摻石灰石粉低強常態混凝土技術研究

張禮成

（廣東水電二局股份有限公司，廣州 511300）

1 引言

我國地大物博，擁有豐富的自然資源，石灰石在我國分布較為廣泛，且市場售價低廉，國內少部分區域由于缺少礦渣及粉煤灰，因此會選擇石灰石粉替代。 此外，在生產機制砂、碎石過程中會產生一定的石灰石粉。 如何有效利用石灰石粉，降低對生態環境的影響成為學術界高度重視的議題。 石灰石粉屬于一種惰性材料，在自然界中分布非常廣泛，經過研磨處理的石灰石粉能夠作為混凝土的摻加料使用[1]，促進水泥水化，降低水泥的水化熱反應，同時優化混凝土的性能[2]。 合理利用石灰石粉，是一條降低混凝土生產成本的途徑。

2 石灰石粉混凝土的特點

2.1 水化熱

石灰石粉具備顯著的惰性特點， 將其摻加在混凝土中能夠降低水泥的用量， 石灰石粉不會與混凝土內的水泥產生化學反應， 石灰石粉會吸附水中的鈣離子， 導致Ca+的濃度降低，降低混凝土中的水化熱反應[3]，這種現象能夠降低混凝土裂縫出現的可能性。

2.2 工作性能

經過處理的石灰石粉粒徑非常小， 使用45 μm 的篩網篩選后，當剩余量達到5%時，石灰石粉的平均粒徑明顯小于水泥的粒徑， 將其摻加在混凝土集料中能夠提高混凝土的密實度，還可以提高混凝土的流動性及保水性，降低混凝土出現離析現象的可能性，保證施工質量滿足規范要求。

3 原材料及試驗

本文以翁源縣東華山風景區旅游公路改建工程作為研究案例， 對石灰石粉替代水泥摻加在混凝土中的應用效能進行分析。 該項目實施過程中的技術關鍵點為：將石灰石粉摻加在低強度標號的混凝土中， 準備3 組不同強度標號的混凝土：C15 混凝土、C20 混凝土、C30 混凝土，對3 種不同混凝土的性能指標進行研究， 結合研究結果總結出混凝土中摻加石灰石粉的最佳比例。

3.1 試驗原材料

1）磨細石粉：石灰石的粒徑保持在5~10 mm，石灰石中的含泥量不得超過0.5%， 試驗磨標準設置為直徑500 mm、高500 mm。 粉磨時間與石灰石粉細度的相關數據如表1 所示。石粉的化學成分如表2 所示。

表1 粉磨時間與石灰石粉細度的相關數據

表2 石粉的化學成分 %

2）水泥：使用P·O 42.5R 水泥，水泥的性能指標如表3 所示。

表3 P·O42.5R水泥主要指標

3）骨料：細骨料選擇河砂，河砂的細度模數為2.6，河砂的級配滿足設計及規范要求。 粗骨料的粒徑控制在5~20 mm。

4）外加劑：使用聚羧酸高效外加劑，減水率約為35.0%。

5）水：選擇滿足JGJ 63—2006《混凝土用水標準》要求的潔凈水。

3.2 試驗設備

混凝土攪拌設備、研磨設備、磅秤、漿液攪拌設備、坍落度試驗桶、直尺等。

3.3 試驗方法

凈漿試驗嚴格按照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》 進行。 所有拌合物全部使用機械式設備進行攪拌、振搗，結合GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》要求進行試驗。待混凝土養護24 h 后，拆除模板，混凝土養護至設計強度后，結合GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》要求進行試驗。

4 試驗結果及分析

4.1 石灰石粉摻量對凈漿流動度的影響

凈漿流動度試驗結果如表4 所示。 結合表中信息可以發現，當凈漿中摻加石灰石粉后，漿液的流動性明顯提高，且石灰石粉的摻加量與漿液的流動性之間呈現出正關聯性。 當石灰石粉的摻加量超過15%時， 漿液的流動性隨著石灰石粉的摻加量增大而逐漸減小。 在經過多次試驗后得出，石灰石粉的最佳摻加量為15%。

表4 凈漿流動度比較

究其原因，主要是石灰石粉在經過處理后，其顆粒的粒徑非常小，加之石灰石粉屬于惰性材料，石灰石粉具備良好的減水作用， 在摻加量合適的情況下， 能夠有效提高漿液的流動性。 但是，當石灰石粉的摻加量超過15%后，漿液的流動性會降低，究其原因，主要是研磨后的石灰石粉粒徑非常小，能夠填補水泥與礦物摻和料之間的縫隙， 從而提高了漿液混合料的級配。

4.2 石灰石粉對混凝土性能的影響

4.2.1 摻量15%的石灰石粉（內摻）對混凝土工作性能的影響

結合以上研究結果來看，相對比水泥而言，石灰石粉的需水量明顯減少，但是當水泥的摻加量非常高時，石灰石粉的減水作用不顯著。 當石灰石粉的細度變大時，石灰石粉的需水量也隨之增大，當用水量保持穩定狀態時，石灰石粉的坍落度隨著石灰石粉的細度變大而逐漸降低。 混凝土基準配合比如表5 所示。

表5 基準配合比表

使用石灰石粉替代混凝土中的水泥，結合實際試驗結果來看，當石灰石粉的替代量為5%、10%、20%、30%時，混凝土的性能得到顯著的提升。 摻加有石灰石粉的混凝土坍落度相比常規性混凝土的坍落度高20%~40%。 常規性混凝土的坍落度損失量比較大，其中，坍落度在60 min 時的損失為25%，摻加有石灰石粉的混凝土坍落度損失則比較小。 主要原因是石灰石粉能夠填補混凝土不同集料之間的縫隙，提高混凝土的密實度，同時降低混凝土的用水量，所以摻加有石灰石粉的混凝土坍落度損失相對比較小。 工作性能試驗結果如表6所示。

表6 工作性能試驗結果

4.2.2 摻量15%的石灰石粉（內摻）對混凝土強度的影響

將石灰石粉摻加進混凝土中能夠強化水泥的水化效率，水泥在水化過程中產生一種晶核物質，促使水化反應加速。 在混凝土中摻加石灰石粉可以對顆粒物的分布結構進行優化，在攪拌混凝土過程中，摻加減水劑后，能促使不同的集料與水泥產生堆積反應，提高混凝土的密實度，降低混凝土內部結構的空隙，這種變化可以提高混凝土的強度。

結合試驗結果來看，石灰石粉具備顯著的惰性特點，并不具備活性，所以無法提高混凝土的強度，但是將其摻加在混凝土中后， 混凝土的強度并未降低太多， 在對3 種（C15、C20、C30）不同細度的石灰石粉進行分析后發現，其對于混凝土強度的影響差異不大。 究其原因，主要是當C3S 發生水化時，其會釋放出大量的Ca2+，CaCO3微粒會吸附Ca2+，因此，在混凝土中摻加石灰石粉可以提高CaCO3濃度，致使Ca（OH）2在石灰石粉表層迅速發育，同時導致C3S 水化反應加速。 此外，石灰石粉自身具備較高的強度， 石灰石粉會對混凝土產生微集料作用。 經過處理后的石灰石粉具備良好的優勢，其能夠降低混凝土的空隙，填補混凝土的毛細通道，提升混凝土的密集度。

石灰石粉屬于一種惰性材料， 其無法產生與粉煤灰一樣的火山灰效應，但對于提升混凝土的強度有較大的促進作用。所以，在混凝土中摻加石灰石粉具備良好的可行性，還能夠降低混凝土的生產成本。

4.2.3 對耐久性能的影響

將石灰石粉摻加在混凝土中出現3 種效應：活性效應、加速效應、填充效應。 其中，填充效應是指石灰石粉因自身的粒徑非常小，可填充在混凝土的空隙中，提高混凝土的密實度，降低混凝土中空隙結構的數量； 活性效應是指水化反應的初期階段，石灰石粉不會參與水化反應，但是石灰石粉會在水化反應的后期階段與混凝土中的高強度化學物質產生水化反應，促使混凝土的內部結構更密實；加速效應是指石灰石粉均勻地分布在水泥附近，其能加速水泥的水化反應，提高混凝土的密實性。 同時，混凝土的抗滲性能、抗凍性能與其自身的密實度呈現出正關聯性，使得混凝土的耐久性提高。

進一步來看，摻加有石灰石粉的混凝土，其自身的加速效應與活性效應并非獨立存在，二者應該是同時出現，但是二者對于混凝土的工作性能影響存在較大的差異性。 舉例說明，一般性的混凝土鋁酸鈣的含量非常少，所以，當混凝土中摻加石灰石粉后，其自身的強度主要受加速效應的影響而增大，但是在這個過程中， 活性效應對混凝土強度的影響基本上可以忽略不計；以鋁酸鈣水泥而言，由于鋁酸鈣的含量非常高，混凝土的強度主要受活性效應的影響， 加速效應對混凝土強度的影響則相對比較低。

5 結語

綜上所述，通過對石灰石粉的最佳摻加量、石灰石粉的細度對混凝土的工作性能造成的影響進行研究、 分析后得出以下結論。

1）在水泥凈漿流動度試驗中，發現當石灰石粉的摻加量達到15%時，漿液的流動性最佳，但是當摻加量超過15%后，漿液的流動性則逐漸降低。 由此可以確定出石灰石粉的最佳摻加量為15%。

2）在石灰石粉細度試驗中，當混凝土中摻加石灰石粉后，混凝土的坍落度及擴展度明顯增大，由此可以斷定石灰石粉的摻加量和細度會對混凝土的坍落度和擴展度造成一定影響。

3）在石灰石粉的摻加量和細度對混凝土強度造成的影響試驗中，發現摻加石灰石粉后，混凝土的抗壓強度降低，但是石灰石粉能夠通過填補空隙、 提高混凝土密實度的方式改善混凝土的強度。