石灰石粉對(duì)混凝土性能影響的試驗(yàn)研究

梅松奇，范 進(jìn)

(南京理工大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 210094)

目前，混凝土作為最重要的建筑材料，在房屋建筑和公路建設(shè)中的需求量均巨大。中國(guó)的石灰石礦產(chǎn)資源豐富、價(jià)格低廉，是一種重要的用于混凝土生產(chǎn)的材料。石灰石粉作為石灰石生產(chǎn)加工中的副產(chǎn)品，若對(duì)其處理不當(dāng)，不僅造成資源的浪費(fèi)，還會(huì)引發(fā)環(huán)境污染。如何在混凝土生產(chǎn)中摻入石灰石粉已成為混凝土研究的重要課題。

對(duì)于石灰石粉在混凝土中的應(yīng)用，一些學(xué)者做了大量研究，得出許多值得借鑒的結(jié)論。武會(huì)強(qiáng)[1]將石灰石粉用于自密實(shí)混凝土中，研究其對(duì)砂漿強(qiáng)度、流動(dòng)性及孔結(jié)構(gòu)的影響。馬燁紅[2]等人研究了部分水泥被石灰石粉取代后混凝土的工作性能。在混凝土中摻加適量的石灰石粉，可以使混凝土的泌水率降低，且坍落度損失也隨之降低。曹鵬飛[3]等人發(fā)現(xiàn)，石灰石粉取代水泥5%～15%時(shí)能明顯提高混凝土的早期強(qiáng)度、保水性和粘聚性。黃漢洋[4]等人指出，石灰石粉具有很好的孔隙填充作用，能夠降低混凝土的干燥收縮，對(duì)混凝土抗凍十分有利。Tsivilis[5]等人的研究結(jié)果表明：石灰石粉在摻量為5%～15%時(shí)會(huì)降低混凝土的抗?jié)B透性，提高混凝土抗凍性能。鄧德華[6]等人開(kāi)展了在常溫下水泥膠砂試件中摻入石灰石粉抗硫酸鹽侵蝕的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在砂漿或混凝土中摻入石灰石粉，在溫度不高時(shí)會(huì)生成石膏，硫酸鹽環(huán)境會(huì)導(dǎo)致混凝土體積膨脹和開(kāi)裂，使其抗壓性能降低。

石灰石粉的相關(guān)研究集中于結(jié)構(gòu)混凝土，鮮有道路混凝土方面的應(yīng)用研究。水泥混凝土路面作為中國(guó)主要的路面結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用極為廣泛。道路混凝土需具備良好的抵抗干濕、凍融循環(huán)作用的能力。若將石灰石粉應(yīng)用于道路混凝土中，對(duì)提高水泥路面的耐久性和抗凍性有利，對(duì)于其在道路混凝土的推廣應(yīng)用具有重要意義。作者擬通過(guò)石灰石粉對(duì)混凝土多項(xiàng)性能的一系列試驗(yàn)研究，掌握其對(duì)混凝土的影響規(guī)律，為進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料性能

水泥為P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1。粗骨料選用5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石，壓碎指標(biāo)5%，含泥量0.44%，針片狀含量3.6%，表觀密度1.83 g/cm3。細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.6的中砂，級(jí)配良好，含泥量1.9%，堆積密度1.475 g/cm3，表觀密度2.550 g/cm3。石灰石粉性能指標(biāo)：細(xì)度12%，45 μm篩余量16.30%，比表面積10.3 m2/g，表觀密度2.56 g/cm3，燒失量4.97%。外加劑使用PCA聚羧酸系高性能減水劑，減水率26.7%，含氣量2.3%；水采用自來(lái)水。

表1 水泥物理性能Table 1 Physical properties of the cement

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用C35混凝土的配合比，石灰石粉摻量為0%,5%,10%,15%和20%。按相關(guān)規(guī)范要求，制備混凝土試件，混凝土配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。每組制備3個(gè)試件，并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)。

表2 混凝土配合比設(shè)計(jì)Table 2 Mix proportion design of the concrete

2 混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 石灰石粉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50081-2002)》[7]，探究不同石灰石粉摻量對(duì)不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。采用混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)量混凝土試件立方體抗壓強(qiáng)度，本試驗(yàn)中采用不同摻量的石灰石粉等量取代水泥，研究摻量對(duì)混凝土3,7,28和56 d抗壓強(qiáng)度的影響。石灰石粉摻量為0%,5%,10%,15%和20%，測(cè)量各組試件的立方體抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度隨石灰石粉摻量的變化Fig.1 The change of compression strength with content of lime stone powder)

從圖1中可以看出，石灰石粉摻量對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有著直接的影響。石灰石粉對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的增長(zhǎng)有利。石灰石粉摻量由0%增加至10%的過(guò)程中，混凝土的3 d抗壓強(qiáng)度由25.6 MPa增加至35.7 MPa，混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度由32.2 MPa提高到45.0 MPa。但石灰石粉摻量超過(guò)10%后，混凝土的3 d和7 d抗壓強(qiáng)度增幅很小。混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度與56 d抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律一致。隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)單峰變化規(guī)律。石灰石粉摻量由0%增加至10%的過(guò)程中，混凝土的強(qiáng)度得到了提高。其28 d抗壓強(qiáng)度由37.9 MPa增加至52.9 MPa，增幅達(dá)39.6%；其56 d抗壓強(qiáng)度也增加了14%。但石灰石粉摻量超過(guò)10%再繼續(xù)增加時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度則開(kāi)始下降。其28 d抗壓強(qiáng)度由52.9 MPa減小至37.5 MPa；其56 d抗壓強(qiáng)度由56.9 MPa減小至46.2 MPa。

從表1中可以看出，石灰石粉的細(xì)度比水泥的小。當(dāng)石灰石粉摻量較低時(shí)，起到一定的填充骨架作用，有利于提高混凝土的密實(shí)度，改善級(jí)配的同時(shí)加速了早期水化，提高了混凝土早期抗壓強(qiáng)度；但如果石灰石粉摻量過(guò)多，則導(dǎo)致參與水化反應(yīng)的水泥量減少，也使得混凝土級(jí)配不合理，減弱了骨架的作用，混凝土的強(qiáng)度會(huì)有所降低。因此，石灰石粉取代水泥量在約10%時(shí)，對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的提高較明顯，其28 d和56 d抗壓強(qiáng)度也最高。表明：從抗壓強(qiáng)度方面考慮，石灰石粉的摻量約10%為最佳。

2.2 石灰石粉對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

抗折強(qiáng)度是水泥混凝土路面的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)，本試驗(yàn)采用不同摻量的石灰石粉替代水泥，研究石灰石粉摻量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 混凝土抗折強(qiáng)度Table 3 Rupture strength of the concrete

從表3中可以看出，隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的抗折強(qiáng)度略有增加后開(kāi)始不斷下降。石灰石摻量為5%時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度最高；石灰石摻量為10%時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度無(wú)明顯變化；石灰石摻量超過(guò)10%后，混凝土的抗折強(qiáng)度不斷降低。對(duì)于混凝土這種抗拉性能弱的脆性材料，加入了石灰石粉后，由于石粉的顆粒較細(xì)，起到了填充孔隙、改善其配比及降低孔隙率的作用，從而提高了混凝土的抗折強(qiáng)度。但是摻入了過(guò)多的石灰石粉后，則會(huì)削弱界面的粘結(jié)性，進(jìn)而降低混凝土的抗折強(qiáng)度。因此，摻量小的石灰石粉不會(huì)明顯改善混凝土的抗折強(qiáng)度，而摻量大的石灰石粉則對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度不利。

3 混凝土抗凍試驗(yàn)

混凝土的抗凍性是混凝土在飽和水的情況下能夠接受的凍融循環(huán)的極限能力，可反映混凝土抵抗環(huán)境水浸入和抵抗冰晶壓力的能力，是混凝土耐久性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。水泥路面對(duì)混凝土的抗凍性要求更高[8]。本次抗凍試驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50082-2009)》[9]進(jìn)行快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，試件齡期為28 d，以混凝土的質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈性模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析石灰石粉摻量對(duì)混凝土抗凍性的影響。

3.1 混凝土的質(zhì)量損失

造成混凝土試件質(zhì)量損失的原因是混凝土在凍融循環(huán)過(guò)程中的表面剝落。在凍融循環(huán)過(guò)程中，混凝土的質(zhì)量損失越大，抗凍性能越差。在試驗(yàn)過(guò)程中，凍融循環(huán)每進(jìn)行25次測(cè)量一次試件的質(zhì)量，最后，計(jì)算試件的質(zhì)量損失。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 質(zhì)量損失隨凍融次數(shù)的變化Fig.2 The change of mass loss with freeze-thaw cycles

從圖2中可以看出，混凝土的質(zhì)量損失隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增加。石灰石粉摻量為5%和10%時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失隨凍融次數(shù)的變化曲線位于標(biāo)準(zhǔn)試件以下，表明質(zhì)量損失相對(duì)較少，它的抗凍性能提高了。石灰石粉摻量為5%時(shí)的混凝土抗凍性最好?；炷恋目箖鲂阅芘c其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。在較小的石灰石粉摻量范圍內(nèi)，混凝土的抗凍性能得到了提高。其原因是：石灰石粉具有較好的填充作用，使得硬化后的混凝土孔結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，混凝土內(nèi)部更為密實(shí)，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。但當(dāng)石灰石粉摻量增加到15%和20%時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失隨凍融次數(shù)的變化曲線位于標(biāo)準(zhǔn)試件以上，其質(zhì)量損失的增加比標(biāo)準(zhǔn)試件的大得多。表明：該石灰石粉摻量下混凝土的抗凍性能明顯降低。石灰石粉摻量為20%時(shí)，抗凍性能是最差的?？梢?jiàn)，石灰石粉摻量較大對(duì)混凝土的抗凍性是有害的。

3.2 混凝土動(dòng)彈性模量的變化

采用《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50082-2009)》中的共振法進(jìn)行動(dòng)彈性模量測(cè)量。將不同凍融次數(shù)下的動(dòng)彈性模量與混凝土試件的初始動(dòng)彈性模量的比值作為相對(duì)動(dòng)彈性模量。不同石灰石粉摻量的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融次數(shù)的變化如圖3所示。

圖3 相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融次數(shù)的變化Fig.3 The change of relative elastic dynamic modulus with freeze-thaw cycles

從圖3中可以看出，石灰石粉摻量對(duì)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量有影響。隨著凍融次數(shù)的增加，石灰石粉各摻量試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量均逐漸降低。石灰石粉摻量為0%,5%和10%試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化幅度較小，石灰石粉摻量為5%的降低幅度最小，石灰石粉摻量為10%試件的降低幅度略小于標(biāo)準(zhǔn)試件的。三者凍融循環(huán)200次后，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量仍能保持93%以上。而石灰石摻量為15%和20%時(shí)，試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量的降低幅度較大。石灰石粉摻量為20%的試件在凍融循環(huán)200次后，其相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)H為87.40%。從動(dòng)彈性模量變化來(lái)看，其抗凍性能最差。因此，石灰石粉的加入改善了混凝土的密實(shí)性。在石灰石粉摻量小的情況下，提高了混凝土的抗凍性，較大石灰石粉摻量(超過(guò)10%)對(duì)混凝土的抗凍性是有害的。

4 混凝土工作性和耐磨性試驗(yàn)

4.1 對(duì)混凝土工作性的影響

混凝土質(zhì)量在很大程度上取決于其工作性，同時(shí)，優(yōu)良的工作性能可加快施工進(jìn)度、改善作業(yè)條件[10]。本試驗(yàn)測(cè)定了不同石灰石粉摻量混凝土的坍落度，以探究其對(duì)混凝土工作性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4中可以看出，沒(méi)有摻加石灰石粉的混凝土拌合物坍落度初值為160 mm，而摻加5%,10%,15%和20%石灰石粉時(shí)，坍落度的增幅分別為15.6%,30.6%,37.5%和40.6%?？梢?jiàn)，坍落度的增幅隨著石灰石粉摻量的增加而減小。即當(dāng)石灰石粉摻量達(dá)到一定值時(shí)，坍落度隨著石灰石粉摻量增加的幅度不明顯。同時(shí)，觀察混凝土的粘聚性和保水性發(fā)現(xiàn)：隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的質(zhì)量沒(méi)有明顯的改善；且隨著石灰石粉取代水泥摻量的增加，混凝土的質(zhì)量有變差的趨勢(shì)。表明：在一定的范圍內(nèi)，摻入石灰石粉可以改善混凝土的工作性能。但隨著石灰石粉摻量的增加，對(duì)混凝土的工作性能改善作用不明顯。

表4 坍落度隨石灰石粉摻量的變化Table 4 The change of slump with the content of limestone powder

石灰石粉提高了混凝土拌合物的坍落度，增加了其流動(dòng)性，其原因是石灰石粉密度小、比表面積大、表面光滑，能在水泥漿中均勻地分布，有助于混凝土流動(dòng)性的增加，改善了混凝土的和易性。隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的流動(dòng)性不再明顯增加，其原因是隨著石灰石粉摻量的增加，導(dǎo)致包括其所需用水量的增加，從而降低了混凝土拌合物的流變性，影響其工作性能的提高。

4.2 對(duì)混凝土耐磨性的影響

對(duì)于路面材料而言，其耐磨性也是使用性能的一個(gè)重要方面。按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程(JTGE30-2005)》測(cè)試耐磨性，研究石灰石粉摻量對(duì)混凝土耐磨性的影響。混凝土在養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行耐磨性測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土耐磨性先增加后減小。表明：摻入適量的石灰石粉有利于混凝土耐磨性能的提高。耐磨性在石灰石粉摻量為10%時(shí)最好；石灰石粉摻量高于15%后，耐磨性有劣化趨勢(shì)。表明：最佳石灰石粉摻量宜為10%，且不要超過(guò)15%。石灰石粉本身表面致密、耐磨性較好，摻入混凝土后，充分發(fā)揮了微集料填充和微晶核效應(yīng)[8]，改善了混凝土孔結(jié)構(gòu)。其磨耗值高于同齡期下普通混凝土的。石灰石粉摻量較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致混凝土級(jí)配變化?；炷帘砻鏄?gòu)造細(xì)化不利于耐磨性的提高。

圖4 石灰石粉對(duì)混凝土耐磨性的影響Fig.4 Effect of limestone powder on the abrasion resistance)

5 結(jié)論

將石灰石粉摻入混凝土用于水泥路面的施工，研究石灰石粉摻量為0%,5%,10%,15%和20%的混凝土分別對(duì)混凝土的強(qiáng)度、抗凍耐久性及工作性等性能的影響。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，得出的結(jié)論為：

1) 石灰石粉的細(xì)度比水泥的小。當(dāng)石灰石粉摻量較低時(shí)，起到一定的填充骨架作用，有利于提高混凝土的密實(shí)度；但如果石灰石粉摻量過(guò)多，則導(dǎo)致參與水化反應(yīng)的水泥量減少，混凝土的強(qiáng)度有所下降。

2) 混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著石灰石粉摻量呈現(xiàn)單峰變化規(guī)律。石灰石粉對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的增長(zhǎng)有利。石灰石粉取代水泥量在約10%時(shí)，混凝土的28 d和56 d抗壓強(qiáng)度最高。石灰石粉摻量小時(shí)，不會(huì)明顯改善混凝土的抗折強(qiáng)度；而石灰石粉摻量大時(shí)，則對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度不利。石灰石粉摻量在強(qiáng)度方面以約10%為最佳。

3) 合理的石灰石粉摻量能有效地提高混凝土的抗凍性能。綜合混凝土的質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈性模量指標(biāo)來(lái)分析抗凍性能。石灰石粉取代水泥量為5%～10%時(shí)，其抗凍性能得到提高，具有良好的抗凍耐久性。

4) 摻入石灰石粉可以增加混凝土的流動(dòng)性，改善混凝土的工作性能。但隨著石灰石粉摻量的增加，對(duì)工作性能的提高作用不明顯。摻入適量的石灰石粉有利于混凝土耐磨性的提高。從工作性和耐磨性角度考慮，最佳石灰石粉摻量宜為10%，且不宜超過(guò)15%。

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