灰石粉可作為混凝土的新型輔助膠凝材料使用 。使用優(yōu)質(zhì)的非活性摻合料石灰石粉不僅可以節(jié)約成本并相應(yīng)提高強(qiáng)度，還能為節(jié)能減排作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。