石灰石粉在C50 預(yù)制梁混凝土中應(yīng)用研究

周綠丹

（保利長(zhǎng)大工程有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

為節(jié)能環(huán)保，并積極推動(dòng)碳減排的工作，我國正式提出2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年前碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)。而基礎(chǔ)性設(shè)施建設(shè)在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到非常重要的作用，水泥的大量生產(chǎn)及應(yīng)用不可避免導(dǎo)致碳排放量的增加，因此，用大摻量礦物摻合料取代水泥生產(chǎn)混凝土已成為混凝土行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前常見礦物摻合料有粉煤灰和礦粉，但廣東省內(nèi)由于火力發(fā)電廠較少，粉煤灰市場(chǎng)常出現(xiàn)供不應(yīng)求，以次充好的現(xiàn)象，嚴(yán)重地影響工程實(shí)體的質(zhì)量，因此尋找粉煤灰的替代品是市場(chǎng)發(fā)展的迫切需求[1]。

石灰石粉是石灰?guī)r經(jīng)破碎粉磨后的一種礦物質(zhì)細(xì)粉料，細(xì)度可根據(jù)客戶需求從幾目到上千目不等，有研究表明石灰石粉不完全是一種惰性礦物材料，用石灰石粉取代少量水泥在低標(biāo)混凝土中已得到成功應(yīng)用[2]?，F(xiàn)用石灰石粉取代粉煤灰，研究石灰石粉對(duì)C50 預(yù)制梁混凝土性能影響。

1 原材料

水泥采用江門海螺水泥廠生產(chǎn)的PⅡ42.5 水泥，礦粉是唐山曹妃甸盾石新建材有限公司生產(chǎn)的S95 礦粉，石灰石粉為廣東立偉達(dá)礦業(yè)有限公司325 目重質(zhì)碳酸鈣。原材檢驗(yàn)報(bào)告見表1 所列，砂為西江中砂，碎石為江門市新會(huì)大澤永鑫石業(yè)有限公司生產(chǎn)的5～25 mm 連續(xù)繼配碎石，減水劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA-Ⅰ聚羧酸高性能減水劑。

表1 石灰石粉原材檢驗(yàn)報(bào)告一覽表

2 石灰石粉摻量對(duì)C50 預(yù)制梁混凝土性能的影響

在配合比設(shè)計(jì)過程中，保持水灰比和膠材總量不變，按照C50 強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過調(diào)整石灰石粉摻量，研究不同石灰石粉摻量對(duì)C50 混凝土物理性能的影響（見表2）。由表2 可以看出，隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的初始坍落度逐漸增加，原因是磨細(xì)石灰石粉具有與粉煤灰類似的形貌效應(yīng)，能在混凝土中發(fā)揮物理緊密填充以及減水作用，改善混凝土粘性[3]，進(jìn)而降低混凝土流動(dòng)阻力。隨著石灰石粉摻量增加，28 d 齡期混凝土抗壓強(qiáng)度先增加后減小，當(dāng)石灰石粉摻量為16%時(shí)，該三元膠凝材料體系混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，原因是石灰石粉活性指數(shù)較低，在總摻合料用量一定情況下，必然引起最終混凝土抗壓強(qiáng)度有所降低。但是石灰石粉的填充效應(yīng)可有效改善混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)，對(duì)混凝土強(qiáng)度有一定的貢獻(xiàn)作用[4]。因此，石灰石粉合理摻量宜控制在16%左右。

表2 C50 混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能檢測(cè)一覽表

3 石灰石粉對(duì)C50 預(yù)制梁混凝土力學(xué)性能的影響

綜合考慮混凝土性能和單方成本，選用表2 中2# 混凝土配合比在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行混凝土試拌并成型試件，靜置1 d 后脫模，然后搬到混凝土養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。待養(yǎng)護(hù)齡期為2 d，7 d 和28 d 時(shí)，分別檢測(cè)混凝土試件抗壓強(qiáng)度及靜壓彈性模量（見表3），進(jìn)而研究石灰石粉對(duì)C50 預(yù)制梁混凝土力學(xué)性能的影響，測(cè)試方法參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》JTG 3420-2020 要求執(zhí)行。

表3 不同齡期C50 預(yù)制梁混凝土的力學(xué)性能一覽表

從表3 可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，該C50預(yù)制梁混凝土抗壓強(qiáng)度和靜壓彈性模量均逐漸增大。該C50 混凝土2 d 抗壓強(qiáng)度為51.4 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的103%，2 d 靜彈性模量為3.24×104N/mm2，達(dá)到28 d 混凝土彈性模量的84%，同時(shí)滿足混凝土強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)值80%，彈性模量應(yīng)不低于混凝土28 d 實(shí)測(cè)值80%的張拉條件要求，原因在于石灰石粉對(duì)水泥早期水化有促進(jìn)作用，大量的碳酸鈣和C3A 反應(yīng)生產(chǎn)化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定的單硫型鈣礬石，從而促進(jìn)水泥基材料早期強(qiáng)度的提高[5]。故自加水拌合開始算起，養(yǎng)護(hù)2 d 后即可進(jìn)行預(yù)制梁板的張拉，大大縮短產(chǎn)梁周期。

4 水化熱試驗(yàn)

水化熱試驗(yàn)采用TamAir 微量水化熱儀在72 h內(nèi)持續(xù)地檢測(cè)凈漿樣品在水化過程中的放熱量及放熱速率（見圖1 和圖2）。兩組試樣水膠比均為0.33，環(huán)境溫度為25℃，一組膠材為純水泥基準(zhǔn)樣，一組膠材為2#配合比中所列組份及比例的對(duì)比樣。從圖1可以看出，石灰石粉取代水泥后，一方面降低了膠凝材料體系的水化放熱總量，混凝土內(nèi)部溫升降低，有利于結(jié)構(gòu)物溫縮裂縫的控制；另一方面對(duì)比樣早期水化放熱速率增大，說明水化放熱量比基準(zhǔn)樣大，相應(yīng)的水化反應(yīng)快，從側(cè)面證實(shí)了石灰石粉能促進(jìn)水泥早期水化。隨著水化不斷進(jìn)行，早期強(qiáng)度不斷增加，從而驗(yàn)證了用石灰石粉取代粉煤灰生產(chǎn)C50 預(yù)制梁，早期強(qiáng)度發(fā)展得快，可縮短張拉時(shí)間的合理性。

圖1 石灰石粉對(duì)水化放熱速率的影響曲線圖

圖2 石灰石粉對(duì)水化放熱量的影響曲線圖

5 石灰石粉對(duì)C50 預(yù)制梁混凝土耐久性的影響

由于混凝土耐久性能直接影響到整個(gè)橋梁的使用壽命，因此，在混凝土配合比設(shè)計(jì)過程中，不僅要綜合考慮混凝土的工作性能和力學(xué)性能，更要注重混凝土的耐久性能，故該試驗(yàn)通過抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量?jī)蓚€(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)混凝土的耐久性能，研究石灰石粉對(duì)C50 預(yù)制梁混凝土耐久性的影響。實(shí)驗(yàn)采用RCM 法測(cè)定混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)，在試驗(yàn)室內(nèi)直接用φ100 mm×50 mm 試模成型制作試件，靜置1 d 后拆模并移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)前將試件飽水24 h，試驗(yàn)結(jié)果見表4 所列。從表4 可以看出，該混凝土28 d 氯離子擴(kuò)散系數(shù)為5.1×10-12m2/s，84 d 氯離子擴(kuò)散系數(shù)為2.8×10-12m2/s，滿足在Ⅲ類海洋環(huán)境中抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)的技術(shù)要求，原因在于石灰石粉中微細(xì)硅質(zhì)、鋁質(zhì)顆粒具有一定反應(yīng)活性，能與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)生產(chǎn)水化硅酸鈣凝膠，阻斷混凝土內(nèi)部孔隙連通，提高混凝土的致密性，從而提高混凝土耐久性能[6]。

表4 氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果一覽表

電通量試驗(yàn)參照《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）中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，測(cè)試齡期為28 d。從表5 可以看出，該混凝土28 d 電通量小于1 000 C，滿足Ⅲ類海洋環(huán)境下電通量的技術(shù)要求。有文獻(xiàn)表明在氯鹽或化學(xué)侵蝕環(huán)境下，當(dāng)混凝土電通量小于1 000 C 時(shí)，可滿足混凝土使用壽命達(dá)到100 a 的耐久性能要求。

表5 電通量測(cè)試結(jié)果一覽表

6 結(jié) 論

（1）石灰石粉可以作為一種礦物摻合料取代粉煤灰用于混凝土生產(chǎn)，其合理摻量在16%左右，此時(shí)混凝土性能表現(xiàn)最佳。

（2）石灰石粉能誘導(dǎo)前期水化，提高混凝土早期強(qiáng)度，有利于縮短預(yù)制梁張拉時(shí)間，提高產(chǎn)梁周期。

（3）石灰石粉潛在的活性效應(yīng)能改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，用石灰石粉配制出混凝土耐久性優(yōu)良，能滿足惡劣環(huán)境下抗?jié)B性技術(shù)要求。