磨細(xì)石灰石粉高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

張懷偉

（中鐵六局集團(tuán)交通工程分公司，北京 100036）

近年來，隨著國家環(huán)保政策愈發(fā)嚴(yán)格，各地火力發(fā)電廠多進(jìn)行升級(jí)改造，粉煤灰產(chǎn)量急劇降低；鋼鐵企業(yè)在降低產(chǎn)能，用鋼鐵礦渣生產(chǎn)的礦渣粉產(chǎn)量也急劇下降。在高鐵工程快速發(fā)展背景下，混凝土用礦物摻和料需求量不降反升，供需矛盾越來越大，急需尋找新的混凝土礦物摻和料替代產(chǎn)品。

作為資源非常豐富、容易獲取且質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的磨細(xì)石灰石粉的新型礦物摻和料可應(yīng)用于混凝土，用于替代部分粉煤灰和礦粉，從而達(dá)到節(jié)約能源、減少環(huán)境污染的作用。但磨細(xì)石灰石粉的摻量一直困擾著混凝土界的工程技術(shù)人員，因此，研究和探討石灰石粉在混凝土中的應(yīng)用有非常重要的意義。

1 原材料

1）水泥 P.O42.5，立窯、低C3A含量、燒失量小、低堿水泥，水泥物理性能如表1所示。

表1 水泥的物理及化學(xué)性能指標(biāo)

2）磨細(xì)石灰石粉 其化學(xué)成分和物理性能如表2所示。

表2 磨細(xì)石灰石粉物理及化學(xué)性能指標(biāo)

3）骨料 選用級(jí)配合理、吸水率低、粒形良好、質(zhì)地均勻堅(jiān)硬、線膨脹系數(shù)小的潔凈碎石，無堿骨料反應(yīng)，深成火成巖。5～25mm連續(xù)級(jí)配的粗骨料，密度為2.75g/cm3，粒徑5～10∶10～25=4∶6；細(xì)骨料選用級(jí)配合理、質(zhì)地均勻堅(jiān)固、吸水率低、孔隙率小的潔凈天然中粗河砂，無堿骨料反應(yīng)，密度為2.69g/cm3，細(xì)度模數(shù)為2.9、級(jí)配Ⅱ區(qū)的河砂。

4）減水劑 采用聚羧酸系高性能減水劑，配合比設(shè)計(jì)前，通過GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》中“水泥砂漿減水率”試驗(yàn)、JC/T 1083—2008《水泥與減水劑相容性試驗(yàn)方法》中的“凈漿流動(dòng)度法”或GB 50119—2003《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》“附錄A混凝土外加劑對(duì)水泥的適應(yīng)性檢測(cè)方法”試驗(yàn)，先由廠商技術(shù)人員配合進(jìn)行減水劑與膠材、細(xì)骨料相容性試驗(yàn)，以確保減水劑與其他材料的相容性能。

從磨細(xì)石灰石粉細(xì)度22%看，通過球磨磨細(xì)的石灰石粉顆粒大小與II級(jí)粉煤灰細(xì)度相當(dāng)，其顆粒形態(tài)與天然石子相同，都是致密結(jié)構(gòu)，不會(huì)吸附多余的水，反而有一定的物理減水作用，能一定程度提高混凝土流動(dòng)性能。這與傳統(tǒng)觀念認(rèn)為混凝土中摻加石粉會(huì)增加用水量、會(huì)吸附外加劑的觀點(diǎn)不一致，這在流動(dòng)度比103%得到驗(yàn)證。意大利的CZERNIN W認(rèn)為：100g粗石灰石粉和20g水混合時(shí)，不產(chǎn)生強(qiáng)度；將石灰石粉磨細(xì)至與水泥細(xì)度相同時(shí)，同樣配合比的試樣表現(xiàn)出某些強(qiáng)度；將石灰石粉磨細(xì)至比表面積為2 000cm3/g時(shí)，擠壓成型的圓柱體能承受100N以上的荷載。從不同齡期的活性指數(shù)看，磨細(xì)石灰石粉隨著齡期的增加，其活性指數(shù)呈緩慢增長的規(guī)律。因此，不能簡單地將其當(dāng)作純粹的“惰性”細(xì)摻料。它在混凝土中的作用不但是粉細(xì)狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生“微粉效應(yīng)”，還可作為活性摻和料，提高混凝土一定的后期強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)方法

2.1 配合比設(shè)計(jì)

固定膠凝材料用量為395kg/m3，固定拌合用水量為155kg/m3，磨細(xì)石灰石粉替代水泥，高性能聚羧酸減水劑摻量1.0%，混凝土配合比如表3所示。

表3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.2 試件成型、養(yǎng)護(hù)與測(cè)試

1）為盡量減少原材料不均勻引起的誤差，按3m3混凝土量準(zhǔn)備各種原材料的數(shù)量。

2）為盡量減少操作時(shí)溫度不均引起的誤差，混凝土成型室溫控制在（20±5）℃。

3）各組分原材料的投料順序和攪拌程序 投入砂、水泥和石灰石粉后混合干拌30s，加約80%的水和減水劑（水和減水劑先混合），攪拌90s，加入碎石、剩余的水和減水劑后再攪拌90s。

4）測(cè)試混凝土出機(jī)性能、1h坍落度損失、1h含氣量損失，基本滿足要求后，立即成型試件，包括抗壓強(qiáng)度、電通量。每個(gè)齡期試件各成型2組后在混凝土養(yǎng)護(hù)室?guī)ｐB(yǎng)護(hù)24h，拆模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，溫度（20±2）℃，濕度95%RH以上。

5）按照不同摻量，依據(jù)TB 10413—2018《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》制作成型膠材耐蝕系數(shù)試件，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

6）混凝土試件抗壓強(qiáng)度、電通量、抗?jié)B測(cè)試分別按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 新拌混凝土工作性能

不同石灰石粉摻量對(duì)新拌混凝土工作性能的影響如表4和圖1，2所示。

表4 不同石灰石粉摻量對(duì)混凝土工作性能的影響

圖1 不同石灰石粉摻量對(duì)混凝土出機(jī)工作性能的影響

由試驗(yàn)結(jié)果可看出，隨石灰石粉摻量的增加，在控制坍落度基本符合的條件下，出機(jī)性能逐漸增大，至摻量為20%時(shí)，擴(kuò)展度基本無增長；隨石灰石粉摻量的增加，15%摻量的混凝土60min工作性能達(dá)到峰值，隨后呈下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)榛炷林惺沂鄣拿軐?shí)填充作用，當(dāng)石灰石粉顆粒填充于水泥粒子之間的空隙時(shí)，置換出填充水，使粒子間的間隔水層加厚，同時(shí)，石灰石粉珠形顆粒的“滾珠效應(yīng)”也可改善混凝土的流動(dòng)性，在摻量達(dá)到一定值時(shí)，這種效應(yīng)逐漸降低。

圖2 不同石灰石粉摻量對(duì)混凝土60min工作性能的影響

3.2 對(duì)混凝土強(qiáng)度影響的變化規(guī)律

不同石灰石粉摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如表5所示。

表5 不同石灰石粉摻量對(duì)不同齡期混凝土強(qiáng)度影響的變化規(guī)律

結(jié)果表明，不同齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增加而增加，同一齡期強(qiáng)度在10%摻量時(shí)到達(dá)峰值，且隨后均呈不同程度下降，28d強(qiáng)度降幅較大，56d和90d的降幅較小。摻量較小時(shí)，有利于提高早期強(qiáng)度，它能與水泥中的C3A反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣（C3A-CaCO3-H2O）。

3.3 對(duì)抗硫酸鹽化學(xué)侵蝕性能影響的變化規(guī)律

混凝土抗硫酸鹽化學(xué)侵蝕性能主要用膠材耐蝕系數(shù)表示，要求不得小于0.8。不同石灰石粉摻量對(duì)膠材耐蝕系數(shù)的影響如表6所示。

試驗(yàn)表明，同一摻量的膠材耐蝕系數(shù)隨齡期的增長而提高；同一齡期的膠材耐蝕系數(shù)隨摻量的增加而提高，至15%時(shí)達(dá)到峰值，隨后膠材耐蝕系數(shù)隨摻量的增加呈下降趨勢(shì)。

表6 不同摻量石灰石粉對(duì)膠材耐蝕系數(shù)影響的變化規(guī)律

3.4 對(duì)混凝土密實(shí)性能影響的變化規(guī)律

混凝土密實(shí)性能主要用混凝土電通量表示，不同石灰石粉摻量對(duì)不同齡期混凝土電通量的影響如表7所示。

表7 不同石灰石粉摻量對(duì)混凝土電通量影響的變化規(guī)律

結(jié)果表明，同一齡期的混凝土電通量隨石灰石粉摻量的增加而降低，180d齡期的電通量最??；不同齡期的混凝土電通量隨石灰石粉摻量的增加而降低，15%摻量時(shí)有明顯轉(zhuǎn)折，15%～25%摻量的電通量變化趨于平緩；說明隨著摻量的增加，其填充效應(yīng)和微活性效應(yīng)逐漸降低。

3.5 對(duì)混凝土抗?jié)B性能影響的變化規(guī)律

混凝土抗?jié)B性能主要用抗?jié)B等級(jí)表示，要求不得小于P12，為便于統(tǒng)計(jì)分析，用最大水壓力值表示。不同摻量石灰石粉混凝土承受的最大水壓力如表8所示。

試驗(yàn)表明，同一摻量混凝土承受的最大水壓力隨齡期增長而提高；同一齡期混凝土承受的最大水壓力隨摻量的提高而增長，至15%時(shí)達(dá)到峰值，隨后混凝土承受的最大水壓力隨摻量提高呈下降趨勢(shì)；摻量至20%時(shí)，隨著齡期增長至56d時(shí)，混凝土承受的最大水壓力已不再提高；摻量至25%時(shí)，混凝土承受的最大水壓力已下降至最低。

4 結(jié)語

1）混凝土出機(jī)工作性能隨摻量的增加而提高，60min工作性能在15%摻量時(shí)達(dá)到峰值，隨后呈下降趨勢(shì)。

表8 不同石灰石粉摻量對(duì)混凝土承受最大水壓力影響變化規(guī)律

2）不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加而增加，同一齡期強(qiáng)度在10%摻量時(shí)達(dá)到峰值，且隨后均呈不同程度下降，28d強(qiáng)度降幅較大，56d和90d的降幅較小。說明其摻量過大，其填充效應(yīng)愈發(fā)下降，且不利于強(qiáng)度增長。

3）不同齡期的膠材耐蝕系數(shù)隨著摻量的增加而增加，5%摻量的增幅較小，5%～25%摻量的增幅較大；同一齡期強(qiáng)度在15%摻量時(shí)達(dá)到峰值，且隨后均呈不同程度的下降，28d的降幅較大。說明摻量過大，其微活性效應(yīng)對(duì)抵抗硫酸鹽侵蝕的作用反而受到約束。

4）同一齡期混凝土電通量隨石灰石粉摻量的增加而降低，不同齡期的混凝土電通量隨石灰石粉摻量的增加而降低，15%摻量時(shí)有明顯轉(zhuǎn)折，說明隨著摻量的增加，其填充效應(yīng)和微活性效應(yīng)逐漸降低。

5）同一摻量混凝土承受的最大水壓力隨齡期的增長而提高；同一齡期混凝土承受的最大水壓力隨摻量的提高而增長，至15%時(shí)達(dá)到峰值，隨后隨摻量提高呈下降趨勢(shì)；摻量至20%時(shí)，隨著齡期增長至56d時(shí)，混凝土承受的最大水壓力已不再提高；摻量至25%時(shí)，混凝土承受的最大水壓力降至最低。

6）磨細(xì)石灰石粉是低活性的細(xì)摻料，主要作用是在粉細(xì)狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生“微粉效應(yīng)”，用于改善混凝土的工作性和降低溫升，可有效提高強(qiáng)度、抗?jié)B性和抗硫酸鹽化學(xué)侵蝕性，并有長期作用效果。

7）可有效降低工程成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。因水泥價(jià)格遠(yuǎn)高于石灰石粉，可合理替代部分水泥。

綜上所述，磨細(xì)石灰石粉的最佳摻量是15%，出機(jī)工作性能和60min工作性能均較好，強(qiáng)度、抗?jié)B性能和抗硫酸鹽化學(xué)侵蝕性能有顯著改善，均表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)性能。