石灰石粉活性及其對混凝土性能的影響

張 迪，楊春景，王建偉

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004 ；2.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心,河南 開封 475004)

0 引 言

“十二五”期間，我國水電項目的布局正逐步向西部地區(qū)的金沙江、大渡河、雅礱江、瀾滄江流域的中上游以及雅魯藏布江流域轉(zhuǎn)移，這些地區(qū)規(guī)模化水電開發(fā)的潛力巨大[1,2]，而當(dāng)?shù)胤勖夯业葌鹘y(tǒng)摻和料短缺，成為限制西部地區(qū)水電開發(fā)的難題之一。石灰石是一種容易得到的廉價材料，骨料的加工過程中也會帶來大量的石灰石粉，若能將石灰石粉作為輔助膠凝材料使用，對解決西部水電工程的原材料短缺問題、降低工程造價和環(huán)保等將具有重大的現(xiàn)實意義。

研究表明，適當(dāng)摻量的石灰石粉可以提高混凝土力學(xué)性能，改善新拌混凝土和易性，提高混凝土抗裂能力[3,4]，但當(dāng)摻量為20%或更高時，混凝土抗壓強度降低[5]。石灰石粉在混凝土中不僅可以起集料微填充作用[6]，而且石灰石粉在水泥水化過程中可起到晶核作用，誘導(dǎo)水泥的水化產(chǎn)物析晶，并且對混凝土的工作性能、力學(xué)性能都有一定影響[7]。然而很少有針對石灰石粉及粉煤灰的活性對比及石灰石粉對混凝土的抗?jié)B、抗凍性能影響的綜合研究。本文擬研究不同比表面積的石灰石粉的活性，探討石灰石粉對水泥水化進程、混凝土抗壓強度和抗?jié)B、抗凍性能的影響。

1 試驗原材料與方法

1.1 原材料

采用華新42.5中熱硅酸鹽水泥，云南宣威I級粉煤灰，石灰石人工骨料及磨細石灰石粉以及江蘇博特高性能減水劑PCA和GYQ引氣劑。石灰石人工砂的細度模數(shù)為2.40，粗骨料的性質(zhì)滿足DL/T 5144-2001《水工混凝土施工規(guī)范》的要求。粉磨石灰石骨料得到兩種不同顆粒級配的石灰石粉，水泥的物理力學(xué)性質(zhì)見表1，粉煤灰的品質(zhì)指標(biāo)見表2，水泥、粉煤灰和石灰石粉的化學(xué)成分見表3，石灰石粉顆粒級配分析結(jié)果見表4。

表1 水泥的物理力學(xué)性能Tab.1 Physical and mechanical properties of cement

注：80 μm篩篩余。

表2 粉煤灰的品質(zhì)指標(biāo)Tab.2 Physical properties of fly ash

表3 原材料化學(xué)成分 %

表4 石灰石粉的粒徑范圍Tab.4 Particle size distribution of limestone powders

1.2 試驗方法

1.2.1水化熱測試

水化熱測試采用美國TA公司生產(chǎn)的TAM Air型水化微量熱儀，該儀器的使用溫度范圍是5～90 ℃，溫度的波動小于±0.02 ℃，精確度小于±20 μW。采用單摻粉煤灰、單摻石灰石粉制得不同膠凝材料體系，測試各種體系凈漿的水化放熱過程，得到水化放熱量曲線，凈漿配比見表5。

表5 摻石灰石粉和粉煤灰凈漿配合比參數(shù)Tab.5 Mix proportions of cement paste mixed with fly ash and limestone powders

1.2.2水泥膠砂試驗

參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行膠砂強度試驗。單摻30%石灰石粉、復(fù)摻10%石灰石粉和20%粉煤灰成型膠砂試件，并與摻Ⅰ級粉煤灰的水泥膠砂強度進行對比，膠砂配比見表6。

表6 摻石灰石粉和粉煤灰砂漿配合比參數(shù)Tab.6 Mix proportions of mortars mixed with limestone powders

1.2.3混凝土試驗

依據(jù)SL352-2006 《水工混凝土試驗規(guī)程》進行混凝土試驗。固定混凝土用水量、砂率，減水劑摻量為0.8%，引氣劑摻量為0.025%，混凝土配合比見表7。到相應(yīng)年齡期后，測試混凝土的抗壓強度、抗凍性能及抗?jié)B性能。

表7 摻石灰石粉混凝土配合比參數(shù)及拌和物性能Tab.7 Mix proportions of concrete mixed with limestone powders

2 結(jié)果與討論

2.1 水化放熱過程

單摻粉煤灰、石灰石粉的膠凝材料體系前4 000 min的水化放熱速率曲線如圖1所示。

圖1 石灰石粉和粉煤灰對水泥水化放熱速率的影響Fig.1 Influence of limestone powder and fly ash on rate of heat evolution of cement pastes (w/c=0.40)

從圖1可以看到石灰石粉和粉煤灰對水泥水化熱的影響主要是在約1 500 min以前。摻入石灰石粉和粉煤灰后，體系最大水化放熱速率峰值出現(xiàn)時間一致，但峰值較基準水泥水化熱的峰值略有降低。此外，單摻不同細度的石灰石粉體系的最大放熱峰峰值較單摻粉煤灰材料體系最大放熱峰峰值略低，表明當(dāng)前細度的石灰石粉的活性要低于I級粉煤灰的活性。

2.2 石灰石粉對膠砂強度的影響

單摻粉煤灰、石灰石粉、復(fù)摻石灰石粉與粉煤灰的膠凝材料體系的膠砂強度試驗結(jié)果見表8，由表8知：各齡期膠砂抗壓強度均隨粉煤灰或石灰石粉摻量增加而降低；當(dāng)單摻30%石粉時，2種石灰石粉膠砂各齡期的抗壓、抗折強度均低于單摻30%粉煤灰的膠砂抗壓、抗折強度，說明I級粉煤灰的活性高于石灰石粉活性；復(fù)摻10%的石灰石粉與20%的粉煤灰體系3、7 d膠砂強度高于單摻粉煤灰體系的3、7 d膠砂強度，而后期強度低于單摻粉煤灰體系的后期強度，說明復(fù)摻20%的粉煤灰和10%的石灰石粉可以改善體系早期抗壓強度。

表8 摻石灰石粉及粉煤灰水泥膠砂強度試驗結(jié)果Tab.8 Compressive strength of mortars mixed with fly ash and limestone powders

2.3 石灰石粉對混凝土抗壓強度的影響

單摻粉煤灰、復(fù)摻石灰石粉與粉煤灰的混凝土抗壓強度試驗結(jié)果見表9，抗壓強度試驗結(jié)果表明：與單摻粉煤灰混凝土相比，以石灰石粉替代部分粉煤灰，混凝土7 d齡期抗壓強度略有提高，但28 d齡期后混凝土抗壓強度降低。

上述膠砂和混凝土抗壓強度結(jié)果表明：在一定摻量范圍內(nèi)，磨細石灰石粉在混凝土中具有微弱的早期增強作用，當(dāng)石灰石粉更細時，增強作用更加明顯。單摻石灰石粉的混凝土后期強度低于單摻I級粉煤灰的混凝土后期強度，且石灰石粉摻加后，混凝土后期抗壓強度有一定程度降低。從石灰石粉的顆粒分析可以看到，石灰石粉平均粒徑小于粉煤灰的顆粒平均粒徑，顆粒分布比粉煤灰顆粒分布更連續(xù)，因此石灰石粉與粉煤灰復(fù)摻后可能起到了改善三元膠凝材料體系顆粒級配，減少膠凝材料孔隙率，增進混凝土勻質(zhì)性的作用，從而提高了混凝土早期強度，但由于石灰石粉活性較差，混凝土后期強度增長有限。

表9 摻石灰石粉混凝土抗壓強度試驗結(jié)果Tab.9 Mechanical properties of concretes mixed with limestone powders

2.4 石灰石粉對抗?jié)B性能和抗凍的影響

石灰石粉混凝土抗?jié)B、抗凍性能試驗結(jié)果見表10。試驗結(jié)果表明，摻石灰石粉對混凝土抗?jié)B、抗凍性能影響不大，在0.8 MPa滲水壓力下，試件滲水高度略有增加，質(zhì)量損失率和相對動彈模損失率略有降低，混凝土抗?jié)B、抗凍性能與單摻粉煤灰混凝土的抗?jié)B、抗凍性能相當(dāng)。

表10 混凝土抗?jié)B、抗凍性能試驗結(jié)果Tab.10 Impermeability and frost resistance results of concretes

3 結(jié) 語

(1)石灰石粉的活性較粉煤灰活性差，摻石灰石粉的水泥水化熱峰值低于同摻量的粉煤灰水泥放熱峰值，且摻石灰石粉水泥膠砂強度低于摻I級粉煤灰的膠砂強度。

(2)在一定摻量范圍內(nèi)，石灰石粉和粉煤灰復(fù)摻可以提高混凝土的早期強度，當(dāng)石灰石粉更細時，增強作用更加明顯。這是由于磨細石灰石粉與粉煤灰復(fù)摻起到了改善三元膠凝材料體系顆粒級配。摻10%的石灰石粉對混凝土的抗?jié)B、抗凍性能沒有明顯影響。

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