石灰石粉取代礦物摻合料對混凝土性能的影響研究★

高中輝，王根立，盧曉磊

(1.山東省路橋集團(tuán)科技發(fā)展有限公司，山東 濟(jì)南 250200；2.山東省公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250013；3.濟(jì)南大學(xué) 山東省建筑材料制備與測試技術(shù)重點實驗室，山東 濟(jì)南 250022)

1 概述

近年來，我國混凝土產(chǎn)量已超過20億m3/a[1]。隨著我國“碳達(dá)峰·碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，火力發(fā)電、鋼鐵冶金和建材行業(yè)首當(dāng)其沖，導(dǎo)致混凝土用粉煤灰和礦渣粉的原材料越來越緊俏[2]。因此開發(fā)礦物摻合料替代技術(shù)，實現(xiàn)混凝土綠色低碳發(fā)展勢在必行。

我國石灰石儲量豐富，研究表明石灰石粉可以改善混凝土工作性，且其雖然活性不高，但并不完全是一種惰性摻合料[3-5]。馬燁紅等[6]研究發(fā)現(xiàn)石灰石粉取代水泥后，導(dǎo)致水泥砂漿和混凝土的流動性下降。雷昌聚[7]的研究表明，摻加石灰石粉能夠提高混凝土的流動性，降低坍落度損失，且摻量合適還可以改善混凝土的強度。陳劍雄等[8-9]研究發(fā)現(xiàn)石灰石粉和鈦礦渣粉按1∶2的比例復(fù)摻時，配制出高強混凝土的工作性和強度均優(yōu)于空白組。此外，還有學(xué)者探究了石灰石粉對混凝土耐久性影響。S.Tsivilis等[10]研究發(fā)現(xiàn)，摻加石灰石粉會提升混凝土的抗氯離子滲透性能，降低了混凝土中鋼筋銹蝕風(fēng)險。鄧德華等[11]研究結(jié)果表明常溫下在水泥砂漿中摻加石灰石粉，會降低水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕的性能，因此在含有硫酸鹽的環(huán)境中，不適于采用摻加石灰石粉的砂漿或混凝土。G.Kakali等[12]研究表明溫度低于5 ℃時，硫酸鹽環(huán)境中石灰石粉混凝土?xí)l(fā)生碳硫硅鈣石侵蝕破壞。

綜上所述，石灰石粉具有和其他摻合料相似的諸多特點，如物理填充效應(yīng)和參與水化反應(yīng)等[13-16]。因此將石灰石粉取代少量其他摻合料，加入到混凝土后不僅可以彌補原材料短缺，還對混凝土的性能有改善作用。基于此，本文利用石灰石粉取代一定量的粉煤灰和礦粉，探究了石灰石粉取代部分礦物摻合料對混凝土流動性和強度的影響規(guī)律。

2 試驗原材料與方法

2.1 試驗原材料

1)水泥。

試驗采用山東某水泥公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥，其化學(xué)成分見表1，物理性能見表2。

表1 水泥的化學(xué)成分

表2 水泥的物理性能

2)粉煤灰。

試驗采用濟(jì)南某電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，其物理性能見表3，粉煤灰和礦粉的化學(xué)成分見表4。

表3 粉煤灰的物理性質(zhì) %

表4 粉煤灰和礦粉的主要化學(xué)成分 %

3)石灰石粉。

試驗所用石灰石粉取自濟(jì)南某混凝土企業(yè)，比表面積465 m2/kg，化學(xué)成分見表5。

表5 石灰石粉的化學(xué)成分分析 %

4)細(xì)骨料。

試驗所用細(xì)骨料取自濟(jì)南某混凝土企業(yè)，河砂(黃砂)和機制砂按一定配比混合使用，顆粒級配分別見表6,表7。

表6 河砂的顆粒級配

表7 機制砂的顆粒級配

5)粗骨料。

試驗用粗骨料取自濟(jì)南某混凝土企業(yè)的石灰石碎石，粒徑5 mm～25 mm連續(xù)級配。

6)外加劑。

聚羧酸減水劑：山東某廠生產(chǎn)，固含量11%。

7)實驗用水。

本試驗采用實驗室自來水。

2.2 試驗方法

2.2.1 混凝土坍落度測試

以C30和C40混凝土配合比為基準(zhǔn)，混凝土坍落度試驗按普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50080—2016進(jìn)行測試，石灰石粉按15%，30%，45%，60%等質(zhì)量取代粉煤灰，試驗配合比見表8。石灰石粉按15%，30%，45%,60%的比例等質(zhì)量取代礦粉，試驗配合比見表9。

表8 石灰石粉取代粉煤灰的混凝土配合比

表9 石灰石粉取代礦粉的混凝土配合比

2.2.2 混凝土抗壓強度測試

按照混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081—2019對C30和C40混凝土進(jìn)行強度測試。首先成型C30和C40混凝土將成型后的試塊連同試模一起放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中，養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，至7 d和28 d齡期時，取出測試混凝土的抗壓強度。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 混凝土的工作性能

3.1.1 石灰石粉取代粉煤灰對混凝土工作性能的影響

石灰石粉等質(zhì)量取代粉煤灰的混凝土坍落度試驗結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，石灰石粉等質(zhì)量部分取代粉煤灰摻加到混凝土中，無論是C30還是C40混凝土，當(dāng)石灰石粉取代粉煤灰的量小于15%時，混凝土拌合物坍落度都隨石灰石粉取代量的增大而增大。當(dāng)石灰石粉取代粉煤灰的量大于15%時，其坍落度又隨石灰石粉取代量的增大而減小。當(dāng)石灰石粉取代粉煤灰質(zhì)量的15%時，石灰石粉對混凝土坍落度改善最為顯著，說明石灰石粉的最佳取代量為15%。

對于C30混凝土，空白組的混凝土拌合物的坍落度為200 mm，石灰石粉取代粉煤灰質(zhì)量的15%時，混凝土拌合物的坍落度達(dá)到最大值，比空白組增加了20 mm，這可能是由于石灰石粉等量部分取代粉煤灰，當(dāng)取代量較小時，由于石灰石粉顆粒較細(xì)，改善了混凝土的顆粒級配，石灰石粉顆粒填充在空隙中，釋放出空隙中的水，因而混凝土拌合物坍落度增大。當(dāng)石灰石粉取代粉煤灰質(zhì)量的30%時，混凝土拌合物的坍落度與空白組的混凝土拌合物坍落度相當(dāng)；石灰石粉取代粉煤灰的量為45%和60%時，混凝土拌合物坍落度比空白組分別降低了5 mm和15 mm，這主要是因為當(dāng)取代量較大時，由于石灰石粉的細(xì)粉含量多，比表面積大，需水量比粉煤灰大，因而消耗的水量大，從而使混凝土的坍落度減小。且石灰石粉取代量越大，消耗的水越多，混凝土拌合物的坍落度越小。

對于C40混凝土，石灰石粉取代粉煤灰質(zhì)量的15%時，混凝土拌合物的坍落度比空白組增加了15 mm；當(dāng)石灰石粉取代粉煤灰質(zhì)量的30%和45%時，混凝土拌合物坍落度與空白組相當(dāng)；石灰石粉取代粉煤灰質(zhì)量的60%時，混凝土拌合物的坍落度降低了10 mm，表明石灰石粉等質(zhì)量部分取代粉煤灰對C30和C40混凝土工作性能的影響規(guī)律是一致的。

3.1.2 石灰石粉取代礦粉對混凝土工作性能的影響

石灰石粉等質(zhì)量部分取代礦粉的混凝土拌合物坍落度試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，石灰石粉等質(zhì)量部分取代礦粉時，對C30混凝土，拌合物的坍落度隨石灰石粉取代量的增大而減小。取代量為15%,30%,45%和60%的混凝土拌合物坍落度比空白組分別減小了5 mm,5 mm,10 mm和20 mm，說明對于C30混凝土，石灰石粉部分取代礦粉時，混凝土拌合物的工作性能變差，且石灰石粉取代礦粉的量越大，混凝土拌合物的工作性能越差。

對于C40混凝土，當(dāng)石灰石粉取代礦粉的量小于15%時，混凝土拌合物的坍落度隨石灰石粉取代量的增大而增大。石灰石粉取代量為15%時，混凝土拌合物坍落度最大，比空白組增大了10 mm，說明在C40混凝土中摻加適當(dāng)?shù)氖沂廴〈V粉能夠提高混凝土拌合物的工作性能。當(dāng)石灰石粉取代礦粉的量大于15%時，混凝土拌合物的坍落度隨石灰石粉取代量的增大而減小，這可能是由于C40混凝土使用的粉體材料較多，當(dāng)石灰石粉取代礦粉的量較小時，石灰石粉占粉體材料的比例較小，摻加石灰石粉后，改善了混凝土的顆粒級配，由于石灰石粉的顆粒形貌效應(yīng)和填充效應(yīng)，填充在空隙中，釋放出空隙中的水。而且因石灰石粉顆粒的球形度較好，填充在空隙中時，還能起到滾珠作用[17]，從而使混凝土拌合物的坍落度增大。石灰石粉取代礦粉的量為30%時，混凝土坍落度與空白組相同。石灰石粉取代礦粉的量為45%和60%時，混凝土拌合物的坍落度比空白組坍落度分別減小了10 mm和15 mm。說明對于C40混凝土，當(dāng)石灰石粉等質(zhì)量取代礦粉的質(zhì)量大于45%時，會降低混凝土拌合物的工作性能，因為當(dāng)石灰石粉取代礦粉的量較大時，由于石灰石粉表面吸附水的效應(yīng)大于填充效應(yīng)和顆粒形貌效應(yīng)，因而在混凝土拌合物中石灰石粉的表面吸附水起主導(dǎo)作用，由于石灰石粉顆粒較細(xì)，比表面積大，需水量比礦粉大，因而消耗的水多，參與混凝土拌合物流動的水較少，所以混凝土拌合物的坍落度減小。

3.2 混凝土的力學(xué)性能

3.2.1 石灰石粉取代粉煤灰對混凝土力學(xué)性能的影響

石灰石粉取代粉煤灰的混凝土力學(xué)性能試驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，對于C30混凝土，石灰石粉等質(zhì)量部分取代粉煤灰時，混凝土的7 d和28 d抗壓強度都比空白組要高，且隨著石灰石粉取代粉煤灰的量的增大而增大，石灰石粉取代量為15%,30%,45%和60%的混凝土7 d強度比空白組分別增加了1.4%,7.8%,18.0%和23.5%，28 d強度比空白組分別增加了4.5%,5.0%,8.3%和15.3%。石灰石粉取代粉煤灰的量大于30%時，混凝土7 d抗壓強度的增長較28 d更大。因為對于C30混凝土，石灰石粉取代粉煤灰后，改善了混凝土的顆粒級配。細(xì)小的石灰石顆粒填充在空隙中，降低了混凝土的空隙率，增加了硬化混凝土的密實度，因而混凝土的抗壓強度增加。由于C30混凝土使用的粉體材料較少，石灰石粉取代粉煤灰的量越大，填充效應(yīng)越好，混凝土密實度越高，混凝土的抗壓強度越大。

對于C40混凝土，石灰石粉等質(zhì)量部分取代粉煤灰時，7 d混凝土的抗壓強度均高于空白組，且當(dāng)石灰石粉取代量小于45%時，7 d混凝土的抗壓強度隨石灰石粉取代量的增大而增大；當(dāng)石灰石粉取代量大于45%時，7 d混凝土的抗 壓強度隨石灰石粉取代量的增大而減小。當(dāng)石灰石粉取代粉煤灰的量為15%時，28 d混凝土的抗壓強度比空白組大，而當(dāng)石灰石粉取代量大于15%時，混凝土的28 d強度隨石灰石粉取代量的增大而減小。因為對于C40混凝土，石灰石粉取代粉煤灰的質(zhì)量較小時，石灰石粉的填充作用使混凝土的抗壓強度增大。但當(dāng)石灰石粉取代粉煤灰質(zhì)量較大時，由于C40混凝土使用的粉體材料較多，石灰石粉的填充作用減小，且石灰石粉活性比粉煤灰低，因而強度下降。

3.2.2 石灰石粉取代礦粉對混凝土力學(xué)性能的影響

石灰石粉部分取代礦粉的混凝土力學(xué)性能試驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，石灰石粉等質(zhì)量部分取代礦粉，對于C30和C40混凝土，7 d和28 d抗壓強度均隨石灰石粉取代量的增大先增大后減小。當(dāng)石灰石粉取代量小于15%時，C40混凝土的7 d抗壓強度隨石灰石粉取代量的增大而增大。當(dāng)石灰石粉取代礦粉的量大于15%時，C40混凝土的7 d強度隨石灰石粉取代量的增大而減小。當(dāng)石灰石粉取代礦粉的量小于30%時，C30和C40混凝土的28 d抗壓強度均隨石灰石粉取代量的增大而增大；當(dāng)石灰石粉取代量大于30%時，C30和C40混凝土的28 d抗壓強度隨 石灰石粉摻量的增大而減小。對于C30混凝土，石灰石粉取代礦粉的量為15%,30%和45%的7 d抗壓強度都大于空白組，石灰石粉取代量為15%和30%的28 d抗壓強度都大于空白組。對于C40混凝土，當(dāng)石灰石粉取代量為15%和30%的7 d和28 d的抗壓強度均大于空白組。說明石灰石粉部分取代礦粉時，較小的摻量能提高C30和C40混凝土的抗壓強度。但是當(dāng)石灰石粉取代礦粉的質(zhì)量大于60%時，會降低C30和C40混凝土的抗壓強度。

石灰石粉等質(zhì)量部分取代礦粉，無論是C30混凝土還是C40混凝土，當(dāng)石灰石粉的取代量較小時，由于石灰石粉的顆粒較細(xì)，改善了混凝土顆粒級配，并填充在空隙中，增大了硬化混凝土的密實度，因而強度增大。但石灰石粉的取代量較大時，由于石灰石粉的活性比礦粉低，因而混凝土的抗壓強度降低。

4 結(jié)論

1)以混凝土的坍落度為評價指標(biāo)，就石灰石粉取代粉煤灰而言，對C30和C40混凝土流動性的影響規(guī)律是一致的，石灰石粉的最佳取代量為15%；就石灰石粉取代礦粉而言，隨著取代量增加，C30混凝土拌合物坍落度減小，而對于C40混凝土，當(dāng)石灰石粉的取代量也為15%時，混凝土坍落度值最大。

2)以混凝土的抗壓強度為評價指標(biāo)，當(dāng)石灰石粉取代粉煤灰時，C30混凝土28 d的抗壓強度均高于空白組，而對于C40混凝土，當(dāng)石灰石粉的取代量為15%時，混凝土強度達(dá)到最大。當(dāng)石灰石粉取代礦粉時，對于C30和C40混凝土強度，均在石灰石粉的取代量為30%達(dá)到最大。