石灰石粉對清水混凝土性能的影響研究

陳 東 王 瑋 胡 洋

（四川華西綠舍建材有限公司）

0 引言

清水混凝土是一種新型建筑材料，在澆筑成型后，其成型面可以直接作為建筑物的裝飾面，不需要進行抹灰或者其他裝飾處理[1-2]。清水混凝土不僅可以很好地體現建筑物厚重質樸的美感，而且由于其耐久性要優于普通混凝土，同時還可以省去裝飾處理的材料以及人工成本，因此清水混凝土也是一種綠色的建筑材料。隨著建筑產業的不斷發展，現代建筑的要求也越來越高，除力學性能外，也開始注重對建筑物的耐久性以及美感要求。在此背景下，清水混凝土受到越來越多高質量建筑工程的青睞[3]。

石灰石粉是以石灰石為原料，經粉磨至規定細度的粉狀材料，石灰石在我國的儲量豐富，分布廣，價格低廉[4]。在優質粉煤灰、礦渣粉等礦物摻合料普遍稀缺的背景下，石灰石粉作為水泥混凝土的摻合料已獲得較廣泛的應用。研究發現，石灰石粉在水泥基材料中主要具有物理填充效應和化學活性效應[5]。因此，摻入石灰石粉會影響混凝土的基本性能。首先，石灰石粉可以改善水泥基材料的流變性能。摻入石灰石粉可降低屈服應力和黏度、提高流動速度。其次，在合理的摻量范圍內，石灰石粉可提高水泥基材料的早期強度，但是后期強度增長極為緩慢或者略有降低[6]。

結合以上背景，考慮到建筑材料行業的發展趨勢，在不久的將來，石灰石粉將作為摻合料的一種應用于清水混凝土中。因此，本試驗主要研究了石灰石粉作為一種礦物摻合料應用于清水混凝土中，討論了其對清水混凝土工作性能、力學性能以及表觀質量三個基本性能的影響，并得到了石灰石粉在清水混凝土中的較優摻量。

1 試驗原材料及方法

1.1 原材料

水泥：本試驗采用峨勝P.O42.5R 級水泥，其基本物化指標如表1 所示。

表1 水泥基本物化指標

礦物摻合料：試驗采用S95 級礦粉、Ⅰ級粉煤灰以及高加密硅灰作為礦物摻合料。

石粉：試驗用石灰石粉比表面積493m2/kg，燒失量為41.3%，需水量為93%。

細骨料：人工砂，細度模數為2.8。

粗骨料：5～25mm 連續級配碎石。

外加劑：復合型高效減水劑。

脫模劑：市售水性脫模劑。

1.2 試驗配合比設計

試驗主要研究石灰石粉內摻替代水泥，摻量分別為0、5、10、15、20、25%時，對清水混凝土的工作性能、力學性能以及表觀性能的影響。試驗基礎配合比設計如表2所示。

表2 清水混凝土基礎配合比設計 （kg/m3）

1.3 試驗方法

清水混凝土工作性能：按照GB/T50080－2016《普通混凝土拌合物性能實驗方法標準》中的要求進行測試；

清水混凝土力學性能：按照GB/T50081－2016《普通混凝土力學性能實驗方法標準》中的要求進行測試；

清水混凝土表觀性能：參照JGJ 169－2009《清水混凝土應用技術規程》中對清水混凝土要求。試驗使用Φ=300mm 的塑料水桶作為成型模具，清水混凝土裝模前水桶模具內表面均勻涂覆水性脫模劑，待脫模劑晾干成膜后進行澆筑，并利用振動棒進行振搗成型，兩天后將試件脫模，待其表面干燥后觀測其表觀性能。

2 結果與討論

2.1 工作性能

為研究石灰石粉對混凝土工作性能的影響，試驗選擇將石灰石粉按照0%、5%、10%、15%、20%、25%的單摻取代水泥，探究混凝土工作性能的變化，試驗結果如表3所示。從表3 可以看到，空白組混凝土的粘聚性和保水性較好，混凝土的拌合物狀態基本可以滿足清水混凝土的要求。隨著石灰石粉對水泥的取代量越來越大，混凝土的坍落度和擴展度逐漸增大，粘聚性和保水性變差。當石灰石粉摻量超過20%后，混凝土拌合物的粘聚性較差，并且出現了輕微泌水的現象，這將不利于清水混凝土澆筑成型后表面質量的控制。此外，在試驗中還發現，隨著石灰石粉摻量的逐漸增大，新拌混凝土容易出現露石的現象，這說明石灰石粉的摻入會導致混凝土中膠凝材料對粗骨料的包裹性變弱。這同樣也會影響清水混凝土的表面質量，導致成型面出現砂斑等表面缺陷。

表3 石灰石粉對清水混凝土工作性能的影響

2.2 力學性能

不同摻量石灰石粉對清水混凝土力學性能的影響如圖1 所示。從圖1 可以看到，隨著石灰石粉對水泥的替代量越來越大，混凝土的7d 強度呈現出先增大后減小的趨勢，在石灰石粉摻量為10%時，混凝土的7d 強度達到最大，相比基準組提升了2.9%。與此不同的是，混凝土28d 強度隨著石灰石粉摻量的增加而逐漸減小，石灰石粉摻量為25%時，混凝土28d 強度下降了22%。首先，由于石灰石粉的比表面積比水泥顆粒大，顆粒尺寸小于水泥的石灰石粉可以填充在水泥顆粒的中間，使得水化產物更加密實。其次，相關研究已經表明，石灰石粉中的CaCO3能夠吸附水泥水化過程中產生的Ca2+離子，充當水化硅酸鈣的成核基體，在一定程度上促進水泥水化。因此在一定摻量范圍內，石灰石粉可以使混凝土的早期強度得到提高。此外，盡管CaCO3可以與水泥中的鋁酸鹽反應生成水化碳鋁酸鈣促進混凝土早期強度的發展[7]，但是該活性作用較弱，因此，石灰石粉替代水泥后會對混凝土的28d 強度造成不利影響，并且呈現出摻量越高，強度下降越明顯的趨勢。

圖1 石灰石粉對清水混凝土強度的影響

2.3 表觀性能

加入不同摻量石灰石粉后的清水混凝土脫模后的表觀質量如圖2 所示。從圖中可知，少量的石灰石粉用于清水混凝土中可以減少清水混凝土成型后的表面色差，這主要是因為石粉的顆粒尺寸較水泥更細，適當的石灰石粉可以填充在水泥顆粒的中間改善混凝土的流動性，從而使拌合物混合更加均勻。其次，石粉的顆粒填充作用也可以使水化產物更加密實。以上作用都有利于減少清水混凝土表面色差。此外，由于石灰石粉較水泥或者其它摻合料顏色更淺，因此石灰石粉摻入到混凝土中后還可以使清水混凝土表面顏色變淺，對其表觀顏色具有一定的提亮效果。

圖2 石灰石粉對清水混凝土表觀質量的影響

石灰石粉摻量超過10%以后，隨著摻量的增加，清水混凝土表面水紋越來越明顯，特別是摻量達到25%時，不僅表面水紋嚴重，而且還出現了一定面積的砂斑。通過上述可知，石灰石粉摻量過高時，新拌混凝土的流動度變大，拌合物的粘聚性和保水性變差，因此導致清水混凝土表面水紋嚴重。由于摻入石灰石粉后漿體對骨料的包裹性變差，進而導致清水混凝土表面出現砂斑、色差等表面缺陷。

綜上可得，石灰石粉替代水泥用于清水混凝土中，其摻量宜控制在10%以內，這對清水混凝土的表觀質量具有一定的增益效果。而摻量超過10%后將會對清水混凝土的表觀質量造成劣化影響。

3 結論

通過試驗研究主要可以得到以下結論：

⑴摻入石灰石粉后，清水混凝土的坍落度以及擴展度變大，混凝土拌合物的粘聚性和保水性變差，石粉摻量越大，對混凝土工作性的影響作用越明顯；

⑵石灰石粉摻量為10%時，混凝土的早期強度會有小幅度的增加，但石灰石粉的摻入會導致混凝土長期強度下降；

⑶10%摻量的石灰石粉可以有效改善清水混凝土表面色差問題，并且對清水混凝土表面顏色具有一定的提亮效果，但是摻量過大會導致清水混凝土表面出現水紋、砂斑等表觀質量缺陷。