石灰石粉混凝土的工作性能和力學(xué)性能試驗(yàn)研究

王章力，張全貴

(1.北京恒坤混凝土有限公司,北京 100102；2.北京金隅混凝土有限公司,北京 100165)

前言

石灰石作為重要的建筑材料有著悠久的開(kāi)采歷史,在現(xiàn)代工業(yè)中是制造水泥、石灰、機(jī)制砂的主要原料,是冶金工業(yè)中不可缺少的熔劑灰?guī)r,優(yōu)質(zhì)石灰石經(jīng)超細(xì)粉磨后,被廣泛應(yīng)用于造紙、橡膠、油漆、涂料、醫(yī)藥、化妝品、飼料、密封、粘結(jié)、拋光等產(chǎn)品的制造中。

石灰石粉最主要的應(yīng)用是在水泥生產(chǎn)領(lǐng)域,在水泥熟料的生產(chǎn)過(guò)程中石灰石粉是不可或缺的原料之一；在熟料燒成后,粉磨成水泥的過(guò)程中,往往要加入一定量的石灰石粉,這時(shí)石灰石粉是作為一種水泥混合材使用的。這在水泥生產(chǎn)中為水泥工業(yè)增加產(chǎn)量,降低消耗,節(jié)約資源和能源,減少環(huán)境污染等方面均發(fā)揮了積極作用。

不僅如此,石灰石粉還是優(yōu)良的混凝土礦物摻合料,石灰石粉細(xì)度很小不但能補(bǔ)充混凝土的細(xì)顆粒,而且能增大固體的比表面積對(duì)水體積的比例,從而減少泌水和離析。更為重要的是,石灰石粉能與水泥和水形成柔軟的漿體,即增加混凝土的漿量,從而改變了混凝土和易性。如果要保持相同的坍落度,則摻石灰石粉的用水量可減少,從而改善了混凝土的諸多性能。

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB175-2007《硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥》中也允許加入一定量的石灰石粉作為非活性混合材。北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T1029-2013《混凝土礦物摻和料引用技術(shù)規(guī)程》將石灰石粉作為混凝土摻合料的納入標(biāo)準(zhǔn)中,在一定程度推動(dòng)了石灰石粉在混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用。我國(guó)一些石灰石、機(jī)制砂的生產(chǎn)地,產(chǎn)生了大量的石灰石粉,將這些廢棄的石灰石粉摻入混凝土中可改善混凝土的各項(xiàng)性能,但石灰石粉資源不定量或無(wú)限制使用,會(huì)對(duì)其強(qiáng)度、施工性和耐久性帶來(lái)不良影響。因此,研究石灰石粉作為混凝土摻合料的有效利用和利用方法是非常重要的。系統(tǒng)研究其在水泥混凝土中對(duì)強(qiáng)度、施工性和耐久性能的影響,有助于實(shí)現(xiàn)石灰石粉資源的有效利用,有助于解決石灰石粉產(chǎn)地周邊的環(huán)境問(wèn)題,有助于混凝土生產(chǎn)單位經(jīng)濟(jì)效益提高。為此,國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)石灰石粉作混凝土摻合料的物理、化學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究。

本文采用兩種不同細(xì)度的石灰石粉進(jìn)行了石灰石粉在混凝土中應(yīng)用的工作性能和力學(xué)性能的應(yīng)用研究。

1 試驗(yàn)用原材料

1.1 水泥

唐山冀東水泥有限公司P.O42.5R水泥,水泥的物理力學(xué)物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1-1。

表1-1 水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 粉煤灰

從采用大唐同舟電廠(chǎng)Ⅱ級(jí)粉煤灰,細(xì)度18.1%,燒失量4.02%,需水量比104%。

1.3 礦粉

采用唐山唐龍S95級(jí)礦渣粉,比表面積在455m2/kg之間,流動(dòng)度比103%,7d活性指數(shù)90%,28d活性指數(shù)105%。

1.4 天然砂

淶水天然砂,細(xì)度模數(shù)2.8,含泥量3.6%,泥塊含量0.4%。

1.5 碎石

北京首云礦業(yè)有限公司碎石,公稱(chēng)粒徑5.00-25.0mm,含泥量0.6%、泥塊含量0.3、針片狀顆粒含量5.0%、壓碎指標(biāo)4.9%,符合5.00-25.0mm連續(xù)級(jí)配要求。

1.6 外加劑

北京冶建特種材料有限公司聚羧酸高性能減水劑JG-2H,,PH值4.4,含固量12.1%,密度1.037g/cm3,減水率27.0%,坍落度1小時(shí)經(jīng)時(shí)變化35mm。

1.7 石灰石粉

本文所用的兩種石灰石粉(簡(jiǎn)寫(xiě)為G)具有不同細(xì)度,一種常用的比表面積430m2/kg(簡(jiǎn)寫(xiě)為G1)的石灰石粉(以下試驗(yàn)中未說(shuō)明石灰石粉的比表面積的均為該石灰石粉),一種比表面積800m2/kg(簡(jiǎn)寫(xiě)為G2)。

表1-2 石灰石粉的物理特性指標(biāo)

2 含石灰石粉混凝土的工作性能和力學(xué)性能

2.1 不同摻量石粉石粉的性能試驗(yàn)

本文采用混凝土生產(chǎn)企業(yè)常用的C40混凝土作為試驗(yàn)研究對(duì)象,使用膠凝材料用量440kg/m3,砂率42%,水膠比0.39的基本配比。而實(shí)際應(yīng)用中,可根據(jù)這一基本配比,改變石灰石粉的摻量,得到各種工作性能等級(jí)和強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。本節(jié)在這一基本配合比的基礎(chǔ)上,改變石灰石粉摻量,分別從0-60%,其中摻量0%的試樣為對(duì)比樣G0。研究不同石灰石粉摻量對(duì)混凝土性能的影響。具體配比組成見(jiàn)表2-1。測(cè)得各種組分配比混凝土的坍落度、擴(kuò)展度、流空時(shí)間、表觀(guān)密度,以及3d、7d、28d、60d、90d齡期的抗壓強(qiáng)度,如表2-2所示。

表2-1 石灰石粉混凝土配合比

表2-2 含石灰石粉混凝土的性能

從表2-2中可以看出,含石灰石粉混凝土拌合物其坍落度均在235-250mm的范圍之中,屬于大坍落度混凝土,其中G50的坍落度最大250mm。坍落度最小的G10和G20都達(dá)到了235mm。

圖2-1 摻石灰石粉0-60%混凝土的工作性能

圖2-1為混凝土拌合物工作性能參數(shù)。如圖所示,隨著石灰石粉摻量的增加拌合物擴(kuò)展度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),其中G0和G10擴(kuò)展度最小,僅615mm,G50和G60擴(kuò)展度較大,分別達(dá)到了695mm和665mm。從拌合物的流空時(shí)間看,隨著石灰石粉摻量的增加,拌合物的流空時(shí)間呈現(xiàn)先增加后減小再增加的走勢(shì),其中試樣G10的流空時(shí)間最長(zhǎng),達(dá)到29.1s,而G50的流空時(shí)間最短,僅8.8s。試樣G10-G50的流空時(shí)間隨著摻量的增加逐漸減小,石灰石粉摻量30%以上的試樣,拌合物的流空時(shí)間在20s以?xún)?nèi)。

綜合分析坍落度、擴(kuò)展度和流空時(shí)間可知,石灰石粉可以提高混凝土拌合物的工作性能,且一定范圍內(nèi)隨著其摻量的增加,拌合物的工作性能越來(lái)越好。達(dá)到最佳工作性能的石灰石粉摻量為50%,摻量再增加則混凝土拌合物的工作性能有所降低。

圖2-2 摻石灰石粉0-60%混凝土的力學(xué)性能

圖2-2是以G0在28d齡期的強(qiáng)度作基準(zhǔn)強(qiáng)度所作的強(qiáng)度增長(zhǎng)率圖。圖中可以看出,隨著石灰石粉摻量的增加,混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的走勢(shì),其中石灰石粉摻量10%和20%的混凝土強(qiáng)度均高于對(duì)比樣的強(qiáng)度,而石灰石粉摻量30-60%的混凝土強(qiáng)度都小于對(duì)比樣的強(qiáng)度。3d齡期的混凝土試樣中石灰石粉摻量10%的強(qiáng)度最高,而其它齡期的混凝土試樣中均是石灰石粉摻量20%的強(qiáng)度最高。石灰石粉摻量在30%-60%范圍內(nèi),隨著石灰石粉摻量的增加混凝土的強(qiáng)度逐漸下降。從表中的強(qiáng)度數(shù)據(jù)看,所配制的混凝土中,對(duì)比樣的強(qiáng)度等級(jí)為C40,而石灰石粉摻量10-20%的強(qiáng)度等級(jí)可以達(dá)到C50,石灰石粉摻量30%和40%強(qiáng)度等級(jí)為C40,石灰石粉摻量50%和60%仍能達(dá)到C30的強(qiáng)度等級(jí)。

石灰石粉摻量10-20%在混凝土中表現(xiàn)出很好的增強(qiáng)作用,可增加混凝土強(qiáng)度近10MPa,而在混凝土體系中,材料更為復(fù)雜,各種骨料的存在更有利于發(fā)揮石灰石粉的“填充效應(yīng)”。因此,石灰石粉作為混凝土摻合料能夠提高混凝土的工作性能和力學(xué)性能。

2.2 含不同摻合料混凝土的工作性能和力學(xué)性能

石灰石粉可以作為混凝土的摻合料使用,為了與常見(jiàn)的摻合料對(duì)比,本節(jié)選用了石灰石粉、粉煤灰、礦渣,進(jìn)行了摻量同為30%的試驗(yàn)對(duì)比,也對(duì)不同細(xì)度石灰石粉進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比。仍采用膠凝材料440kg/m3,砂率42%,水灰比0.39的基本配比,混凝土配比組成如表2-3。含不同摻合料混凝土的工作性能和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2-4。

表2-3 含不同摻合料的混凝土配比

*2G表示石灰石粉的比表面積為800m2/kg。

表2-4 含不同摻合料混凝土的性能

從表2-4中可以看出,含不同摻合料混凝土拌合物的工作性能有所差別,其中從坍落度性能指標(biāo)看,坍落度均在240-255mm之間,屬于大坍落度混凝土。配比中試樣S30的坍落度最小240mm,試樣C和試樣2G30的坍落度最大255mm。

圖2-3 含不同摻合料混凝土拌合物的工作性能

圖2-3為含不同摻合料混凝土拌合物的工作性能參數(shù)。配比組成2G30的擴(kuò)展度最大720mm,S30的擴(kuò)展度最小575mm。從流空時(shí)間的性能指標(biāo)看,配比組成2G30的流空時(shí)間最小僅10.5s,S30的流空時(shí)間最大為35.9s。綜合分析各種配比組成混凝土拌合物的工作性能,可以發(fā)現(xiàn)含比表面積800m2/kg石灰石粉混凝土的工作性能最佳,而含礦渣混凝土的工作性能最差。

以試樣G0的28d齡期強(qiáng)度作為基準(zhǔn)強(qiáng)度,作強(qiáng)度比例圖,如圖2-4所示。

圖2-4 含不同摻合料混凝土的力學(xué)性能

由圖可知,3d齡期混凝土的強(qiáng)度大小順序依次為：2G30>C>S30>G30>F30。3d齡期,試樣G30和S30的強(qiáng)度大致相當(dāng),30.3MPa和30.5MPa,而2G30的強(qiáng)度最大為34.1MPa,試樣F30的強(qiáng)度最小,僅27.9MPa。28d齡期,混凝土的強(qiáng)度大小順序依次為：S30>C>2G30>G30>F30。含礦渣混凝土的強(qiáng)度最大為57.4MPa,而其它混凝土的強(qiáng)度在50-51MPa之間；90d齡期,混凝土的強(qiáng)度大小順序依次為：S30>F30>C>2G30>G30。含粉煤灰試樣強(qiáng)度有較大幅度增長(zhǎng),已超過(guò)含石灰石粉試樣。

從中可以看出,不同摻合料之間相比,含石灰石粉混凝土的力學(xué)性能主要體現(xiàn)在混凝土的早齡期。7d齡期之前,其早期強(qiáng)度優(yōu)于含粉煤灰混凝土的強(qiáng)度,而后期強(qiáng)度發(fā)展不如含粉煤灰、礦渣的混凝土試樣。不同石灰石粉之間的對(duì)比,含比表面積大石灰石粉的混凝土試樣的力學(xué)性能優(yōu)于含比表面積小的混凝土試樣,配比組成2G30的3d和7d強(qiáng)度高于對(duì)比樣C。這一點(diǎn)與砂漿試驗(yàn)是相一致的,比表面積大的石灰石粉對(duì)水泥的增強(qiáng)效果更為明顯。

2.3 石灰石粉與摻合料復(fù)摻混凝土的工作性能和力學(xué)性能

實(shí)際工程的應(yīng)用中,混凝土摻合料往往是復(fù)合搭配使用的。為此,本節(jié)選用了石灰石粉與粉煤灰,石灰石粉與礦渣的兩種復(fù)摻形式。基本配比組成仍然是膠凝材料440kg/m3,砂率42%,水灰比0.39。摻合料摻量逐漸增加,分別取20%、40%、60%,復(fù)摻的兩種摻合料各取一半。即編號(hào)G10F10中石灰石粉摻量10%,粉煤灰摻量10%,G20F20中石灰石粉摻量20%,粉煤灰摻量20%,如此類(lèi)推,具體配比組成見(jiàn)表2-5。各種工作性能指標(biāo)和各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表2-6所示。

表2-5 石灰石粉復(fù)摻混凝土配比

表2-6 石灰石粉復(fù)摻混凝土的性能

圖2-5 石灰石粉復(fù)摻混凝土的工作性能

從表2-6中可以看出,不同復(fù)摻形式混凝土拌合物的坍落度均在230-260mm的范圍之中,屬于大坍落度混凝土。混凝土的擴(kuò)展度和流空時(shí)間如圖2-5所示,從中可知,石灰石粉與粉煤灰的復(fù)摻中G20F20的坍落度最大,260mm,擴(kuò)展度最大,675mm；石灰石粉與礦渣的復(fù)摻中G30F30的坍落度最大,260mm,擴(kuò)展度最大,640mm。從拌合物的流空時(shí)間參數(shù)上看,可以得到一些規(guī)律,隨著復(fù)合摻合料總摻量的增加,拌合物的流空時(shí)間呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì),其中石灰石粉與粉煤灰的復(fù)摻形式中,G10F10配比組成的流空時(shí)間最長(zhǎng)32.3s,G30F30配比組成的流空時(shí)間最短15.2s；而石灰石粉與礦渣的復(fù)摻形式中,G10S10配比組成的流空時(shí)間最長(zhǎng)47.3s,G30S30配比組成的流空時(shí)間最短,只有9.4s。綜合分析可知,兩種復(fù)摻形式中石灰石粉與粉煤灰的復(fù)摻G20F20的工作性能最佳,而石灰石粉與礦渣的復(fù)摻G30S30的工作性能最佳。

圖2-6 石灰石粉復(fù)摻混凝土的力學(xué)性能

在復(fù)摻形式的力學(xué)性能圖2-6中,可以看出,隨著復(fù)合摻合料摻量的增加,混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì),但兩種復(fù)摻形式摻量40%的配比試樣,即G20F20和G20S20的長(zhǎng)齡期強(qiáng)度發(fā)展較快,其中G20S20的90d強(qiáng)度甚至要高于較低摻量配比G10S10。從表中的強(qiáng)度數(shù)據(jù)看,所配制的混凝土中,28d齡期G10F10、G20F20、G30F30的強(qiáng)度等級(jí)分別為C50、C40、C30；G10S10、G20S20、G30S30的強(qiáng)度等級(jí)分別為C60、C50、C40。而到了長(zhǎng)齡期90d,則發(fā)生了明顯變化,G10F10和G20F20的強(qiáng)度基本相同,強(qiáng)度等級(jí)同為C55,G30F30的強(qiáng)度等級(jí)為C40；G10S10和G20S20的強(qiáng)度基本相同,甚至強(qiáng)度G20S20的強(qiáng)度高于G10S10,其等級(jí)同為C65,G30S30的強(qiáng)度等級(jí)為C45。所以,石灰石粉可以與粉煤灰或者礦渣復(fù)摻形成復(fù)合摻合料,復(fù)合摻合料的摻入總量40%為宜,復(fù)摻20%和40%的混凝土強(qiáng)度相差不大,而摻入60%則混凝土的強(qiáng)度下降較明顯。

3 小結(jié)

(1)在混凝土的配合比中,隨著石灰石粉的加入,可以提高混凝土拌合物的工作性能,且一定范圍內(nèi)隨著其摻量的增加,混凝土拌合物的工作性能越來(lái)越好。達(dá)到最佳工作性能的石灰石粉摻量為50%。同時(shí),石灰石粉的摻入能夠提高混凝土的強(qiáng)度,就摻入比表面積430m2/kg的石灰石粉而言,石灰石粉摻量10%-20%可以明顯提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

(2)選用比表面積等級(jí)同為400m2/kg的石灰石粉、粉煤灰、礦渣三種摻合料進(jìn)行混凝土試驗(yàn)對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)含石灰石粉混凝土的工作性能優(yōu)于含礦渣混凝土,而早期力學(xué)性能優(yōu)于含粉煤灰混凝土。比表面積等級(jí)400m2/kg和800m2/kg的石灰石粉之間對(duì)比,明顯含比表面積大的石灰石粉的混凝土性能更優(yōu)越,其早齡期3d和7d強(qiáng)度甚至高于對(duì)比樣。

(3)兩種復(fù)摻形式中石灰石粉與粉煤灰各摻20%配比組成的工作性能最佳,而石灰石粉與礦渣各摻30%配比組成的工作性能最佳。力學(xué)性能分析,兩種復(fù)摻形式摻量40%配比混凝土的長(zhǎng)齡期強(qiáng)度發(fā)展較快,90d齡期,G10F10和G20F20的強(qiáng)度基本相同,強(qiáng)度等級(jí)同為C55；G10S10和G20S20的強(qiáng)度基本相同,等級(jí)同為C65,甚至G20S20的強(qiáng)度高出G10S10近2MPa。所以,石灰石粉可以與粉煤灰或者礦渣等摻合料進(jìn)行復(fù)配,復(fù)合摻合料的摻入總量40%為宜。

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