石灰石粉取代礦物摻合料對(duì)混凝土性能的影響研究★

高中輝，王根立，盧曉磊

(1.山東省路橋集團(tuán)科技發(fā)展有限公司，山東 濟(jì)南 250200；2.山東省公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250013；3.濟(jì)南大學(xué) 山東省建筑材料制備與測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250022)

1 概述

近年來(lái)，我國(guó)混凝土產(chǎn)量已超過(guò)20億m3/a[1]。隨著我國(guó)“碳達(dá)峰·碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，火力發(fā)電、鋼鐵冶金和建材行業(yè)首當(dāng)其沖，導(dǎo)致混凝土用粉煤灰和礦渣粉的原材料越來(lái)越緊俏[2]。因此開(kāi)發(fā)礦物摻合料替代技術(shù)，實(shí)現(xiàn)混凝土綠色低碳發(fā)展勢(shì)在必行。

我國(guó)石灰石儲(chǔ)量豐富，研究表明石灰石粉可以改善混凝土工作性，且其雖然活性不高，但并不完全是一種惰性摻合料[3-5]。馬燁紅等[6]研究發(fā)現(xiàn)石灰石粉取代水泥后，導(dǎo)致水泥砂漿和混凝土的流動(dòng)性下降。雷昌聚[7]的研究表明，摻加石灰石粉能夠提高混凝土的流動(dòng)性，降低坍落度損失，且摻量合適還可以改善混凝土的強(qiáng)度。陳劍雄等[8-9]研究發(fā)現(xiàn)石灰石粉和鈦礦渣粉按1∶2的比例復(fù)摻時(shí)，配制出高強(qiáng)混凝土的工作性和強(qiáng)度均優(yōu)于空白組。此外，還有學(xué)者探究了石灰石粉對(duì)混凝土耐久性影響。S.Tsivilis等[10]研究發(fā)現(xiàn)，摻加石灰石粉會(huì)提升混凝土的抗氯離子滲透性能，降低了混凝土中鋼筋銹蝕風(fēng)險(xiǎn)。鄧德華等[11]研究結(jié)果表明常溫下在水泥砂漿中摻加石灰石粉，會(huì)降低水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕的性能，因此在含有硫酸鹽的環(huán)境中，不適于采用摻加石灰石粉的砂漿或混凝土。G.Kakali等[12]研究表明溫度低于5 ℃時(shí)，硫酸鹽環(huán)境中石灰石粉混凝土?xí)l(fā)生碳硫硅鈣石侵蝕破壞。

綜上所述，石灰石粉具有和其他摻合料相似的諸多特點(diǎn)，如物理填充效應(yīng)和參與水化反應(yīng)等[13-16]。因此將石灰石粉取代少量其他摻合料，加入到混凝土后不僅可以彌補(bǔ)原材料短缺，還對(duì)混凝土的性能有改善作用?；诖?，本文利用石灰石粉取代一定量的粉煤灰和礦粉，探究了石灰石粉取代部分礦物摻合料對(duì)混凝土流動(dòng)性和強(qiáng)度的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)原材料與方法

2.1 試驗(yàn)原材料

1)水泥。

試驗(yàn)采用山東某水泥公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，物理性能見(jiàn)表2。

表1 水泥的化學(xué)成分

表2 水泥的物理性能

2)粉煤灰。

試驗(yàn)采用濟(jì)南某電廠(chǎng)生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，其物理性能見(jiàn)表3，粉煤灰和礦粉的化學(xué)成分見(jiàn)表4。

表3 粉煤灰的物理性質(zhì) %

表4 粉煤灰和礦粉的主要化學(xué)成分 %

3)石灰石粉。

試驗(yàn)所用石灰石粉取自濟(jì)南某混凝土企業(yè)，比表面積465 m2/kg，化學(xué)成分見(jiàn)表5。

表5 石灰石粉的化學(xué)成分分析 %

4)細(xì)骨料。

試驗(yàn)所用細(xì)骨料取自濟(jì)南某混凝土企業(yè)，河砂(黃砂)和機(jī)制砂按一定配比混合使用，顆粒級(jí)配分別見(jiàn)表6,表7。

表6 河砂的顆粒級(jí)配

表7 機(jī)制砂的顆粒級(jí)配

5)粗骨料。

試驗(yàn)用粗骨料取自濟(jì)南某混凝土企業(yè)的石灰石碎石，粒徑5 mm～25 mm連續(xù)級(jí)配。

6)外加劑。

聚羧酸減水劑：山東某廠(chǎng)生產(chǎn)，固含量11%。

7)實(shí)驗(yàn)用水。

本試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 混凝土坍落度測(cè)試

以C30和C40混凝土配合比為基準(zhǔn)，混凝土坍落度試驗(yàn)按普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50080—2016進(jìn)行測(cè)試，石灰石粉按15%，30%，45%，60%等質(zhì)量取代粉煤灰，試驗(yàn)配合比見(jiàn)表8。石灰石粉按15%，30%，45%,60%的比例等質(zhì)量取代礦粉，試驗(yàn)配合比見(jiàn)表9。

表8 石灰石粉取代粉煤灰的混凝土配合比

表9 石灰石粉取代礦粉的混凝土配合比

2.2.2 混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試

按照混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081—2019對(duì)C30和C40混凝土進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。首先成型C30和C40混凝土將成型后的試塊連同試模一起放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中，養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，至7 d和28 d齡期時(shí)，取出測(cè)試混凝土的抗壓強(qiáng)度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 混凝土的工作性能

3.1.1 石灰石粉取代粉煤灰對(duì)混凝土工作性能的影響

石灰石粉等質(zhì)量取代粉煤灰的混凝土坍落度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，石灰石粉等質(zhì)量部分取代粉煤灰摻加到混凝土中，無(wú)論是C30還是C40混凝土，當(dāng)石灰石粉取代粉煤灰的量小于15%時(shí)，混凝土拌合物坍落度都隨石灰石粉取代量的增大而增大。當(dāng)石灰石粉取代粉煤灰的量大于15%時(shí)，其坍落度又隨石灰石粉取代量的增大而減小。當(dāng)石灰石粉取代粉煤灰質(zhì)量的15%時(shí)，石灰石粉對(duì)混凝土坍落度改善最為顯著，說(shuō)明石灰石粉的最佳取代量為15%。

對(duì)于C30混凝土，空白組的混凝土拌合物的坍落度為200 mm，石灰石粉取代粉煤灰質(zhì)量的15%時(shí)，混凝土拌合物的坍落度達(dá)到最大值，比空白組增加了20 mm，這可能是由于石灰石粉等量部分取代粉煤灰，當(dāng)取代量較小時(shí)，由于石灰石粉顆粒較細(xì)，改善了混凝土的顆粒級(jí)配，石灰石粉顆粒填充在空隙中，釋放出空隙中的水，因而混凝土拌合物坍落度增大。當(dāng)石灰石粉取代粉煤灰質(zhì)量的30%時(shí)，混凝土拌合物的坍落度與空白組的混凝土拌合物坍落度相當(dāng)；石灰石粉取代粉煤灰的量為45%和60%時(shí)，混凝土拌合物坍落度比空白組分別降低了5 mm和15 mm，這主要是因?yàn)楫?dāng)取代量較大時(shí)，由于石灰石粉的細(xì)粉含量多，比表面積大，需水量比粉煤灰大，因而消耗的水量大，從而使混凝土的坍落度減小。且石灰石粉取代量越大，消耗的水越多，混凝土拌合物的坍落度越小。

對(duì)于C40混凝土，石灰石粉取代粉煤灰質(zhì)量的15%時(shí)，混凝土拌合物的坍落度比空白組增加了15 mm；當(dāng)石灰石粉取代粉煤灰質(zhì)量的30%和45%時(shí)，混凝土拌合物坍落度與空白組相當(dāng)；石灰石粉取代粉煤灰質(zhì)量的60%時(shí)，混凝土拌合物的坍落度降低了10 mm，表明石灰石粉等質(zhì)量部分取代粉煤灰對(duì)C30和C40混凝土工作性能的影響規(guī)律是一致的。

3.1.2 石灰石粉取代礦粉對(duì)混凝土工作性能的影響

石灰石粉等質(zhì)量部分取代礦粉的混凝土拌合物坍落度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，石灰石粉等質(zhì)量部分取代礦粉時(shí)，對(duì)C30混凝土，拌合物的坍落度隨石灰石粉取代量的增大而減小。取代量為15%,30%,45%和60%的混凝土拌合物坍落度比空白組分別減小了5 mm,5 mm,10 mm和20 mm，說(shuō)明對(duì)于C30混凝土，石灰石粉部分取代礦粉時(shí)，混凝土拌合物的工作性能變差，且石灰石粉取代礦粉的量越大，混凝土拌合物的工作性能越差。

對(duì)于C40混凝土，當(dāng)石灰石粉取代礦粉的量小于15%時(shí)，混凝土拌合物的坍落度隨石灰石粉取代量的增大而增大。石灰石粉取代量為15%時(shí)，混凝土拌合物坍落度最大，比空白組增大了10 mm，說(shuō)明在C40混凝土中摻加適當(dāng)?shù)氖沂廴〈V粉能夠提高混凝土拌合物的工作性能。當(dāng)石灰石粉取代礦粉的量大于15%時(shí)，混凝土拌合物的坍落度隨石灰石粉取代量的增大而減小，這可能是由于C40混凝土使用的粉體材料較多，當(dāng)石灰石粉取代礦粉的量較小時(shí)，石灰石粉占粉體材料的比例較小，摻加石灰石粉后，改善了混凝土的顆粒級(jí)配，由于石灰石粉的顆粒形貌效應(yīng)和填充效應(yīng)，填充在空隙中，釋放出空隙中的水。而且因石灰石粉顆粒的球形度較好，填充在空隙中時(shí)，還能起到滾珠作用[17]，從而使混凝土拌合物的坍落度增大。石灰石粉取代礦粉的量為30%時(shí)，混凝土坍落度與空白組相同。石灰石粉取代礦粉的量為45%和60%時(shí)，混凝土拌合物的坍落度比空白組坍落度分別減小了10 mm和15 mm。說(shuō)明對(duì)于C40混凝土，當(dāng)石灰石粉等質(zhì)量取代礦粉的質(zhì)量大于45%時(shí)，會(huì)降低混凝土拌合物的工作性能，因?yàn)楫?dāng)石灰石粉取代礦粉的量較大時(shí)，由于石灰石粉表面吸附水的效應(yīng)大于填充效應(yīng)和顆粒形貌效應(yīng)，因而在混凝土拌合物中石灰石粉的表面吸附水起主導(dǎo)作用，由于石灰石粉顆粒較細(xì)，比表面積大，需水量比礦粉大，因而消耗的水多，參與混凝土拌合物流動(dòng)的水較少，所以混凝土拌合物的坍落度減小。

3.2 混凝土的力學(xué)性能

3.2.1 石灰石粉取代粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

石灰石粉取代粉煤灰的混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，對(duì)于C30混凝土，石灰石粉等質(zhì)量部分取代粉煤灰時(shí)，混凝土的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度都比空白組要高，且隨著石灰石粉取代粉煤灰的量的增大而增大，石灰石粉取代量為15%,30%,45%和60%的混凝土7 d強(qiáng)度比空白組分別增加了1.4%,7.8%,18.0%和23.5%，28 d強(qiáng)度比空白組分別增加了4.5%,5.0%,8.3%和15.3%。石灰石粉取代粉煤灰的量大于30%時(shí)，混凝土7 d抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)較28 d更大。因?yàn)閷?duì)于C30混凝土，石灰石粉取代粉煤灰后，改善了混凝土的顆粒級(jí)配。細(xì)小的石灰石顆粒填充在空隙中，降低了混凝土的空隙率，增加了硬化混凝土的密實(shí)度，因而混凝土的抗壓強(qiáng)度增加。由于C30混凝土使用的粉體材料較少，石灰石粉取代粉煤灰的量越大，填充效應(yīng)越好，混凝土密實(shí)度越高，混凝土的抗壓強(qiáng)度越大。

對(duì)于C40混凝土，石灰石粉等質(zhì)量部分取代粉煤灰時(shí)，7 d混凝土的抗壓強(qiáng)度均高于空白組，且當(dāng)石灰石粉取代量小于45%時(shí)，7 d混凝土的抗壓強(qiáng)度隨石灰石粉取代量的增大而增大；當(dāng)石灰石粉取代量大于45%時(shí)，7 d混凝土的抗 壓強(qiáng)度隨石灰石粉取代量的增大而減小。當(dāng)石灰石粉取代粉煤灰的量為15%時(shí)，28 d混凝土的抗壓強(qiáng)度比空白組大，而當(dāng)石灰石粉取代量大于15%時(shí)，混凝土的28 d強(qiáng)度隨石灰石粉取代量的增大而減小。因?yàn)閷?duì)于C40混凝土，石灰石粉取代粉煤灰的質(zhì)量較小時(shí)，石灰石粉的填充作用使混凝土的抗壓強(qiáng)度增大。但當(dāng)石灰石粉取代粉煤灰質(zhì)量較大時(shí)，由于C40混凝土使用的粉體材料較多，石灰石粉的填充作用減小，且石灰石粉活性比粉煤灰低，因而強(qiáng)度下降。

3.2.2 石灰石粉取代礦粉對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

石灰石粉部分取代礦粉的混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，石灰石粉等質(zhì)量部分取代礦粉，對(duì)于C30和C40混凝土，7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均隨石灰石粉取代量的增大先增大后減小。當(dāng)石灰石粉取代量小于15%時(shí)，C40混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度隨石灰石粉取代量的增大而增大。當(dāng)石灰石粉取代礦粉的量大于15%時(shí)，C40混凝土的7 d強(qiáng)度隨石灰石粉取代量的增大而減小。當(dāng)石灰石粉取代礦粉的量小于30%時(shí)，C30和C40混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度均隨石灰石粉取代量的增大而增大；當(dāng)石灰石粉取代量大于30%時(shí)，C30和C40混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度隨 石灰石粉摻量的增大而減小。對(duì)于C30混凝土，石灰石粉取代礦粉的量為15%,30%和45%的7 d抗壓強(qiáng)度都大于空白組，石灰石粉取代量為15%和30%的28 d抗壓強(qiáng)度都大于空白組。對(duì)于C40混凝土，當(dāng)石灰石粉取代量為15%和30%的7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度均大于空白組。說(shuō)明石灰石粉部分取代礦粉時(shí)，較小的摻量能提高C30和C40混凝土的抗壓強(qiáng)度。但是當(dāng)石灰石粉取代礦粉的質(zhì)量大于60%時(shí)，會(huì)降低C30和C40混凝土的抗壓強(qiáng)度。

石灰石粉等質(zhì)量部分取代礦粉，無(wú)論是C30混凝土還是C40混凝土，當(dāng)石灰石粉的取代量較小時(shí)，由于石灰石粉的顆粒較細(xì)，改善了混凝土顆粒級(jí)配，并填充在空隙中，增大了硬化混凝土的密實(shí)度，因而強(qiáng)度增大。但石灰石粉的取代量較大時(shí)，由于石灰石粉的活性比礦粉低，因而混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。

4 結(jié)論

1)以混凝土的坍落度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，就石灰石粉取代粉煤灰而言，對(duì)C30和C40混凝土流動(dòng)性的影響規(guī)律是一致的，石灰石粉的最佳取代量為15%；就石灰石粉取代礦粉而言，隨著取代量增加，C30混凝土拌合物坍落度減小，而對(duì)于C40混凝土，當(dāng)石灰石粉的取代量也為15%時(shí)，混凝土坍落度值最大。

2)以混凝土的抗壓強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，當(dāng)石灰石粉取代粉煤灰時(shí)，C30混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度均高于空白組，而對(duì)于C40混凝土，當(dāng)石灰石粉的取代量為15%時(shí)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到最大。當(dāng)石灰石粉取代礦粉時(shí)，對(duì)于C30和C40混凝土強(qiáng)度，均在石灰石粉的取代量為30%達(dá)到最大。