淺談石灰石粉對(duì)水泥強(qiáng)度的影響

衛(wèi)春蓮

【摘 要】隨著城市建設(shè)進(jìn)程不斷加快，混凝土的用量逐年增加。水泥作為混凝土的基本組分之一，因其生產(chǎn)過(guò)程的高能耗和高排放，一直控制著混凝土的生產(chǎn)成本，影響混凝土綠色化發(fā)展的進(jìn)程。為了進(jìn)一步降低水泥生產(chǎn)成本且使其更加環(huán)保，利用工業(yè)廢渣和其它新型低成本的混合料——石灰石粉，來(lái)生產(chǎn)少熟料和無(wú)熟料水泥，從而達(dá)到大幅度降低能耗和二氧化碳的排放的目的。本文針對(duì)石灰石粉對(duì)水泥強(qiáng)度的影響進(jìn)行了分析研究。

【關(guān)鍵詞】石灰石粉；水泥；強(qiáng)度；環(huán)保

強(qiáng)度是衡量混凝土質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一。與許多其他材料一樣，在水泥基材料諸性能中，傳統(tǒng)上都將強(qiáng)度放在首位。而水泥強(qiáng)度則是指水泥試塊在單位面積上所能承受的外力，它是水泥力學(xué)性能的主要指標(biāo)。石灰石粉對(duì)混凝土性能特別是強(qiáng)度的影響，主要通過(guò)三大效應(yīng)來(lái)表現(xiàn)，即加速水化效應(yīng)、活性效應(yīng)和顆粒形貌效應(yīng)。其中加速水化效應(yīng)和活性效應(yīng)的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在早期，顆粒形貌效應(yīng)中的形態(tài)效應(yīng)對(duì)混凝土拌合物的流動(dòng)性和保水性等產(chǎn)生影響，填充效應(yīng)會(huì)對(duì)粉體材料的堆積密度產(chǎn)生影響，從而影響混凝土拌合物的流動(dòng)性、密實(shí)度，表現(xiàn)為對(duì)孔隙率和強(qiáng)度的影響。石灰石粉的加速水化效應(yīng)由其顆粒大小決定，細(xì)顆粒越多，加速水化效應(yīng)越明顯；活性效應(yīng)除了與顆粒大小有關(guān)以外更主要受其成分影響；顆粒形貌效應(yīng)則主要受其顆粒大小影響。這三大效應(yīng)的直接表現(xiàn)是混凝土強(qiáng)度的變化。石灰石粉的細(xì)度和摻量將直接影響其三大效應(yīng)的發(fā)揮，從而對(duì)混凝土強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生影響。因此，我們首先研究石灰石粉摻量對(duì)水泥強(qiáng)度的影響。

一、石灰石粉摻量對(duì)水泥強(qiáng)度的影響

國(guó)內(nèi)外將石灰石粉應(yīng)用于混凝土的方式主要有三種：一是石灰石粉取代部分細(xì)骨料；二是石灰石粉外摻；三是石灰石粉取代部分水泥單摻或復(fù)摻。許多學(xué)者研究了石灰石粉不同的應(yīng)用方式、摻量和細(xì)度對(duì)混凝土性能的影響，一般認(rèn)為，石灰石粉對(duì)混凝土性能的影響主要與其加速水化效應(yīng)、活性效應(yīng)和顆粒形貌效應(yīng)有關(guān)。

（1）石灰石粉取代部分細(xì)骨料的方式

以往在國(guó)內(nèi)外大多數(shù)水利工程建設(shè)中，都把混凝土細(xì)骨料中0.075-0.16mm的微粒沖洗掉，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。研究表明，人工砂中含有適量的石灰石粉微細(xì)顆?？梢栽黾幽雺夯炷恋拿軐?shí)性和可碾性，對(duì)碾壓混凝土的性能有一定程度的改善作用，還可以降低工程造價(jià)。適宜的石灰石粉含量能改善碾壓混凝土的拌合性能，提高拌合物的粘聚性、抗分離性，降低混凝土的孔隙率，提高碾壓混凝土的密實(shí)性、抗?jié)B性，有利于提高碾壓混凝土的振動(dòng)液化效果，并且能提高碾壓混凝土的強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)：人工砂中的石灰石粉含量在24%以內(nèi)時(shí)，其含量越高，混凝土強(qiáng)度越高，抗凍性和抗?jié)B性越好；含有石灰石粉的石屑混凝土收縮變形、抗碳化和鋼筋抗銹蝕能力與普通混凝土相當(dāng)。外摻石灰石粉可以增大混凝土的流動(dòng)性，延緩混凝土的坍落度損失，減小混凝土的含氣量和泌水率，但不影響混凝土的凝結(jié)時(shí)間，在摻量合理的情況下能夠提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。在混凝土中不替代水泥摻加石灰石粉，隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土坍落度的經(jīng)時(shí)損失增大；隨著石灰石粉摻量和比表面積的增大，混凝土的抗折強(qiáng)度明顯增高；摻量為15%的石灰石粉混凝土比普通混凝土具有更大的劈裂抗拉強(qiáng)度。

（2）石灰石粉外摻的方式

石灰石粉作為摻合料的研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)石灰石粉取代30%水泥的膠砂和混凝土?xí)r，比表面積越大的石灰石粉，需水量越大，膠砂流動(dòng)度越低；顆粒較粗的石灰石粉配制的混凝土的流動(dòng)性較好；在減水劑及水化作用相同條件下，石灰石粉作摻合料配制的混凝土工作性能介于II級(jí)粉煤灰與III級(jí)粉煤灰摻合料之間，與粉煤灰相比，石灰石粉配制的混凝土泌水率小，初凝及終凝時(shí)間較短。石灰石粉取代水泥能明顯改善混凝土的流動(dòng)性、保水性和抗離析性，提高混凝土的早期強(qiáng)度，但摻量提高后對(duì)后期強(qiáng)度不利，石灰石粉混凝土其抗氯離子滲透能力小于粉煤灰混凝土，自收縮明顯低于粉煤灰混凝土。

（3）石灰石粉取代部分水泥單摻或復(fù)摻的方式

研究發(fā)現(xiàn)，用石灰石粉取代25%的粉煤灰的混凝土?xí)r，粉煤灰和石灰石粉復(fù)摻對(duì)碾壓混凝土的VC值影響不大，而抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗?jié)B性能均能得到保證；而石灰石粉和鈦礦渣粉復(fù)摻，當(dāng)石灰石粉摻量為10%，鈦礦渣粉摻量為20%時(shí)，能夠配制出工作性和強(qiáng)度均優(yōu)于不摻摻合料的高強(qiáng)高性能混凝土；在保證混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)的情況下，石灰石粉和鈦礦渣粉的取代率甚至能達(dá)到40%。石灰石粉和鋰渣復(fù)摻，鋰渣固定摻量15%，當(dāng)石灰石粉摻量在20%以上時(shí)，能夠改善混凝土的工作性，但混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢，后期強(qiáng)度與不摻摻合料的混凝土相當(dāng)；鋰渣固定摻量15%，石灰石粉摻量30%時(shí)仍能制備出高強(qiáng)高性能自密實(shí)混凝土。質(zhì)量良好的石灰石粉應(yīng)用于混凝土中不僅可以節(jié)約水泥熟料用量，而且可以降低混凝土水化熱，極大地改善混凝土的性能，提高混凝土建設(shè)工程的質(zhì)量，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

二、石灰石粉細(xì)度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

如前所述，石灰石粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響主要通過(guò)三大效應(yīng)來(lái)表現(xiàn)，其中加速水化效應(yīng)和活性效應(yīng)主要表現(xiàn)在早期。加速水化效應(yīng)中，石灰石粉充當(dāng)了成核基體，等質(zhì)量的石灰石粉細(xì)度越大，顆粒含量越多，能提供的成核基體也越多，因此加速水化效應(yīng)越明顯，早期強(qiáng)度越高。28天時(shí)，大部分水泥水化完成，但石灰石粉的活性效應(yīng)還沒(méi)有完全發(fā)揮，石灰石粉取代了水泥，實(shí)際上是增大了有效水灰比，因此石灰石粉混凝土28天抗壓強(qiáng)度要低于普通混凝土。28天后，細(xì)度對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)將不再起主導(dǎo)作用，甚至可以忽略不計(jì)。隨著細(xì)度的增大，其比表面積越大，漿體含量增加，包裹粉體材料的水膜將減少，由此表現(xiàn)為，混凝土坍落度的增大和漿體流動(dòng)性的減小，集料表面的空隙將無(wú)法填充，過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度削弱，當(dāng)細(xì)度達(dá)到一定值時(shí)，直接影響到后期強(qiáng)度發(fā)展。研究表明，石灰石粉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要是對(duì)早期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，當(dāng)摻量相同時(shí)，顆粒越細(xì)其顆粒含量越多，能提供的成核基體越多，加速水化效應(yīng)和活性效應(yīng)越明顯，填充效應(yīng)也越顯著，因此對(duì)早期強(qiáng)度越有利。當(dāng)細(xì)度不大于LP2等級(jí)時(shí)，石灰石粉對(duì)后期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也較大，細(xì)度為L(zhǎng)P3等級(jí)對(duì)后期強(qiáng)度不利。細(xì)度為L(zhǎng)P2等級(jí)的石灰石粉對(duì)混凝土的劈裂抗拉能力最有利。相對(duì)于其他兩個(gè)等級(jí)的石灰石粉而言，采用LP2等級(jí)的石灰石粉將能保證混凝土各齡期的強(qiáng)度要求。

石灰石粉的細(xì)粉含量要大于水泥，用部分石灰石粉取代水泥，將能使水泥的顆粒級(jí)配得到改善，使粉體材料更密實(shí)，因此對(duì)水泥基材料的性能產(chǎn)生有利影響。但是當(dāng)摻量過(guò)大時(shí)，細(xì)粉含量過(guò)大，會(huì)得到適得其反的效果。無(wú)論是石灰石粉的加速水化效應(yīng)還是活性效應(yīng)，水泥都是反應(yīng)物之一，因此，石灰石粉的加速水化效應(yīng)和活性效應(yīng)與水泥的量存在一個(gè)最佳的比例關(guān)系，小于這個(gè)比例，石灰石粉的加速水化效應(yīng)和活性效應(yīng)并不能完全發(fā)揮，但是由于水泥的量充足，因此對(duì)水泥基材料的性能不會(huì)產(chǎn)生不利影響；大于這個(gè)比例，盡管石灰石粉的加速水化效應(yīng)和活性效應(yīng)可以充分發(fā)揮，但是反應(yīng)物水泥不足，多余的石灰石粉不能水化，從而對(duì)水泥基材料的性能產(chǎn)生不利影響。

三、結(jié)語(yǔ)

水泥是建筑工業(yè)三大基礎(chǔ)材料之一，可廣泛用于民用、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利、交通和軍事等工程。同時(shí)，水泥工業(yè)是C02的排放大戶，其排放量占人類活動(dòng)制造的C02總量的5%，包括中國(guó)在內(nèi)的全球水泥工業(yè)在未來(lái)生存和發(fā)展中必須解決減排C02的課題。因此，在未來(lái)的水泥工業(yè)發(fā)展的道路上，必須加快建設(shè)節(jié)能減排技改項(xiàng)目，不斷提高管理水平，對(duì)水泥工業(yè)不斷實(shí)施以節(jié)能、降耗、環(huán)保、資源綜合利用為目的的技術(shù)改造。