預(yù)拌混凝土中石灰石粉替代粉煤灰的配合比試驗研究

劉桂平

(江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計院,江西 南昌 330024)

1 引言

隨著混凝土的多元化發(fā)展,對礦物摻合料的需求日益增長。目前我國的粉煤灰、磨細(xì)礦粉等礦物摻合料供應(yīng)日益緊張,價格不斷上漲[1]。因此在利益的驅(qū)動下,粉煤灰供應(yīng)商銷售的粉煤灰存在以次充好、以假亂真的行為。石灰石粉是一種容易得到且廉價的材料,骨料的加工過程中也會帶來大量石粉,如果不加以利用不僅要占用場地堆放而且會對環(huán)境造成污染。如果能將其稍作加工,作為摻合料使用替代日益緊缺的粉煤灰對于解決實際工程的原材料緊缺問題,降低工程造價和環(huán)保等將具有重大的現(xiàn)實意義[2]。

近年來,國內(nèi)研究人員已經(jīng)開展了石灰石粉在混凝土中的應(yīng)用研究。陳劍雄等人的研究表明石灰石粉取代5%～10%水泥后,混凝土的早期強(qiáng)度顯著提高,后期強(qiáng)度也發(fā)展良好。摻量超過20%時對混凝土強(qiáng)度發(fā)展不利,尤其達(dá)到30%時強(qiáng)度顯著降低[3]。周金鐘等[4]認(rèn)為,石灰石粉可代替粉煤灰作摻合料使用,但代替礦粉時,混凝土強(qiáng)度有不同程度的降低。大量的實驗研究表明,石灰石粉部分取代水泥,混凝土拌和物坍落度增加且經(jīng)時損失減小[5]。當(dāng)不取代水泥時,則隨摻量的增加,坍落度經(jīng)時損失增大。目前針對石灰石粉應(yīng)用于混凝土的研究,研究較多的是取代水泥的相關(guān)研究,而替代預(yù)拌混凝土中粉煤灰應(yīng)用研究并不多。

本文針對江西省贛南地區(qū)缺乏Ⅱ級粉煤灰的現(xiàn)實情況,探究石灰石粉應(yīng)用于預(yù)拌混凝土中的可行性,采用當(dāng)?shù)卦牧霞肮こ坛Ｓ门浜媳?開展石灰石粉替代粉煤灰的配合比應(yīng)用研究,為石灰石粉的推廣應(yīng)用以及混凝土企業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)、降本增效提供試驗依據(jù)。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

(1)水泥：江西贛州萬年青水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5級普通硅酸鹽水泥。

(2)礦粉：新余中治環(huán)保資源開發(fā)有限公司S95級粒化高爐礦渣粉,密度2.86g/cm3,比表面積420m2/kg,28d活性指數(shù)97%,流動度比100%。

(3)粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰,45μm篩余18.5%,需水量比100%。

(4)礦粉：比表面積440m2/kg,流動度比100%,28d活性指數(shù)98%。

(5)骨料：粗骨料,小石5～16mm連續(xù)級配碎石,大石10～31.5mm連續(xù)級配碎石；細(xì)骨料,河砂細(xì)度模數(shù)2.6,中砂。

外加劑和水：外加劑為聚羧酸緩凝高性能減水劑,含固量10%,減水率25%；水為飲用自來水。

(6)石灰石粉：江西贛州萬年青水泥有限公司生產(chǎn)的石灰石微粉,比表面積為650m2/kg,亞甲基藍(lán)值MB為0.50g/kg,28d活性指數(shù)67%,其顆粒粒度分布見圖1。以上可知,該石灰石粉為超細(xì)石灰石粉,10μm以下顆粒含量達(dá)50%左右,MB值低,對外加劑的吸附性較小。

圖1 石灰石粉的顆粒粒度分布

2.2 試驗方法

(1)混凝土的擴(kuò)展度、1h坍落度經(jīng)時損失和抗壓強(qiáng)度試驗

本試驗中,通過固定外加劑摻量,控制混凝土的初始坍落度在210±10mm來確定不同配合比混凝土的用水量,擴(kuò)展度、1h坍落度經(jīng)時損失參照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗；混凝土的強(qiáng)度參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

2.3 試驗配合比

(1)C25配合比

表2-1 混凝土配合比參數(shù)(kg/m3)

(2)C30配合比

表2-2 混凝土配合比參數(shù)(kg/m3)

備注：“-”表示試驗組的用水量以混凝土拌合物坍落度達(dá)到210±10mm來確定。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

(1)石灰石粉對混凝土拌合物需水量、性能及抗壓強(qiáng)度的影響

由下表3-1可知,不同強(qiáng)度等級摻石灰石粉的混凝土,相比于摻粉煤灰的基準(zhǔn)混凝土其單方用水量均有一定降低,單方用水量最大可減少5kg左右,石灰石粉混凝土的擴(kuò)展度幾乎都大于基準(zhǔn)混凝土,1h坍落度經(jīng)時損失均大于基準(zhǔn)混凝土,石灰石粉混凝土7d抗壓強(qiáng)度均略大于基準(zhǔn)混凝土,28d抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土略低,但基本上與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。

表3-1 混凝土拌合物用水量、性能及抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果

3.2 討論分析

本文試驗結(jié)果可能的原因是由于石灰石粉對水和外加劑的吸附相對于粉煤灰要小很多,因此在固定外加劑摻量不變,達(dá)到相同初始坍落度時,石灰石粉混凝土的用水量會有不同程度的降低,而對于1h坍落度經(jīng)時損失,摻石灰石粉的混凝土均有不同程度的增大,這可能是因為一方面用水量降低了,另一方面石灰石粉促進(jìn)了水泥C3S的早期水化[6],進(jìn)一步消耗了自由水,生成了更多的水化產(chǎn)物,水化產(chǎn)物的空間網(wǎng)絡(luò)體搭接的更加牢固,同時一定程度上增加了對外加劑的吸附；另外,由于本試驗所用石灰石粉屬于超細(xì)粉體,小于10μm的顆粒含量高達(dá)50%,這些細(xì)顆粒不僅能夠很好的填充水泥、礦粉顆粒之間的間隙,改善膠凝材料的顆粒級配,釋放膠凝材料顆粒之間的間隙水,大幅提高混凝土的密實度。而且其主要化學(xué)成分CaCO3也促進(jìn)了水泥中C3S的早期水化,同時CaCO3周圍形成的結(jié)晶新相,改善了CaCO3與硬化水泥漿體的界面結(jié)構(gòu),使界面更致密,因此石灰石粉混凝土的早期7d強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)混凝土；但是石灰石粉是一般認(rèn)為是惰性材料,其加入使得整個硬化漿體體系的膠凝材料減少,石灰石粉的加入也增大了實際有效的水灰比,一方面在早期加速水化速率,提高了水化程度,另一方面卻增加了毛細(xì)孔的含量[7],因此導(dǎo)致28d抗壓強(qiáng)度略有降低。

4 結(jié)論

(1)在保持混凝土坍落度相近的情況下,石灰石粉替代預(yù)拌混凝土中的粉煤灰,C25和C30石灰石粉混凝土的單方用水量可降低5kg左右,且混凝土的工作性能更好,但1h坍落度經(jīng)時損失均大于基準(zhǔn)混凝土。

(2)通過調(diào)整膠凝材料組成比例和砂率,石灰石粉混凝土的7d強(qiáng)度均略大于基準(zhǔn)混凝土,28d強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng),且均能達(dá)到不同強(qiáng)度等級混凝土的強(qiáng)度設(shè)計要求。

(3)石灰石粉是一種新型廉價的綠色礦物摻合料,能夠很好地解決贛南地區(qū)預(yù)拌混凝土用粉煤灰資源短缺和價格上漲的局面。

[1]趙海紅.石粉作礦物摻合料的研究[D].重慶：重慶大學(xué),2013．

[2]劉數(shù)華,閻培渝.石灰石粉在復(fù)合膠凝材料水化中的作用機(jī)理[J].硅酸鹽學(xué)報,2008(10)：1401-1405．

[3]陳劍雄,李鴻芳,陳寒斌.石灰石粉超高強(qiáng)高性能混凝土性能研究[J].施工技術(shù),2005,34(4)：27．

[4]周金鐘,鄭廣軍,等.石灰石粉在普通混凝土中的應(yīng)用研究[J].建筑節(jié)能,2009,37(6)：31-34．

[5]陳劍雄,崔洪濤,陳寒斌,肖斐.摻入超細(xì)石灰石粉的混凝土性能研究[J].施工技術(shù),2004,33(4)：39．

[6]郭育霞,貢金鑫,李晶.石粉摻量對混凝土力學(xué)性能及耐久性的影響[J].建筑材料學(xué)報,2009,12(3)：266-271．

[7]V.Bonavetti,H.Donza,G.Mene′ndez,O.Cabrera,E.F.Irassar.Limestone filler cement in low w/c concrete∶Arational use of energy[J].Cement and Concrete Res,2003,33∶865-871．