石灰石粉用作混凝土摻合料的試驗研究

宋發忠

1商城縣水泥粉磨有限公司（465350） 2 商城縣永固混凝土攪拌有限公司（465350）

0 引言

隨著我國建設步伐的不斷加快，混凝土摻合料的需求量也在不斷增加。 我國石灰石儲量豐富，石灰石粉用作混凝土摻合料不僅能夠降低成本和節約能源，而且還可以改善混凝土的性能。 文章針對目前許多地區缺乏Ⅱ級粉煤灰的現實情況，探究石灰石粉應用于預拌混凝土中的可行性，采用當地原材料及工程常用配合比，開展石灰石粉替代粉煤灰和部分礦粉的配合比試驗與研究，為石灰石粉的推廣應用以及混凝土企業的穩定生產、降本增效提供試驗依據。

1 試驗

1.1 試驗原材料

1）水泥:商城縣水泥粉磨有限公司生產的P·O42.5 級普通硅酸鹽水泥，性能見表1。

2）礦粉:S95 級礦粉，密度為 2.95 g/cm3，比表面積為432 m2/kg，流動度比為102%，活性指數3 d為80%、28 d 為 103%。

3）粉煤灰:Ⅱ級粉煤灰，45 μm 篩余為 16.2%，需水量比為101%，燒失量為1.86%。

4）骨料:粗骨料為5~20 mm 連續級配碎石；細骨料為細度模數2.7 的河砂。

5）外加劑和水:外加劑為聚羧酸減水劑，減水率為23%；水為飲用自來水。

6）石灰石粉: 商城縣水泥粉磨有限公司生產的石灰石微粉，比表面積為550 m2/kg，28 d 活性指數為65%。

1.2 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》GB/T 50080—2016 進行試驗。

混凝土抗壓強度按《普通混凝土力學性能試驗方法》GB/T 50081—2002 進行試驗。

1.3 石灰石粉摻量及對應的性能檢測結果

按固定配合比:水3.42 kg、水泥5.12 kg、外加劑0.154 kg、砂 17.16 kg、石 19.10 kg，用石灰石粉替代不同比例的粉煤灰或礦粉，分別配制C30 混凝土20 L，試驗結果見表2。

2 試驗分析

2.1 坍落度變化情況

由表2 可以看出，初始坍落度與基準混凝土相比，除用石灰石粉完全替代粉煤灰和礦粉外，都增大了 20～30 mm，1 h 損失在 15～30 mm 之間，均小于基準混凝土的40 mm；石灰石粉混凝土的擴展度都大于基準混凝土，1 h 坍落度經時損失均大于基準混凝土。

2.2 混凝土抗壓強度變化情況

1）礦粉摻量不變，石灰石粉替代粉煤灰的量從1/3 到 2/3 時，3 d、7 d 抗壓強度增加，28 d 抗壓強度基本一致；當石灰石粉完全取代粉煤灰時，3 d、7 d、28 d 抗壓強度均略有下降，但幅度不大。

2）粉煤灰摻量不變，石灰石粉替代1/3 礦粉時，3 d、7 d 抗壓強度增加，28 d 抗壓強度略有降低，但幅度不大；當石灰石粉替代2/3 礦粉時，3 d、7 d 抗壓強度略有下降，28 d 抗壓強度下降幅度較大； 當石灰石粉完全取代礦粉時，3 d、7 d、28 d 抗壓強度均下降，特別是28 d 抗壓強度，下降很大。

3）石灰石粉完全替代粉煤灰和礦粉時，3 d、7 d、28 d 抗壓強度均大幅下降；相比較之下，3 d 抗壓強度下降較少，7 d 抗壓強度下降較大，28 d 抗壓強度下降特別大。

表1

表2

4）綜合分析，如果石灰石粉的摻量合適，不僅混凝土的3 d、7 d 抗壓強度均大于基準混凝土，28 d 抗壓強度也基本上與基準混凝土相當。

3 石灰石粉在混凝土中的作用機理

3.1 石灰石粉的活性效應

石灰石粉中的CaCO3與水泥熟料中的鋁酸鹽礦物、Ca(OH)2反應，隨著水化反應的不斷進行，石灰石粉和鋁酸三鈣發生反應，生成具有一定膠凝能力的碳鋁酸鹽復合物，這種水化產物與其他水化產物相互搭接，增加混凝土的密實度，從而提高混凝土的強度和耐久性。 碳酸鈣顆粒具有明顯的晶核效應，使Ca(OH)2晶體生長在碳酸鈣顆粒表面，而不是在水泥石和集料界面生長成大晶體，從而增強了界面黏結度，有助于提高混凝土的強度。 CaCO3與鋁酸鹽、 硅酸鹽礦物所形成的新相晶體迅速增大，并且轉化為牢固連生的結晶體，增強了石灰石與硬化水泥漿體的界面，使水泥石結構致密，強度提高。 同時石灰石粉的細度對混凝土力學性能影響明顯，細度越細，越能發揮其活性效應，混凝土的強度特別是早期強度越高。

3.2 石灰石粉的形態效應

試驗結果表明，隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土初始坍落度不斷增加，且坍落度經時損失減小。這正是石灰石粉在混凝土中起到的“滾珠”作用，從而增加混凝土的流動性。 表面光滑的石灰石粉顆粒分散在水泥顆粒之間，起到分散作用，促使水泥顆粒的解絮，整個體系的反應速度也隨之減緩，因此工作性能得到改善，減小了坍落度的損失。 此外，石灰石粉可改善混凝土的和易性和抗凍性，減少泌水和離析現象的發生。

3.3 石灰石粉的填充效應

由于石灰石粉的粒徑很小，能與水泥熟料及其他礦物摻合料形成良好的級配，具有良好的填充效果。 同時石灰石粉填充在水泥漿基體和界面過渡區的空隙中，使水泥石結構和界面結構更為致密，減小孔隙率和孔徑直徑，改善孔結構，從而提高水泥石強度和界面強度。

3.4 石灰石粉對混凝土耐久性能的影響

石灰石粉用作礦物摻和料，可以提高混凝土的抗氯離子滲透性，減少鋼筋的銹蝕程度，且石灰石粉的顆粒越細，其作用越明顯。 石灰石粉能提高混凝土的抗氯離子滲透性的主要原因是: 石灰石粉能改善孔結構，減少混凝土中大孔比例，對界面有一定的改善作用；同時石灰石粉可以降低混凝土的收縮， 降低碳化深度, 使混凝土拌和物的含氣量和泌水率都在減少，而這些對硬化混凝土漿體是有利的。摻石灰石粉的混凝土的抗滲性比較高，干縮、徐變都在正常范圍。 石灰石粉早期對水泥水化的加速及其增加水化體系的實際有效水灰比兩方面的共同作用，使水化程度得到提高，抗壓強度增加，然而實際有效水灰比的升高也增加了水化體系的毛細孔，使后期強度有所降低。

4 結論

1）混凝土中摻入適量比例的石灰石粉，可以在保持后期強度基本不變的情況下提高混凝土早期強度。

2）石灰石粉可以改善混凝土拌合物的工作性能，混凝土拌合物坍落度增幅較大，坍落度經時損失減小，和易性變好。

3）從實驗看，在配制普通混凝土，特別是雙摻粉煤灰和礦粉時，石灰石粉可以替代70%甚至100%的粉煤灰，而礦粉最多只能用30%的石灰石粉替代。

4）石灰石粉是一種新型廉價的綠色礦物摻合料，能夠很好地破解混凝土用粉煤灰資源短缺和價格上漲的局面。

5）優質石灰石粉對混凝土的物理化學性能及耐久性有較大的改善作用。

可以預見，在混凝土行業中，石灰石粉的應用將會越來越多，這就要求我們在用石灰石粉配制混凝土方面進行大量實驗研究，以對其性能進行充分了解。