石灰石粉替代粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用

王瑞，趙永寧，王帥，段成博

（寧夏錦泰鴻業(yè)商砼有限公司研發(fā)中心，寧夏 銀川 750200）

石灰石粉替代粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用

王瑞，趙永寧，王帥，段成博

（寧夏錦泰鴻業(yè)商砼有限公司研發(fā)中心，寧夏 銀川 750200）

本文試驗(yàn)了用石灰石粉以不同摻量替代粉煤灰對(duì)混凝土工作性、力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：石灰石粉適當(dāng)?shù)奶娲勖夯以诨炷林袘?yīng)用時(shí)，能夠改善混凝土的和易性、工作性，降低混凝土坍落度損失，力學(xué)性能得到提高，改善了混凝土密實(shí)性及耐久性。應(yīng)用于高強(qiáng)度混凝土?xí)r，石灰石粉與粉煤灰復(fù)摻使用可以降低混凝土的粘聚性，提高混凝土的流動(dòng)性。

石灰石粉；工作性；耐久性；混凝土

0 前言

隨著現(xiàn)代工程建筑的發(fā)展，人們對(duì)混凝土的性能和質(zhì)量不斷地提出了新的、更高的技術(shù)要求，伴隨著外加劑在混凝土工程上普遍應(yīng)用以后，人們開始把目光投向礦物摻合料，作為現(xiàn)代混凝土的重要原材料，改善混凝土各項(xiàng)性能的同時(shí)也降低了成本，減少了對(duì)環(huán)境的污染，為綠色高性能混凝土這一發(fā)展方向做出巨大貢獻(xiàn)。日益在國(guó)內(nèi)外材料與工程界引起廣泛的關(guān)注與重視，甚至將之稱為混凝土的第六組分，成為當(dāng)今混凝土技術(shù)進(jìn)步的重要途徑和措施。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)和長(zhǎng)期在生產(chǎn)中的應(yīng)用，參考不同使用者和研究者對(duì)石灰石粉混凝土數(shù)據(jù)結(jié)果不同的原因，通過(guò)石灰石粉與其他礦物摻合料復(fù)摻的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單總結(jié)石灰石粉對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響。

1 材料的質(zhì)量與地區(qū)差異

西部大開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，寧夏加大了對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的投資和建設(shè)質(zhì)量管理力度，煤炭資源在寧夏有著相當(dāng)大的儲(chǔ)量且煤質(zhì)較好，為混凝土提供大量質(zhì)量?jī)?yōu)良價(jià)格低廉的粉煤灰資源。但是，混凝土企業(yè)過(guò)快的發(fā)展步伐打亂了現(xiàn)有粉煤灰市場(chǎng)，粉煤灰質(zhì)量不穩(wěn)定、波動(dòng)大，如細(xì)度、需水比、燒失量、活性指數(shù)及拌合物性能均受到很大影響。近些年來(lái)，隨著水利、交通及各類民用設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展，粉煤灰逐漸面臨資源緊缺、運(yùn)輸距離遠(yuǎn)等問(wèn)題，這必然會(huì)大大提高混凝土的成本、增加工程造價(jià)。因此，非常需要找到一種容易獲取且質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的新型輔助礦物摻合料。

石灰石粉是石灰?guī)r經(jīng)機(jī)械加工后顆粒小于 0.16mm 的微細(xì)粉體，其化學(xué)成分以 CaCO3為主，最早作為一種廉價(jià)的添加物而曾經(jīng)為不法分子利用來(lái)謀取暴利，但是隨著人們經(jīng)過(guò)科學(xué)的試驗(yàn)驗(yàn)證，作為一種惰性摻合料在水泥基材料中起到的功能協(xié)同效應(yīng)逐漸改變了人們對(duì)其惰性觀點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。近年來(lái)，混凝土技術(shù)從普通混凝土向綠色高性能混凝土邁進(jìn)，但是原材料資源日趨匱乏，質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由于它具有比熟料易磨性好的優(yōu)點(diǎn)，合理的與粉煤灰、硅灰復(fù)摻在水泥體系中能改善整個(gè)體系級(jí)配，降低水泥用量，在應(yīng)用過(guò)程中由于其需水比相對(duì)粉煤灰較低，還有因?yàn)槠湓缙诘乃栊?，?dǎo)致整個(gè)水泥水化體系往往處于一種比較遲鈍的狀態(tài)，從而有效地避免了水化熱導(dǎo)致的質(zhì)量問(wèn)題。因此，從混凝土材料系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)的話，石灰石這種傳統(tǒng)的惰性材料應(yīng)該越來(lái)越多的被混凝土摻合料技術(shù)所利用。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料

水泥：寧夏瀛海天琛建材有限公司瀛海牌 P·O42.5R水泥，3d 水泥強(qiáng)度 27.8MPa；28d 水泥強(qiáng)度 50.6MPa。

粉煤灰：寧夏青鋁自備電廠I級(jí)灰，45μm 方孔篩篩余11%，燒失量 4.69%。

石灰石粉：阿拉善左旗鑫磊石料廠石灰石粉，比表面積700m3/kg，45μm 方孔篩篩余 2.1%。

粗骨料：阿拉善左旗鑫磊石料廠 5～25mm 碎石，含泥量0.6%，壓碎指標(biāo)值 9.8%。

細(xì)骨料：青銅峽恒源砂廠生產(chǎn)。水洗砂：細(xì)度模數(shù) 2.7，Ⅱ 區(qū)級(jí)配，含泥量 2.7%；天然砂：細(xì)度模數(shù) 2.2，Ⅱ 區(qū)級(jí)配，含泥量 3.9%。

減水劑：寧夏潤(rùn)維聚羧酸高性能減水劑，減水率28.7%，含固量 12%。

水：市政自來(lái)水。

石灰石粉質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)有：第一、細(xì)度，用負(fù)壓篩或勃氏比表面積儀測(cè)出；第二、石灰石粉中碳酸鈣和氧化鈣的含量，（1）測(cè)定燒失量來(lái)體現(xiàn)碳酸鈣的純度，（2）在石灰石粉中加入過(guò)量的已知濃度的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，充分反應(yīng)后，稱量未反應(yīng)的物質(zhì)的質(zhì)量來(lái)計(jì)算碳酸鈣的純度。石灰石粉化學(xué)成分分析見表 1。

表 1 石灰石粉化學(xué)分析 %

表 2 礦物摻合料物理性能

2.2 試驗(yàn)方法

水泥：按 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》、GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》、GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。

摻合料：按 GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》、JGJ/T 318—2014《石灰石粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。

砂及碎石：JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。

外加劑：按 GB 8076—2008《混凝土外加劑》、GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》、GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。

混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)：根據(jù) GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。

混凝土拌合物性能試驗(yàn)：根據(jù) GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。

混凝土耐久性能試驗(yàn)：GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》、JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 石灰石粉取代粉煤灰對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響

根據(jù) GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》與 GB/T 18736—2002《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》中對(duì)各礦物摻合料活性和水泥膠砂強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，用石灰石粉以 5%、10%、15%、20% 取代粉煤灰復(fù)摻的方法檢驗(yàn)水泥膠砂強(qiáng)度的變化，結(jié)果見表 3。

結(jié)果顯示，在膠砂體系中，采用 45μm 方孔篩篩余小于12% 的石灰石粉，以水泥質(zhì)量 5%、10%、15%、20% 取代粉煤灰復(fù)摻時(shí)，水泥漿體和水泥膠砂試件強(qiáng)度在復(fù)摻試驗(yàn)中比單摻粉煤灰時(shí)效果好，石灰石粉的活性指數(shù)及水泥的強(qiáng)度貢獻(xiàn)隨之提高，對(duì)體系發(fā)揮積極作用，膠砂強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)。當(dāng)石灰石粉摻量大于 20%時(shí)，膠砂強(qiáng)度隨之降低。

表 3 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 石灰石粉取代粉煤灰對(duì)混凝土工作性的影響

設(shè)計(jì)混凝土配合比，為了滿足當(dāng)前建筑物、構(gòu)筑物設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求，分別檢測(cè)普通、中等、高強(qiáng)度等級(jí)（C30、C40、C50）混凝土中石灰石粉取代粉煤灰后混凝土的工作性能。試驗(yàn)時(shí)按照設(shè)計(jì)配合比制成 (100×100×100)mm 的立方體試塊做立方體抗壓試驗(yàn)；測(cè)定初始坍落度、1h 坍落度損失、擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度，并觀察混凝土拌合物的和易性、工作性，混凝土試驗(yàn)配合比和結(jié)果見表 4。

表 4 混凝土試驗(yàn)配合比及結(jié)果

從表 4 的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，混凝土拌合物的擴(kuò)展度都在 510mm 以上，說(shuō)明拌合物的和易性都較好，沒有摻石灰石粉的混凝土經(jīng)時(shí)損失較大，用石灰石粉取代粉煤灰后拌合物的初始坍落度值增大，經(jīng)時(shí)損失減小，隨著取代石灰石粉摻量的增加混凝土的工作性、和易性得到提高。石灰石粉適量取代粉煤灰能夠避免其質(zhì)量不穩(wěn)定對(duì)混凝土拌合物性能的影響，改善混凝土工作性的同時(shí)，使混凝土和易性得到了改善（流動(dòng)性、保水性、粘聚性均增加）。

3.3 石灰石粉取代粉煤灰對(duì)混凝土表觀密度的影響

通過(guò)表 4 的試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)混凝土拌合物的和易性、工作性及 7d、28d 強(qiáng)度，使混凝土配合比滿足綠色高性能，調(diào)整混凝土配合比（表 5），用質(zhì)量法假定 C30 表觀密度為2370kg/ m3、C40 表觀密度為 2385kg/ m3、C50 表觀密度為2400kg/ m3 檢測(cè)混凝土表觀密度及強(qiáng)度。

表 5 混凝土調(diào)整配合比 kg/ m3

從表 5 中可見，通過(guò)容重法計(jì)算調(diào)整的配合比與混凝土拌合物的表觀密度實(shí)測(cè)值有一定的差異，隨著石灰石粉摻量的增加，拌合物表觀密度逐漸增加，混凝土試件(100×100×100)mm 的單塊質(zhì)量也隨之提高，說(shuō)明混凝土密實(shí)度得到了改善，增加其密實(shí)性與耐久性。

3.4 石灰石粉取代粉煤灰對(duì)不同結(jié)構(gòu)部位混凝土的影響

根據(jù)本地區(qū)材料的質(zhì)量、成本及混凝土建筑物、構(gòu)筑物的特點(diǎn)，應(yīng)用于不同的結(jié)構(gòu)部位，設(shè)計(jì)混凝土配合比。以C20（墊層、CFG 樁、基礎(chǔ)、其他部位等）、C25（梁板梯柱、路面、基礎(chǔ)、其他部位等）、C30（梁板梯柱、路面、基礎(chǔ)、其他部位等）強(qiáng)度等級(jí)為例，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位以水泥 10%～15% 的摻量用石灰石粉取代粉煤灰，在工程實(shí)體中應(yīng)用。觀察其在運(yùn)輸、泵送、振搗及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中混凝土性能及實(shí)體結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度等變化。各強(qiáng)度等級(jí)混凝土調(diào)整配合比及混凝土性能結(jié)果見表 6。

根據(jù)表 6，在同期實(shí)際工程的應(yīng)用中，單摻粉煤灰混凝土在和易性和工作性方面都略低于復(fù)摻石灰石粉混凝土。在同樣的施工工藝下，混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)的感觀要優(yōu)于粉煤灰混凝土，混凝土出現(xiàn)質(zhì)量缺陷的機(jī)率比同時(shí)期粉煤灰混凝土要少。但是在路面、特殊環(huán)境等混凝土工程中，石灰石粉取代粉煤灰這一技術(shù)還需要大量的試驗(yàn)和工程中的應(yīng)用來(lái)驗(yàn)證。參照本地區(qū)材料質(zhì)量、價(jià)格差異及成本（石灰石粉價(jià)格略高于粉煤灰），考慮到低強(qiáng)度等級(jí)混凝土（如 C20 及以下強(qiáng)度）使用結(jié)構(gòu)部位的非重要性及成本問(wèn)題，合理使用石灰石粉取代粉煤灰，緩解了近年來(lái)礦物摻合料供應(yīng)緊張這一不利局面，結(jié)合地區(qū)混凝土現(xiàn)狀和工程特點(diǎn)，以保證質(zhì)量，降低成本為原則，使現(xiàn)代混凝土工程更綠色、更耐久。

表 6 混凝土調(diào)整配合比 kg/ m3

4 結(jié)論

試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）利用石灰石粉比表面積大于粉煤灰這一特點(diǎn)，應(yīng)用在混凝土中具有良好的填充效應(yīng)和微集料效應(yīng)，需水比相比粉煤灰較小，可與其他礦物摻合料復(fù)摻使用。相當(dāng)于水泥10%～15% 摻量的石灰石粉取代粉煤灰與粉煤灰復(fù)摻可以有效的提高混凝土早期強(qiáng)度與后期強(qiáng)度，摻量大于 20% 時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

（2）合理選擇石灰石粉摻量取代粉煤灰可以減小混凝土的坍落度損失，提高混凝土和易性與密實(shí)性，減少混凝土的質(zhì)量缺陷，改善混凝土工作性、耐久性及工程實(shí)體感觀，同時(shí)彌補(bǔ)了粉煤灰以次充好、供應(yīng)不足的局面，同時(shí)降低了成本，有利于廢棄資源的合理利用，減少環(huán)境污染。

（3）根據(jù)現(xiàn)代混凝土工程的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)需要，改變傳統(tǒng)觀念和思維方法，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)部位調(diào)整配合比及礦物摻合料用量和用法，使礦物摻合料從低強(qiáng)度到高強(qiáng)度由用法單一向雙摻、多摻礦物摻合料過(guò)渡，改變礦物摻合料不被重視的問(wèn)題。

（4）石灰石粉作為一種低活性礦物摻合料，利用其惰性材料的特點(diǎn)適量取代粉煤灰可以降低水化熱，減緩水化熱放熱峰值，減小溫度應(yīng)力，改善混凝土早期開裂現(xiàn)象，混凝土水泥水化過(guò)程中處于一種遲鈍的狀態(tài)，從而避免因水化熱導(dǎo)致的質(zhì)量問(wèn)題。

（5）我公司通過(guò)試驗(yàn)合理的選擇石灰石粉的摻量和降低水膠比，可以提高混凝土和易性、工作性及施工效率，對(duì)石灰石粉這一新興礦物摻合料的使用起到了推動(dòng)作用。在以保證質(zhì)量，降低成本為原則的質(zhì)量方針下，即使混凝土達(dá)到最小水膠比、最小水泥用量、最大礦物摻合料，又降低了工程造價(jià)和能源消耗。

[1] 吳中偉，廉慧珍．高性能混凝土[M]．中國(guó)鐵道出版社，1999.9．

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[3] 馮桂云，曹雙梅，吳江源．石灰石粉取代粉煤灰在泵送混凝土中的試驗(yàn)研究[J]．混凝土與水泥制品，2012.12: 80-82．

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[5] 金勇剛．石灰石粉—粉煤灰—水泥膠凝材料性能的研究[D]．中南大學(xué)，2011．

［通訊地址］寧夏回族自治區(qū)銀川市德勝工業(yè)園區(qū)新勝東路寧夏錦泰鴻業(yè)商砼有限公司研發(fā)中心（750200）

王瑞（1986—），男，工程師，長(zhǎng)期從事混凝土技術(shù)工作。