磨細石灰石粉高性能混凝土的試驗研究

李可壽 韋波 楊天山 文娟 鄧麗娟*

（1 廣西華宏混凝土有限公司；2 廣西建筑工程質量檢測中心有限公司）

礦物摻合料作為混凝土重要組成部分，隨著綠色高性能混凝土發展得到更廣泛的應用，以活性氧化硅、氧化鋁和其他有效礦物為主要成分的礦粉、粉煤灰需求量越來越大。然而，隨著我國“碳達峰碳中和”政策的實施，煤燃燒發電企業排放的工業“廢渣”——粉煤灰逐漸成為稀缺資源，優質粉煤灰供需關系嚴重失衡，市場出現“假粉煤灰”以次充好，給混凝土質量控制帶來不少的困擾。因此，探討應用來源更充足、質量穩定且具有規模產業的非傳統礦物摻合料代替粉煤灰成為了行業技術人員研究的方向。

石灰石粉是指以一定純度的石灰石為原料，經磨細至規定細度的粉狀材料[1]。石灰石粉作為水泥惰性混合材在國內已經有廣泛的應用。近年來，國內一些學者開始把石灰石粉作為混凝土的混凝土摻合料進行了研究。潘明南等對配制高強高性能混凝土摻入超細石灰石粉的混凝土性能進行了研究[2]，發現磨細石灰石粉以較小的吸水率及非活性混合材的特性對混凝土膠凝材料體系具有良好的分散作用，降低混凝土漿體黏稠度，減少擴展度經時損失，提高保坍性能，改善高強高性能混凝土拌合物的工作性能。王雨利等研究了石粉對機制砂混凝土性能的影響[3]，揭示了石灰石粉在特定摻量下取代活性膠凝材料對混凝土不同齡期強度作用不同，可以提高早期強度但后期略為偏低。

目前，國內外關于石灰石粉在混凝土中的應用研究已有些基礎，但基于廣西材料特征的磨細石灰石粉及其在高性能混凝土性能的影響研究尚未報道。本文主要研究廣西磨細石灰石粉不同取代粉煤灰對高性能混凝土流變性能、力學性能、耐久性能的影響，分析磨細石灰石粉在混凝土中的作用機理，提出在一定細度下石灰石粉的最佳摻入量，為研究磨細石灰石粉高性能混凝土提供理論基礎。

1 試驗

1.1 原材料

符合《南寧市高性能混凝土生產企業評定細則》規定要求，主要技術指標：①水泥（C），華宏P·O42.5 水泥，比表面積≤360m2/kg；②粉煤灰（FA），來賓F 類Ⅱ級粉煤灰，需水量比≤105%、45μm 篩余≤25%；③磨細石灰石粉（LP），武鳴磨細石灰石粉，CaCO3≥80%，比表面積520m2/kg，MB 值0.4；④礦粉（GGBS），防城S95 級礦粉，28 天活性指數98%；⑤砂（S），中砂（偏粗）河卵石機制砂，堅固性≤8%，Mx=3.0；⑥碎石（G），武鳴5～25 連續粒級碎石，堅固性≤8%；⑦減水劑（SP），聚羧酸高性能減水劑，減水率≥25%。

1.2 配合比

磨細石灰石粉按膠凝材料總量0、5%、10%、15%、20%不同摻量取代粉煤灰用量，分別以相同水膠比進行對比研究。磨細石灰石粉配合比見表1。

表1 磨細石灰石粉混凝土配合比

1.3 試驗方法

混凝土拌合物性能按GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行，混凝土抗壓強度按GB/T50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行，電通量試驗按GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行，試件尺寸為Φ 100mm×50mm。

2 試驗結果及分析

2.1 磨細石灰石粉對混凝土拌合物性能的影響

試驗通過改變磨細石灰石粉摻量，研究磨細石灰石粉對高性能混凝土拌合物性能的影響，試驗項目分別為倒坍落度流空時間、坍落度、擴展度及1h 經時損失試驗研究，試驗結果見表2。

表2 磨細石灰石粉混凝土工作性能

從表2 可見，磨細石灰石粉混凝土坍落度、擴展度隨石灰石粉摻量增加呈先增加后降低的趨勢，1h 經時損失試驗呈現同樣趨勢，初始倒坍落度流空時間呈先降低后增加的趨勢，1h 經時損失不同程度的減小，當磨細石灰石粉取代量占膠凝材料總量的15%時，混凝土坍落度、擴展度最大，初始倒坍落度流空時間最小。這說明在相同水膠比、相同減水劑用量情況下，磨細石灰石粉具有減水作用，可有效改善混凝土流動性，同時具有良好的保水、保塑效果。換言之，隨著石灰石粉取代比例的增加，在相同流變性能下可以降低單方混凝土用水量或減水劑用量。當石灰石粉取代比例達到膠凝材料總量的20%時，受混凝土黏聚性增大以及粉煤灰0摻量，混凝土失去粉煤灰的“滾珠效應”的影響，混凝土初始倒坍落度筒流空時間有所延長，混凝土坍落度、擴展度有所減小。

2.2 磨細石灰石粉對混凝土抗壓強度的影響

圖1、圖2 分別顯示了不同摻量磨細石灰石粉混凝土在標準養護條件下3d、7d、28d、56d 混凝土抗壓強度及抗壓強度比試驗結果。

圖1 磨細石灰石粉對混凝土抗壓強度的影響

圖2 磨細石灰石粉不同齡期抗壓強度比

由圖可知，摻磨細石灰石粉高性能混凝土在齡期為3d、7d 時，抗壓強度及抗壓強度比隨磨細石灰石粉摻量增加而增加，28d、56d 隨磨細石灰石粉摻量增加而降低。這說明在磨細石灰石粉影響高性能混凝土早齡期力學性能，比較同等摻量的粉煤灰早期水化速率明顯加快而后期緩慢。當摻量為20%時3d、7d抗壓強度比分別達到設計強度值的81%、106%，同比純摻粉煤灰提高13%、15%；28d、56d 抗壓強度比分別為設計強度值的126%、130%，同比純摻粉煤灰下降1%、10%，同樣說明磨細石灰石粉中部分超細粉參與水化反應而影響混凝土早齡期力學性能。磨細石灰石粉對混凝土抗壓強度的影響與對水化速率影響基本一致，當摻量為20%時3d、7d 抗壓強度高于純粉煤灰混凝土，28d 抗壓強度值基本相當，56d抗壓強度下降的趨勢較為明顯。

2.3 磨細石灰石粉對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

在標準養護條件下，磨細石灰石粉混凝土28d 齡期抗氯離子滲透電通量試驗結果如圖3所示。

圖3 磨細石灰石粉對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

從圖3 可見，在相同水膠比、相同減水劑條件下，混凝土電通量隨著磨細石灰石粉摻量增加呈現先降后升的趨勢，磨細石灰石粉混凝土28 d 電通量均低于基準配合比。當摻量在15%時，混凝土電通量最低，相比基準單摻粉煤灰下降約30%，說明磨細石灰石粉具有良好的填充效應，利于抑制混凝土氯離子擴散；當磨細石灰石粉摻量超過15%時混凝土28 d電通量呈現上升趨勢，這可能是磨細石灰石粉與粉煤灰的顆粒填充效應，以及粉煤灰的火山灰活性效應共同作用，導致無粉煤灰混凝土時，混凝土電通量增大。

3 作用機理

3.1 磨細石灰石粉對混凝土工作性能的影響機理

磨細石灰石粉比表面積為520m2/kg，具有比水泥、礦粉、粉煤灰更小的顆粒，具備良好的填充效應從而改善膠凝材料體系的顆粒級配，降低膠凝材料體系空隙率，減少用水量；其次，磨細石灰石粉與粉煤灰相比致密性更高具有低吸附水和減水劑的特性，在相同水膠比情況下，混凝土流動性更好；再次，磨細石灰石顆粒填充在活性膠凝材料顆粒之間，不參與初期水泥反應起到分散的作用，對水泥的“絮凝結構”有著解絮作用。同時，磨細石灰石粉以石灰巖作為原材料以CaCO3為主要成分，而CaCO3的表面能僅為230×10-7J/cm2，有利于顆粒的分散和填充[4]。磨細石灰石粉填充效應、低吸附特性、分散作用是其具有減水和降低黏性作用的主要原因之一。

3.2 磨細石灰石粉對混凝土強度的影響機理

在原材料品種、規格及技術指標相同條件下，混凝土強度取決于水膠比，用水量越低強度越高。磨細石灰石粉中部分超細顆粒填充在混凝土粉體顆粒級配體系中，優化膠凝材料粉體的顆粒級配，降低空隙率，減少混凝土用水量，提高混凝土漿體密實性，相對粉煤灰而言，對減水劑吸附較少，有利于提高混凝土漿體流動性。換言之在相同混凝土拌合物流動性情況下，磨細石灰石粉混凝土用水量更低從而獲得較高的混凝土抗壓強度。另一方面，磨細石灰石粉在水泥水化時起到微晶核效應，可為水泥漿體提供大量的成核基體，主要是增加水泥漿體中水化硅酸鈣（C-S-H）的成核基體，降低水泥漿體形成晶體的過飽和濃度，促進水化產物不斷向溶液中遷移，誘導水泥的水化產物析晶，這種加速效應在水化早期尤其明顯[5-6]。值得說明的是，石灰石粉并非完全惰性，石灰石粉部分可以與水泥熟料中CA 反應生成碳鋁酸鈣水化物并能穩定存在[7]。磨細石灰石粉的填充效應、活性效應、誘導效應以及低吸附效應是對混凝土強度影響的主要作用機理。

3.3 磨細石灰石粉對混凝土抗氯離子滲透的影響機理

磨細石灰石粉摻入改善了膠凝材料體系的顆粒級配，提高混凝土材料體系的有效堆積，降低膠凝材料體系空隙率，在水泥水化過程中阻止毛細孔的形成，改善混凝土的抗滲性能，降低混凝土電通量。磨細石灰石粉相對粉煤灰具有低吸附效應，在相同混凝土拌合物工作性能下可以減少單方混凝土用水量，降低水膠比、改善漿體流動性同樣利于降低連通空隙率，進而抑制混凝土氯離子滲透。

4 結論

⑴磨細石灰石粉等量取代粉煤灰，相同水膠比情況下，混凝土拌合物坍落度、擴展度隨摻量增加呈先增大后降低，倒坍落度流空時間隨著摻量增加先降低后增加趨勢，磨細石灰石粉對減水劑、拌合水具有低的吸附特性，可以減少混凝土用水量，降低混凝土拌合物粘性。

⑵摻磨細石灰石粉混凝土在齡期為3d、7d 時，抗壓強度及抗壓強度比隨磨細石灰石粉摻量增加而增加，28d、56d 隨磨細石灰石粉摻量增加而降低。磨細石灰石粉在水泥水化時起到微晶核效應，影響混凝土早臨期水化、硬化。

⑶磨細石灰石粉等量取代粉煤灰對混凝土28d 電通量隨著摻量的增加呈現先降后升的趨勢，但氯離子滲透性能仍處于較低水平。

⑷綜合考慮混凝土拌合物流變性能、力學性能和耐久性能，磨細石灰石粉最佳取代量為15%左右。但磨細石灰石粉早期水化速率較快不利于水化熱控制，因此在大體積混凝土使用石灰石粉應加強混凝土早期養護。