石灰石粉作為摻合料在混凝土中的應用

沈乾洲

（永善縣富江混凝土有限公司，云南昭通 657300）

0 引言

目前，我國建筑業規模宏大且發展迅速，混凝土礦物摻合料如粉煤灰、礦渣粉、硅灰等材料日益短缺，不能滿足建設市場的正常需要。 因此，混凝土市場更渴望一種或多種能就地取材的、可替代摻合料的材料，石灰石粉以易獲取、價格低、產量大等優勢被廣泛關注。 其細顆粒填充、易于泵送等多方面特點，對于解決混凝土企業資源分布不均、提高建設工程速度、響應國家環保要求等方面意義重大。 因此，本文為研究石灰石粉作為摻合料合理運用到混凝土中進行了一系列試驗， 并得出其替代其他摻合料的可行性。

1 石灰石粉的使用方向和效應

1.1 石灰石粉的使用方向

本文主要驗證了石灰石粉替代粉煤灰用作混凝土摻合料的可行性，在0、33%、50%、100%等不同替代比例時的各方面性能數據，還驗證了石灰石粉作為機制砂填充料使用，可彌補機制中砂顆粒級配指標，細顆粒篩余不足。 根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011）7.4 泵送混凝土3，細骨料宜采用中砂，標準中規定其通過公稱直徑為315μm 篩孔的顆粒含量不宜少于15%，經細度模數試驗后， 通過摻入石灰石粉來彌補315μm 篩孔篩余量不足的填補，達到改善的效果且滿足規定要求，得到易于泵送的結果。 目前對石灰石粉用作水泥混合材料的研究主要涉及兩個方面：一是將石灰石粉部分取代細骨料，二是將石灰石粉作為摻合料使用[1]。

1.2 石灰石粉的效應

石灰石粉的主要化學成分是CaCO3，而研究發現CaCO3可加速C3A、C4AF 反應，生成碳鋁酸鹽。 同時，碳酸鈣顆粒對C3S 水化起晶核作用，加速C3S 的水化[2]。 其作為摻合料在混凝土中還具有微集料填充效應、微晶核效應、比重效應和分散效應[3]。 通過以上文獻研究可知， 石灰石粉作為摻合料摻入在混凝土拌合物中，既改善了混凝土的工作性能，提高了密實性，也更易于泵送。

2 原材料及試驗方法

2.1 試驗用原材料說明

試驗使用P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥， 其物理性能指標詳見表1。

表1 水泥物理性能指標

試驗使用F 類Ⅱ級粉煤灰，其性能指標詳見表2。

表2 粉煤灰性能指標

試驗使用B 型石灰石粉，其性能指標詳見表3。

表3 石灰石粉的性能參數

試驗使用的機制砂，其主要性能參數詳見表4。

表4 機制砂的主要性能參數

試驗使用的碎石，其顆粒級配符合5～25mm 連續粒級，主要參數詳見表5。

表5 碎石主要性能參數

試驗使用的聚羧酸減水劑，其性能詳見表6。

表6 聚羧酸減水劑性能指標

2.2 試驗方法

試驗選用的混凝土強度等級為C30 和C50 兩個標號，通過摻入不同比例量的石灰石粉來替代粉煤灰， 替代比例分別為33%、50%、70%、100%，38%和62.5%與其基準混凝土進行性能比較，研究石灰石粉不同摻入量對混凝土的工作性能和抗壓強度等各項指標的影響情況。

混凝土配合比設計按照 《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011）進行；混凝土工作性試驗按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2016）進行；混凝土抗壓強度試驗按照 《普通混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）進行；石灰石粉細度篩分和MB 值檢測按照《用于水泥、砂漿和混凝土中的石灰石粉》（GB/T 35164—2017）進行。

不同取代率的混凝土配合比及材料用量參數詳見表7。

表7 混凝土配合比

不同取代率的混凝土配合比工作性及抗壓強度的各項參數詳見表8。

表8 混凝土拌合物的和易性、抗壓強度、評價參數

由表7 和表8 可知，石灰石粉可由0—100%的摻配比例分別替代粉煤灰作為摻合料使用，工作性和抗壓強度等指標均達到設計預期，也驗證了其抗壓強度先增加，后逐漸降低的論點[4-5]。且石灰石粉與粉煤灰兩者復摻的抗壓強度比單摻的高。雖然試配D 和E 強度未滿足JGJ 55—2011 普通混凝土配合比設計規程規定中的配制強度115%的要求，但從拌合物狀態可知，通過減少用水量得以解決，經過試配F、H 和I 等試驗均得到了驗證，也滿足了工作性和抗壓強度的要求。 由此得出：隨著摻入量的增加，混凝土的單方用水量減少，水膠比降低，粘聚性、保水性增加，工作性更優，抗壓強度得以保障。

3 石灰石粉可改善機制砂顆粒級配的作用

3.1 機制砂的生產現狀

從李勇等人[1]以石灰石粉部分取代細骨料的研究得知，我國機制砂品質差、不達標的主要原因有生產設備普遍落后，工藝流程相對簡單。 經過實地考察得出不能改進的因素如下：（1） 資金投入量大；（2） 設備原因；（3） 環保原因；（4） 軟件原因。 致使在簡易設備下只能采取簡單的篩分， 環節中缺少了塑形和預濕環節，生產出來的機砂質量波動較大，多棱角外形，級配斷檔嚴重，石粉含量忽多忽少，豆石含量較多（篩網磨損原因），堆積過程中極易出現離析（粗顆粒裸漏在表面）等現象，最終會導致混凝土的質量波動較大。 因此，研究石灰石粉摻入機制砂中的應用，顯得更有價值。

3.2 機制砂篩分數據

基準機制砂的顆粒級配項目、細度模數詳見表9。

表9 基準機制砂顆粒繼配篩分表

摻入10%石灰石粉的機制砂顆粒級配項目、 細度模數詳見表10。

表10 摻入10%石灰石粉后的機制砂顆粒繼配篩分表

分記篩余/% 0 12.6 25.2 13 6 11.6 13.4 18.2累計篩余/% 0 13 38 51 57 69 82 100篩余量/g 0 56 120 70 35 55 72 92分記篩余/% 0 11.2 24 14 7 11 14.4 18.4累計篩余/% 0 11 35 49 56 67 81 99累計篩余平均值/% 0 12 36 50 56 68 82 100細度模數μf1= 2.67 μf2= 2.62 μf=（μf1+μf2）/2= 2.6備注 摻10%石灰石粉

試驗比對了摻與不摻石灰石粉機制砂的篩分曲線，詳見圖1。

圖1 砂子篩分級配曲線圖

由圖1 可知， 經摻入10%的石灰石粉作為細顆粒填充后，顆粒級配得到了一定的改善。充分驗證了石灰石粉作為填充細顆粒使用是有效的， 能改善顆粒級配中細顆粒150μm 部分不足的空缺。

4 混凝土拌合物流變性能的主要影響因素

液體的流動是由于外部推力大于其內部摩擦力，而產生的一種特殊的連續性變形形式， 45μm 篩余為24% 的石灰石粉（摻量0～80%）可以同時降低屈服應力和塑性黏度[6]。 影響新拌混凝土屈服值的主要因素有用水量和化學外加劑等，混凝土的每平方米用水量或減水劑的摻量越大，屈服值和塑性黏度越小。

在工程現場澆筑時， 采用ICAR 流變儀檢測流變參數見表11。

表11 56m泵送混凝土施工數據與流變參數的現場檢測結果

五層梁板柱墻入泵 166.4 72.0 24 32 11 18出泵 185.8 35.5九層梁板柱墻入泵 159.1 71.8 36 20 10 21出泵 173.7 39.2

不同的礦渣粉對黏度的影響也不同，這可能與礦渣粉的質量及其組成的整個粉體顆粒級配有關。 不同摻合料對混凝土流變參數的影響如圖2 所示。

圖2 不同摻合料對新拌混凝土流變參數的影響

由表11 和圖2 可知， 當摻入50%石灰石粉替代礦物摻合料時，對新拌混凝土的流變性能沒有任何影響；有利于降低混凝土泵送黏性，與其它礦物摻合料復摻使用時，也有著很好的兼容性，更利于泵送。

5 摻入石灰石粉在混凝土中的形態分析

根據余成行[7]等人的研究，從宏觀角度看，混凝土可以被認為是由骨料和水泥漿兩部分組成，骨料和水泥漿由大小不同的顆粒組成。 中粒徑顆粒能填充大粒徑顆粒之間的空隙，而小粒徑顆粒又能填充中粒徑顆粒之間的空隙，各粒徑大小如此連續的填隙作用能有效減少空隙的體積，增大整個骨料部分的填充密度。 混凝土拌合料流動的條件是， 水泥漿需要先填充骨料部分的空隙，填隙以外的水泥漿才能用于潤滑、帶動骨料流動，所以在水泥漿體積一定時，提高骨料填充密度能增加混凝土工作性，或在流動性要求相同時減少水泥漿的體積。

從微觀角度看，水泥漿由水泥及摻合料（石灰石粉）等凝膠微料和水兩部分組成。 在凝膠微料中，固體顆粒的粒徑范圍包括小于1μm 至75μm，和宏觀觀察到的骨料顆粒填充效應一樣，由較小粒徑顆粒產生的連續、系列填隙作用，同樣能有效減少凝膠微料中空隙的體積，增加填充密度。 因為需要先填充凝膠微料部分的空隙，填隙以外的水才能用于潤滑、帶動整個水泥漿流動，所以在水體積一定時， 提高凝膠微料填充密度能增加混凝土工作性，或在流動性要求相同時減少水的體積。

骨料填充密度可用干測量法來測量，而膠凝材料填充密度由于材料間的凝聚現象， 很難同樣用干測量法進行有效準確測量。對于漿體部分摻入石灰石粉可采用檢測凈漿流動度的方法，間接反映膠凝材料間的填充情況。

6 結語

石灰石粉作為摻合料，具有資源提取便利、有利環境保護、價格低廉、有效替代和可改善填充等優勢。 基于以上試驗，可得出以下結論：

（1） 石灰石粉作為可替代摻合料產品，對新拌混凝土的工作性能有改善作用。 摻入量在50%時效果最佳， 當摻入量在100%時，工作性相對較差，但通過減少用水量后，混凝土強度能滿足設計要求。

（2） 石灰石粉可用于機制砂顆粒級配的填充，提高可泵性。

（3） 石灰石粉作為摻合料的多元化組合使用，通過填充效應原理優化級配，使得混凝土內部結構更加密實。