石灰石粉用作碾壓混凝土摻和料的試驗研究

肖開濤，董 蕓，楊華全

石灰石粉用作碾壓混凝土摻和料的試驗研究

肖開濤a，b，董 蕓a，b，楊華全a，b

（長江科學(xué)院a.材料與結(jié)構(gòu)研究所；b.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010）

研究摻20%，30%，40%石灰石粉的碾壓混凝土的和易性、力學(xué)性能、變形性能、熱學(xué)性能、耐久性、層面結(jié)合等特性，分析石灰石粉在碾壓混凝土中的作用機(jī)理。試驗結(jié)果表明：石灰石粉摻和料對碾壓混凝土的和易性、抗?jié)B、抗凍性能影響較小，隨石粉摻量的增加，碾壓混凝土的凝結(jié)時間變短、強(qiáng)度降低、干縮增大、抗硫酸鹽侵蝕性能與層面結(jié)合強(qiáng)度降低，但其絕熱溫升降低、自生體積變形減小、早期抗壓強(qiáng)度略高。石灰石粉作碾壓混凝土摻和料在工程實踐中具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，應(yīng)用前景廣闊。

石灰石粉；碾壓混凝土；摻和料

石灰石粉是指石灰?guī)r經(jīng)機(jī)械加工后的小于0.16 mm的微細(xì)顆粒，其作為摻和料在碾壓混凝土中的作用也越來越受到人們的重視。大壩內(nèi)部碾壓混凝土的強(qiáng)度、耐久性能要求較低，同時為降低混凝土絕熱溫升、簡化溫控措施、減少混凝土溫度裂縫，粉煤灰摻量大多在60%～70%，從粉煤灰的水化機(jī)理來看，其中較大比例的粉煤灰在碾壓混凝土中主要發(fā)揮形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)，難以水化［1］。當(dāng)石灰石粉摻入碾壓混凝土中時，可與粉煤灰一樣起到填充空隙和包裹砂粒表面的作用。已有的研究和工程實踐表明，適當(dāng)增加人工砂中的石灰石粉含量，能提高碾壓混凝土的和易性和可碾性，并且石灰石粉具有一定的活性，可加速水泥水化與C3A反應(yīng)［2］。采用石灰石粉替代部分粉煤灰用作碾壓混凝土摻和料在技術(shù)上具有可行性，同時，可以彌補(bǔ)工程粉煤灰供應(yīng)不足，降低工程成本、保護(hù)環(huán)境，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 原材料與配合比

1.1 試驗原材料

水泥為新疆南崗水泥廠生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥，減水劑為天山建材有限公司生產(chǎn)的FDN緩凝高效減水劑，引氣劑為山西凱迪外加劑廠生產(chǎn)的KDSF引氣劑，石灰石粉為石灰?guī)r粉磨加工而成，水泥、粉煤灰、骨料、減水劑、引氣劑的品質(zhì)均滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。

石灰石粉的物理性能和主要化學(xué)成分見表1；水泥、粉煤灰和石灰石粉的粒度分析試驗結(jié)果見表2，石灰石粉中小于3μm的微細(xì)顆粒較多，高于粉煤灰和水泥。

表1 石灰石粉物理性能和主要化學(xué)成分Table 1 The physical properties and major chemical composition of limestone powder

表2 水泥、粉煤灰和石灰石粉的粒度分析試驗結(jié)果Table 2 The particle size analysis results of cement，fly ash and limestone po wder

1.2 試驗配合比

按SL352-2006《水工混凝土試驗規(guī)程》在室內(nèi)成型和養(yǎng)護(hù)碾壓混凝土試件，在摻和料總量60%不變的情況下，分別以20%，30%，40%石灰石粉摻量代替部分粉煤灰，研究碾壓混凝土的拌和物性能、力學(xué)性能、熱學(xué)性能、耐久性能和層面結(jié)合特性。碾壓混凝土試驗配合比見表3，減水劑摻量為0.5%，引氣劑摻量為0.055%。

表3 碾壓混凝土試驗配合比Table 3 The test mix of RCC

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 拌和物性能

混凝土拌和物性能及凝結(jié)時間對比試驗結(jié)果見表4。試驗在20℃溫度，50%相對濕度條件下進(jìn)行。

表4 碾壓混凝土拌和物性能和凝結(jié)時間Table 4 The mix performances and settingtimes of RCC

由試驗結(jié)果可知，在用水量相同時，隨石灰石粉摻量增加，混凝土流動性和含氣量均有減小的趨勢，但影響較小。摻石灰石粉和粉煤灰為各30%的碾壓混凝土比單摻粉煤灰60%的初凝時間縮短了9 h 33 min，終凝時間縮短了7 h 12 min。

2.2 力學(xué)性能

不同石灰石粉摻量的碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、極限拉伸值試驗結(jié)果見表5。

表5 碾壓混凝土的力學(xué)性能Table 5 The mechanical properties of RCC

由以上試驗結(jié)果可知：

（1）以石粉取代部分粉煤灰，碾壓混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、極限拉伸值均隨石灰石粉摻量的增加呈下降趨勢。但石灰石粉摻量小于30%時，碾壓混凝土7 d和28 d齡期的抗壓強(qiáng)度略高于單摻粉煤灰的混凝土；摻量大于30%時，低于單摻粉煤灰的混凝土；碾壓混凝土90 d和180 d齡期的抗壓強(qiáng)度隨石粉摻量增加而降低。

（2）以28 d齡期的抗壓強(qiáng)度為100%，以石粉取代部分粉煤灰，碾壓混凝土7 d齡期的抗壓強(qiáng)度增長率基本不變，但其90 d齡期的抗壓強(qiáng)度增長率比單摻粉煤灰碾壓混凝土的抗壓強(qiáng)度增長率平均低20%左右。

2.3 變形性能

碾壓混凝土干燥收縮率試驗結(jié)果見圖1，自生體積變形試驗結(jié)果見圖2。

圖1 摻石灰石粉碾壓混凝土的干縮率Fig.1 The drying shrinkage rate of RCCadded by the limestone powder

圖2 摻石灰石粉碾壓混凝土的自生體積變形Fig.2 The autogenous volume deformation of RCCadded by the limestone powder

由試驗結(jié)果可知：

（1）以石粉取代粉煤灰，對碾壓混凝土早齡期干縮率影響較小，但7 d齡期后，摻石粉碾壓混凝土的干縮率比單摻粉煤灰的混凝土明顯增加；

（2）在水膠比和摻和料總量相同時，隨著摻和料中石粉取代量的增加，混凝土的干縮率有增加的趨勢，但相差較?。?/p>

（3）石灰石粉替代部分粉煤灰后，碾壓混凝土的自生體積變形值變大。

2.4 熱學(xué)性能

摻石灰石粉和粉煤灰膠凝材料體系的水化熱試驗結(jié)果見表6，摻石灰石粉碾壓混凝土的絕熱溫升試驗結(jié)果見表7。

表6 膠凝材料的水化熱Table 6 The hydration heats of cementitious material

表7 碾壓混凝土的絕熱溫升Table 7 The adiabatic temperature rises of RCC

由試驗結(jié)果可知：摻石灰石粉膠凝材料的3 d水化熱降低了2.5%～16.5%，7 d水化熱降低了7.8%～14.0%；在初始溫度相同時，碾壓混凝土1 d齡期內(nèi)的絕熱溫升值明顯升高，1 d齡期后絕熱溫升值開始低于單摻粉煤灰的混凝土，石灰石粉摻量為30%時，28 d齡期的絕熱溫升值比單摻粉煤灰的碾壓混凝土低1.8℃，最終絕熱溫升值低2.7℃。

2.5 耐久性

碾壓混凝土90 d齡期的抗?jié)B、抗凍性能試驗結(jié)果見表8。由試驗結(jié)果可知，在水膠比0.46，摻和料總摻量60%條件下，以石灰石粉替代部分粉煤灰，對碾壓混凝土的抗?jié)B、抗凍性均影響較小，且混凝土具有較高的抗?jié)B性能和抗凍性能。

表8 碾壓混凝土抗?jié)B、抗凍性能Table 8 The impermeability and antifreeze performances of RCC

鄧德華等采用20%的石灰石粉摻量分別研究了水泥凈漿和砂漿的抗蝕系數(shù)，試驗結(jié)果表明：石灰石粉在硫酸鹽環(huán)境中可反應(yīng)產(chǎn)生石膏、鈣礬石或碳硫硅鈣石［3～5］，對砂漿或混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能有一定的影響，可導(dǎo)致水泥基材料在硫酸鹽環(huán)境下產(chǎn)生體積膨脹和開裂，并導(dǎo)致其強(qiáng)度下降。因此，在含有硫酸鹽的土壤、地下水和海水環(huán)境中，不應(yīng)采用摻有石灰石粉作混合材的復(fù)合水泥或用石灰石粉作混凝土的礦物摻合料。

2.6 層面結(jié)合特性

按DL／T 5150-2001《水工混凝土試驗規(guī)程》對2組混凝土進(jìn)行了抗剪斷強(qiáng)度試驗，分0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 MPa 5級加載法向應(yīng)力，采用最小二乘法分別計算其剪應(yīng)力、殘余應(yīng)力、摩擦應(yīng)力下的摩擦系數(shù)和粘聚力，并計算法向應(yīng)力為2.5 MPa時的極限抗剪強(qiáng)度，試驗結(jié)果見表9。

表9 碾壓混凝土抗剪斷強(qiáng)度Table 9 The shear strengths of RCC

由試驗結(jié)果可知：在相同的層面間隔時間和相同的層面處理措施下，以石粉取代部分粉煤灰，碾壓混凝土的極限抗剪強(qiáng)度、粘聚力和摩擦系數(shù)均有所降低，且隨著齡期的增長，兩者差距增大。

3 石灰石粉在碾壓混凝土中的作用機(jī)理

石灰石粉在碾壓混凝土中的作用主要有：①填充效應(yīng)——石灰石粉的顆粒多為無棱角的不規(guī)則體，平均顆粒粒徑較粉煤灰和水泥顆粒小，細(xì)顆?？商畛湓谀z凝材料粒子之間或膠凝材料與骨料的界面之間，改善混凝土基相材料的顆粒級配，使水泥漿體更加密實；②促進(jìn)C3S的水化——石灰石粉為氫氧化鈣的結(jié)晶提供晶核，改變Ca（OH）2晶體的尺寸，且粒度越小，作用越明顯［6］；③與 C3A 反應(yīng)［2］——石灰石粉顆粒在水化的過程中可以與水泥中的C3A和C4AF發(fā)生反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鈣［7］，從而改善水泥基材料的一些性能，且石灰石粉粒徑越小，其活性越高［8］。但這種作用只在早期顯著，28d后往往被忽略不計。

石灰石粉的填充效應(yīng)改善了混凝土的抗?jié)B、抗凍性能；促進(jìn)水化和活性效應(yīng)，使水泥早期放熱量增大，放熱速度加快，混凝土早期絕熱溫升（1 d）變大，終凝時間變短；而摻石灰石粉混凝土的早期強(qiáng)度比單摻粉煤灰的混凝土高，是這3種效應(yīng)綜合作用的結(jié)果，但石灰石粉的活性遠(yuǎn)低于粉煤灰，以石粉代替粉煤灰后，混凝土中膠凝材料相對降低，使粗細(xì)骨料與水泥石之間的粘結(jié)強(qiáng)度降低，從而降低了層面結(jié)合、劈拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能，同時，在后期水泥與粉煤灰的二次水化使混凝土的自生體積變形增大，干燥收縮減小。

4 結(jié)語

對摻石灰石粉和粉煤灰的碾壓混凝土性能研究結(jié)果表明：以石灰石粉代替部分粉煤灰用作摻和料對碾壓混凝土的和易性、抗?jié)B、抗凍性能影響較小，隨石粉摻量的增加，碾壓混凝土的凝結(jié)時間變短、強(qiáng)度降低、干縮增大、抗硫酸鹽侵蝕性能降低、層面結(jié)合強(qiáng)度降低，但絕熱溫升降低、自生體積變形減小、早期抗壓強(qiáng)度略高。石灰石粉作碾壓混凝土摻和料時對其性能影響較大，主要是石灰石粉的填充效應(yīng)、活性效應(yīng)和促進(jìn)水化作用的結(jié)果，在工程應(yīng)用中需經(jīng)過試驗論證。建議石灰石粉應(yīng)和活性摻和料（如礦渣、硅粉、粉煤灰）混合使用，且在含有硫酸鹽的土壤、地下水和海水環(huán)境中，不宜采用石灰石粉作為混凝土摻和料，為使石灰石粉在碾壓混凝土施工中得到更廣泛的應(yīng)用，還需進(jìn)一步研究石灰石粉及其在混凝土中的性能，并制定石灰石粉的質(zhì)量指標(biāo)和水工混凝土摻用石灰石粉的技術(shù)規(guī)范。

［1］ 陳改新，姜福田，紀(jì)國晉，等.碾壓混凝土筑壩材料研究［C］∥張嚴(yán)明，王圣培，潘羅生.中國碾壓混凝土壩20年.北京：中國水利水電出版社，2006：506-513.

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［3］ 鄧德華，肖 佳，元 強(qiáng)，等.石灰石粉對水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕性的影響及其機(jī)理［J］.硅酸鹽學(xué)報，2006，34（10）：1243-1248.

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Test Study of Limestone Powder Mixed in RCC

XIAO Kai-tao，DONG Yun，YANG Hua-quan
（Yangtze River Scientific Research Institute，Research Center of Water Engineering Safety and Disaster Prevention of Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，China）

Workability，mechanical properties，deformation performances，thermal behaviors，durability and combination between layers of RCC with containing limestone powder of 20%，30%and 40%were researched，and the action mechanism of limestone powder in RCC was analyzed.The test results showed that the influence of the limestone admixture on workability，impermeability，antifreeze performance is little，and that with the increase of the limestone powder content，the setting time of RCC is shortened，the adiabatic temperature rise and strength are reduced，the drying shrinkage and autogenous volume deformation are increased，the sulphate resistance property and the combination strength between layers are reduced.Limestone powder used for RCC admixture in engineering practice has excellent economic，social benefits and wide prospects.

limestone powder；RCC（roller compacted concrete）；admixture

TU528.01

A

1001-5485（2009）03-0044-04

2008-05-08；

2008-10-18

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項目（YWF0728／CL01）；國家自然科學(xué)基金項目（50539010）

肖開濤（1979-），男，湖北監(jiān)利人，工程師，主要從事水工混凝土及原材料研究，（電話）027-82926347（電子郵件）xiaokt＠m(xù)ail.crsri.cn。

（編輯：王 慰）