石灰石粉做礦物摻合料對水泥路面性能的影響研究

高桂海

(西昌學(xué)院 土木與水利工程學(xué)院，四川 西昌 615000)

水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性及耐久性好等突出優(yōu)點(diǎn)，是中國應(yīng)用最為廣泛的路面結(jié)構(gòu)之一。隨著綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展理念的提出及實(shí)踐，水泥混凝土路面的設(shè)計、施工及運(yùn)營養(yǎng)護(hù)也應(yīng)適應(yīng)時代發(fā)展的需求。筑路材料的研發(fā)不僅要保證混凝土的工作性能、耐久性能和施工性能，還應(yīng)兼顧造價經(jīng)濟(jì)及綠色環(huán)保等需求?，F(xiàn)階段常采用粉煤灰、硅灰和礦渣等礦物摻合料來改善水泥混凝土的施工性能、提高水泥混凝土的耐久性。在一些發(fā)達(dá)國家，除了傳統(tǒng)的礦物摻合料以外，石灰石粉也逐漸被用作水泥混凝土的礦物摻合料。石灰石粉是生產(chǎn)石灰石過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，這種工業(yè)廢料的不當(dāng)處理會造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染的雙重問題。德國率先研發(fā)了6%～20%摻量的石灰石粉硅酸鹽水泥；歐洲水泥標(biāo)準(zhǔn)ENV 197將石灰石粉硅酸鹽水泥中石灰石粉替換比例分為6%～10%和21%～35%兩種；法國標(biāo)準(zhǔn)CPJ45R及CPJ45R建議石灰石粉摻量為10%～25%；日本則在高流動性混凝土和高性能噴射混凝土中廣泛使用石粉替代傳統(tǒng)礦物摻合料，工程應(yīng)用效果良好；嚴(yán)超君研究發(fā)現(xiàn)石灰石粉摻量對混凝土的早強(qiáng)強(qiáng)度及后期強(qiáng)度均有影響，并且調(diào)整石灰石粉在混凝土中摻量可以改善混凝土的工作性能及抗?jié)B性能；陳劍雄等研究表明摻入石灰石粉的混凝土拌和物坍落度提高是由于石灰石粉具有良好的形態(tài)效應(yīng)和填充效應(yīng)；Menéndez等研究證明，石灰石粉用作混凝土的礦物摻合料時，需嚴(yán)格控制石灰石粉細(xì)度。石灰石粉顆粒只有足夠小才可以進(jìn)入到水泥水化產(chǎn)物的空隙中起到微集料填充作用；Takami研究表明隨著石灰石粉摻量的提高，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低。但當(dāng)石灰石粉以添加劑的方式加入混凝土?xí)r，混凝土的抗壓強(qiáng)度得到提高；洪錦祥指出，隨著石灰石粉摻量的提高，混凝土的抗凍性越好；黃漢洋等認(rèn)為石灰石粉孔隙填充作用是其能夠降低混凝土的干燥收縮的關(guān)鍵，因此摻加石灰石粉有利于混凝土的抗凍性；Justnes指出在硫酸鹽侵蝕的條件下石灰石硅酸鹽水泥混凝土?xí)a(chǎn)生質(zhì)量損失、膨脹和強(qiáng)度退化，因此，應(yīng)限制石灰石硅酸鹽水泥在硫酸鹽環(huán)境下的使用。

當(dāng)前，石灰石粉的研究以建筑結(jié)構(gòu)混凝土為主要研究方向，石灰石粉在水泥混凝土路面方面的應(yīng)用研究并不廣泛。此外，中國的石灰石礦產(chǎn)豐富且分布廣泛，石灰石粉產(chǎn)量大、價格低。因此，如果把石灰石粉加入水泥混凝土路面中，不僅能夠改善水泥混凝土路面的性能，而且可以降低造價，達(dá)到綠色環(huán)保的目的。該文通過試驗(yàn)研究石灰石粉的摻加對水泥混凝土的工作性能、力學(xué)性能、耐久性、縮裂性能以及路面耐磨性的影響，可為石灰石粉在水泥混凝土路面中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 原材料及配合比設(shè)計

1.1 原材料

(1)水泥

試驗(yàn)所采用42.5級普通硅酸鹽水泥，其各項性能指標(biāo)均符合有關(guān)規(guī)范要求。

(2)石灰石粉

試驗(yàn)采用的石灰石粉產(chǎn)自山東濟(jì)南，其性能指標(biāo)如表1所示。

表1 石灰石粉性能指標(biāo)

(3)粗細(xì)骨料

細(xì)骨料為級配良好的優(yōu)質(zhì)河砂，含泥量為1.7%，細(xì)度模數(shù)為2.67，表觀密度為2.535 g/cm3。粗骨料為5～30 mm連續(xù)級配碎石，其含泥量可忽略不計。

(4)減水劑

減水率為26.7%的聚羧酸系高性能減水劑。

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計及試件制作

試驗(yàn)中石灰石粉采用等質(zhì)量替換水泥的添加方式，摻量從0變化到30%、間隔5%，所采用的水灰比為0.4，具體的試驗(yàn)配合比如表2所示。

表2 試驗(yàn)配合比設(shè)計

該文采用的混凝土攪拌工藝為礦物摻合料裹砂法。常規(guī)攪拌工藝易引起水泥結(jié)團(tuán)，混凝土拌和物不均勻及存在大量氣泡影響密實(shí)性等問題。礦物摻合料裹砂法可有效避免以上問題，其具體拌制流程為：首先在攪拌機(jī)中加入砂和70%的水?dāng)嚢?0 s，然后加入水泥和石灰石粉繼續(xù)攪拌30 s，此時砂的表面已經(jīng)均勻裹覆上漿體，最后加入碎石、剩余的水及減水劑攪拌60 s?；炷涟韬途鶆蚝蟪尚透鞣N混凝土試件，每組混凝土試件均包含3個平行試件?；炷猎嚰尚秃蠓湃霚囟葹?20±2)℃、相對濕度95%以上的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2 石灰石粉摻量對混凝土工作性能的影響分析

良好的混凝土工作性能不僅可以提高水泥混凝土澆筑質(zhì)量，同時可以起到加快施工進(jìn)度、減小施工噪音以及改善勞動條件的作用。該文中水泥混凝土的工作性能采用坍落度來定量表征，分別測量0%、5%、10%、15%、20%、25%和30%石灰石粉摻量下水泥混凝土的坍落度，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出：水泥混凝土拌和物的坍落度隨著石灰石粉摻量的增加而增加。未添加石灰石粉的水泥混凝土的坍落度為162 mm，而摻加5%、10%、15%、20%、25%和30%石灰石粉的混凝土坍落度比未添加時分別增加了11.73%、26.54%、33.33%、39.51%、46.91%、57.41%。混凝土坍落度與石灰石粉摻量的關(guān)系近似為線性關(guān)系：y=2.957x+167.5。

圖1 不同石灰石粉摻量下混凝土坍落度

從以上結(jié)果可以看出：石灰石粉的加入可以顯著提高混凝土的坍落度，增加混凝土的流動性，改善混凝土的工作性能，更有利于混凝土的施工。石灰石粉產(chǎn)生這種作用的原因在于石灰石粉的形態(tài)效應(yīng)及親水性。石灰石粉表面光滑且比表面積大，在水泥漿體中起到潤滑減阻的作用。隨著石灰石粉摻量的增加，這種作用更為明顯，由此使得混凝土的流動性明顯增加。此外由于石灰石粉具有親水性，能夠?qū)⑺嗨瘯r結(jié)成的水泥團(tuán)打破從而將水釋放出來，進(jìn)而提高混凝土拌和物的流動性。

3 石灰石粉對混凝土強(qiáng)度的影響

3.1 石灰石粉對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

抗壓強(qiáng)度是水泥混凝土最基本的力學(xué)性能指標(biāo)，為研究石灰石粉摻量對抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度增長速度的影響，該文通過對不同摻量和不同齡期的石灰石粉混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，石灰石粉的摻量分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%和30%，測量齡期分別為3、7、28和56 d，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 不同齡期及石灰石粉摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度

從圖2可以看到：混凝土抗壓強(qiáng)度隨石灰石粉摻量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律，且不同齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度隨石灰石粉摻量的變化規(guī)律相同?；炷林惺沂鄣膿搅繌?%增加到10%時，混凝土的抗壓強(qiáng)度有明顯提高，但石灰石粉的摻量從15%繼續(xù)增加至30%的過程中，混凝土的抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為降低趨勢。石灰石粉在混凝土硬化的過程中起加速作用，石灰石粉顆?？勺鳛槌珊嘶w使水泥漿體中的CSH在其上沉淀從而加速水化。此外，石灰石粉具有活性效應(yīng)，可與水泥中鋁相(鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣)發(fā)生反應(yīng)生成水合硅鋁酸鈣，有利于混凝土強(qiáng)度的形成。同時，由于石灰石粉的粒徑小，在混凝土中可以起到良好的填充作用，為此，當(dāng)加入一定量的石灰石粉時，石灰石粉的填充作用提高了混凝土的密實(shí)度，改善了混凝土的級配，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。但由于石灰石粉摻量與混凝土骨架級配相互關(guān)系的制約，過量的石灰石粉不會帶來更優(yōu)的填充效果，反而導(dǎo)致水泥用量的減少，進(jìn)而導(dǎo)致水化產(chǎn)物減少，混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。為此，從抗壓強(qiáng)度的角度，石灰石粉的摻量不宜過多，應(yīng)控制在20%以內(nèi)。

3.2 石灰石粉對混凝土抗折強(qiáng)度的影響

抗折強(qiáng)度作為水泥混凝土路面的重要設(shè)計指標(biāo)，為研究石灰石粉摻量對混凝土抗折強(qiáng)度的影響，分別進(jìn)行0%、5%、10%、15%、20%、25%和30%石灰石粉摻量的混凝土的抗折試驗(yàn)，得到混凝土28 d抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同石灰石粉摻量下混凝土28 d抗折強(qiáng)度

從圖3可以看出：混凝土的抗折強(qiáng)度隨著石灰石粉摻量的增加而降低。在石灰石粉摻量從0%增加到5%、10%、15%、20%、25%和30%的過程中，混凝土抗折強(qiáng)度從5.38 MPa分別變化為5.26、5.19、5.03、4.95、4.83和4.53 MPa?；炷恋目拐蹚?qiáng)度與石灰石粉摻量的函數(shù)關(guān)系可近似表示為：y=-0.026 07x+5.415 4。對于混凝土而言，抗折強(qiáng)度的主要來源之一就是水泥漿體的強(qiáng)度以及水泥漿體與集料的界面結(jié)合強(qiáng)度，而石灰石粉的光滑表面等對水泥漿體強(qiáng)度及界面結(jié)合強(qiáng)度不利，為此，添加石灰石粉的混凝土抗折強(qiáng)度會降低，且摻量越大，影響越嚴(yán)重。

4 石灰石粉對混凝土耐久性的影響

水泥混凝土路面直接暴露于自然環(huán)境中，在服役過程中會受到各種環(huán)境條件的作用。凍融循環(huán)是導(dǎo)致混凝土劣化破壞的主要環(huán)境作用之一，為此，抗凍性常用作混凝土耐久性的評價指標(biāo)之一。采用抗凍試驗(yàn)來研究石灰石粉摻量對混凝土耐久性的影響?？箖鲈囼?yàn)采用規(guī)范中的快凍法進(jìn)行200次凍融循壞，混凝土抗凍性的評價指標(biāo)采用混凝土的質(zhì)量損失和相對動彈性模量。

4.1 石灰石粉對混凝土質(zhì)量損失的影響

水泥混凝土在凍融循壞過程中會產(chǎn)生損傷，混凝土表面易脫落，引起混凝土的質(zhì)量損失。因此，凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量損失可以很好地評價混凝土的抗凍性。試驗(yàn)對各摻量下的石灰石粉混凝土均進(jìn)行200次凍融循環(huán)，凍融循環(huán)過程中記錄各組試件的質(zhì)量，計算質(zhì)量損失，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同石灰石粉摻量下的混凝土的質(zhì)量損失均增加。普通混凝土及5%、10%、15%、20%、25%和30%摻量石灰石粉混凝土經(jīng)過200次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失分別為0.78%、0.65%、0.71%、1.03%、1.37%、1.606%和1.98%。石灰石粉摻量在10%及以下時，石灰石粉混凝土的質(zhì)量損失與普通混凝土的質(zhì)量損失相差不大，甚至略小于普通混凝土。但當(dāng)石灰石粉摻量為15%及以上時，石灰石粉混凝土的質(zhì)量損失明顯要比普通混凝土大。

圖4 石灰石粉混凝土的質(zhì)量損失隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

混凝土內(nèi)部存在許多的孔，混凝土凍融損傷是水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部結(jié)冰后體積膨脹導(dǎo)致的，嚴(yán)重時可使混凝土開裂。為此，混凝土的抗凍性與自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。石灰石粉的填充作用對提高混凝土的密實(shí)度，改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)有利，因此試驗(yàn)中石灰石粉摻量在10%及以下時，石灰石粉混凝土的抗凍性略有提高。但摻加比例過大的石灰石粉到混凝土中時，由于取代水泥的量較大使得水化產(chǎn)物減少，影響混凝土的密實(shí)程度，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土的抗凍性變差。

4.2 石灰石粉對混凝土動彈性模量的影響

混凝土產(chǎn)生凍融損傷時，其動彈性模量會降低，因此可以采用動彈性模量來反映凍融損傷的程度。采用共振法測量普通混凝土及5%、10%、15%、20%、25%和30%摻量的石灰石粉混凝土的動彈性模量。試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

從圖5可以看出：混凝土的相對動彈性模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。經(jīng)過200次凍融循環(huán)之后，普通混凝土及5%、10%、15%、20%、25%和30%摻量的石灰石粉混凝土的相對動彈性模量分別為93.34%、94.42%、93.61%、92.12%、87.4%、83.69%、77.97%。石灰石粉的摻量在10%及以下時，石灰石粉混凝土的相對動彈性模量略大于普通混凝土。當(dāng)石灰石粉摻量為15%及以上時，石灰石粉混凝土的相對動彈性模量明顯要小于普通混凝土。動彈性模量測試結(jié)果與質(zhì)量損失結(jié)果一致，表明較少石灰石粉摻量對混凝土的抗凍性有利，較大石灰石粉摻量對混凝土的抗凍性不利。由以上分析可知：從混凝土抗凍耐久性的角度來看，混凝土中的石灰石粉摻量宜控制在15%以下。

圖5 石灰石粉混凝土的相對動彈性模量隨凍融次數(shù)的變化

5 石灰石粉對混凝土干縮性能的影響

混凝土的收縮引起混凝土的開裂，對于混凝土的強(qiáng)度和耐久性均有影響，為此，混凝土的抗裂性也是評價混凝土性能的重要指標(biāo)。該文對石灰石粉摻量分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%和30%的混凝土試件進(jìn)行了90 d的干燥收縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同石灰石粉摻量混凝土的干縮率隨齡期的變化

從圖6可以看出：混凝土的干縮率隨著齡期的增加而增加，在石灰石粉摻量不超過15%時，不同石灰石粉摻量的混凝土干縮率變化不大。當(dāng)石灰石粉摻量超過15%時，隨著石灰石粉取代水泥用量的增加，干縮不斷增大，故采用過大石灰石粉摻量，對干縮不利。

6 石灰石粉對混凝土耐磨性的影響

水泥混凝土路面長期受到汽車輪胎的磨損，特別是輪胎與路面之間存在塵土砂礫時，路面的磨損更為嚴(yán)重。路面磨損會降低路面的抗滑性能，影響行車安全。為此，耐磨是水泥混凝土路面使用性能的基本要求，該文通過對0%、5%、10%、15%、20%、25%和30%石灰石粉摻量的混凝土進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)來探究石灰石粉摻量對混凝土耐磨性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 混凝土磨耗值隨石灰石粉摻量的變化

從圖7可以看出：混凝土耐磨性隨著石灰石粉摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。在石灰石粉摻量為10%時，磨耗值最大。摻量超過10%后，磨耗值則隨著摻量的增加而不斷減小。由此可知，在混凝土中添加少量的石灰石粉能夠提高混凝土的耐磨性。這是由于石灰石粉的填充效應(yīng)及活性效應(yīng)使得混凝土更為致密，耐磨性提高。但摻量較大時，石灰石粉替代了較多水泥且石灰石粉本身粒徑較小，造成混凝土強(qiáng)度和剛度的降低，耐磨性降低。

綜合以上分析可以看出：在混凝土中適量摻加石灰石粉有利于水泥混凝土的施工和路用性能，但摻量過高則會帶來不利影響。因此，在石灰石粉水泥混凝土路面的設(shè)計中應(yīng)根據(jù)具體材料試驗(yàn)結(jié)果嚴(yán)格控制石灰石粉的摻量。

7 結(jié)論

將石灰石粉等質(zhì)量替代水泥用于水泥混凝土路面中，研究了0%、5%、10%、15%、20%、25%和30%的石灰石粉摻量對混凝土的工作性能、強(qiáng)度特性、抗凍耐久性、干縮特性以及耐磨性的影響，得到以下結(jié)論：

(1)石灰石粉的摻量變化對混凝土的工作性能影響明顯，石灰石粉可以增加混凝土的坍落度，改善混凝土的工作性能。

(2)混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著石灰石粉摻量先增大后減小，從抗壓強(qiáng)度的角度考慮，石灰石粉的摻量不宜過多，宜控制在20%以內(nèi)?；炷恋目拐蹚?qiáng)度則隨著石灰石粉摻量的增加而不斷降低。

(3)石灰石粉的填充作用對提高混凝土的密實(shí)度，改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)有利，石灰石粉摻量在10%及以下時，石灰石粉混凝土的抗凍性略有提高。但超過10%后，隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的抗凍性越來越差。

(4)摻入適量的石灰石粉有利于混凝土耐磨性能的提高。