西藏水電工程采用石灰石粉作為混凝土摻合料的試驗(yàn)研究

李光偉， 鄧長軍

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

西藏水電工程采用石灰石粉作為混凝土摻合料的試驗(yàn)研究

李光偉， 鄧長軍

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

受客觀條件的限制，西藏地區(qū)水電工程中混凝土摻和料需從內(nèi)地長距離運(yùn)輸獲得，這樣不但增加了工程造價(jià)，同時(shí)也存在著由于摻和料供應(yīng)不及時(shí)而影響工程進(jìn)度的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合西藏水電工程的實(shí)際，開展了采用石灰石粉作為混凝土摻和料的試驗(yàn)。研究結(jié)果表明: 采用石灰石粉作為摻合料能改善混凝土的和易性，提高混凝土的力學(xué)及耐久性能，將石灰石粉作為摻和料用于西藏地區(qū)水電工程的混凝土在技術(shù)上是可行的。

石灰石粉; 西藏地區(qū); 水工混凝土; 摻和料

0 前 言

由于摻合料具有一定的活性效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)以及填充效應(yīng)，可以改善水泥膠凝材料組成，從而提高混凝土的和易性，提高混凝土的強(qiáng)度、耐久性以及體積的穩(wěn)定性，因而成為配制水工高性能混凝土不可或缺的組成部分。西藏水電資源十分豐富，技術(shù)可開發(fā)水電資源占全國20%。但西藏地區(qū)工業(yè)基礎(chǔ)較為薄弱，水工混凝土常用的粉煤灰和礦渣等礦物摻和料相當(dāng)匱乏，因此選用容易獲得、儲(chǔ)量豐富、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的摻合料是西藏地區(qū)水電建設(shè)中水工高性能混凝土設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

石灰石粉主要指由石灰?guī)r經(jīng)機(jī)械加工后的顆粒小于0.16 mm的微細(xì)粒。石灰石粉可以補(bǔ)充混凝土中缺少的細(xì)顆粒，和水泥與水形成柔軟漿體，從而減少泌水和離析，改善混凝土的和易性。大量的試驗(yàn)研究成果表明[1-4]：石灰石粉具有與其他火山灰質(zhì)礦物粉末不一樣的作用，如：促進(jìn)水泥水化、提高早期強(qiáng)度、改善新拌混凝土的流變性等。本文結(jié)合西藏地區(qū)石灰石儲(chǔ)量較為豐富的實(shí)際，采用當(dāng)?shù)氐幕炷猎牧?，開展采用石灰石粉作為摻合料配制水工混凝土的試驗(yàn)研究，并與水工粉煤灰混凝土進(jìn)行比較，對(duì)石灰石粉作為摻合料用于西藏地區(qū)水電工程的水工混凝土的可行性進(jìn)行一定的探討。

1 混凝土原材料及配合比

試驗(yàn)所采用的膠凝材料為P.MH42.5水泥、Ⅱ級(jí)粉煤灰以及西藏當(dāng)?shù)氐氖沂郏渲兴嗟募?xì)度為1.5%，28 d的抗壓強(qiáng)度為52.0 MPa；Ⅱ級(jí)粉煤灰的細(xì)度為22%，需水比為103%。

為了便于比較，將石灰石粉的細(xì)度保持和Ⅱ級(jí)粉煤灰的細(xì)度一致，石灰石粉的需水比為97%。所用各種膠凝材料的化學(xué)成分見表1。

圖1為石灰石粉和粉煤灰的顆粒形貌。從圖中可以看出，石灰石粉顆粒為不規(guī)則體，表面粗糙，顆粒表面有細(xì)微顆粒吸附現(xiàn)象。粉煤灰中含有大量的球形顆粒，表面致密、光滑。從粒徑看，石灰石粉和粉煤灰的顆粒粒徑分布在一個(gè)量級(jí)內(nèi)。

試驗(yàn)采用西藏當(dāng)?shù)鼗◢弾r加工的人工骨料，粗骨料的密度為2.65 g/cm3，飽和面干吸水率為0.31%，細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為2.90，吸水率為1.10%，其石粉含量為11.5%。

表1 膠凝材料的化學(xué)成分

圖1 石灰石粉和粉煤灰的顆粒形貌

分別采用石灰石粉和Ⅱ級(jí)粉煤灰作為摻合料配制滿足設(shè)計(jì)要求的C9025大壩混凝土，混凝土的配合比見表2。其中骨料的級(jí)配為四級(jí)配，復(fù)摻一定量的緩凝高效減水劑和引氣劑，混凝土的陷度控制為30～50 mm，混凝土含氣量控制為3.0%～4.0%。

表2 摻不同摻合料大壩混凝土配合比

由于石灰石粉沒有類似于粉煤灰的火山灰活性，因此配制相同強(qiáng)度等級(jí)的大壩混凝土?xí)r，其水泥用量有所增加。石灰石粉具有一定的填充效應(yīng)，水泥顆粒之間具有良好的分散作用，對(duì)水泥的“絮凝結(jié)構(gòu)”有著解絮作用。因此石灰石粉混凝土的陷度有所提高，混凝土的含氣量有所增加，表明采用石灰石粉作為混凝土的摻合料可以改善大壩混凝土的和易性。

2 試驗(yàn)成果及分析

2.1 對(duì)大壩混凝土力學(xué)性能的影響

不同摻合料配制的大壩混凝土強(qiáng)度性能的試驗(yàn)結(jié)果見圖2，由圖中可以看出：石灰石粉大壩混凝土的早期強(qiáng)度要高于粉煤灰大壩混凝土，其7 d抗壓強(qiáng)度提高了25.3%，28d抗壓強(qiáng)度提高了10.5%，28d的抗拉強(qiáng)度提高了14.9%。采用石灰石粉作為摻合料可以提高大壩混凝土的早期強(qiáng)度性能，其原因在于石灰石粉顆粒作為一個(gè)個(gè)成核場(chǎng)所，致使溶解狀態(tài)中的C-S-H遇到固相粒子并接著沉淀其上的概率有所增大，石灰石粉在水泥漿中充當(dāng)了水化硅酸鈣的成核基體，降低了成核位壘，加速了水泥的水化[5]。

不同摻合料配制的大壩混凝土變形性能影響的試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可以看出：石灰石粉大壩混凝土的彈性模量和極限拉伸均高于粉煤灰大壩混凝土，其28 d的彈性模量提高了6.6%，90 d的彈性模量提高了1.7%；其28 d的極限拉伸提高了3.5%，90 d的極限拉伸提高了5.7%。表明采用石灰石粉作為摻合料可以提高大壩混凝土的彈性模量與極限拉伸。與粉煤灰大壩混凝土相比，石灰石粉作為摻合料大壩混凝土的徐變變形略有提高。

圖2 不同摻合料對(duì)大壩混凝土強(qiáng)度性能的影響

摻合料種類強(qiáng)度等級(jí)彈性模量/GPa極限拉伸/10-6徐變/10-6MPa28d90d28d90d7d加荷90d加荷石灰石粉C902522.523.811813058.319.6粉煤灰C902521.123.411412357.319.1

2.2 對(duì)大壩混凝土耐久性能的影響

不同摻合料配制的大壩混凝土90 d齡期的抗凍以及抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果見表4，由表4可以看出：

(1)石灰石粉大壩混凝土的滲透系數(shù)要小于粉煤灰大壩混凝土，這是由于石灰石粉可以提高集料的有效堆積，在水泥水化過程中阻止毛細(xì)孔道的形成，從而提高混凝土的抗?jié)B性能。

(2)凍融150次后，石灰石粉大壩混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量與質(zhì)量損失與粉煤灰大壩混凝土差異不大，表明石灰石粉大壩混凝土抗凍能力與粉煤灰大壩混凝土相當(dāng)。

表4 不同摻合料對(duì)大壩混凝土耐久性能的影響

2.3 對(duì)大壩混凝土熱學(xué)性能的影響

不同摻合料配制的大壩混凝土絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果見圖3，由圖中可以看出：石灰石粉大壩混凝土的絕熱溫升與粉煤灰大壩混凝土差異不大。其早期絕熱溫升值要略大于粉煤灰大壩混凝土0.1～0.3 ℃，其原因在于摻石灰石粉混凝土的水泥用量較高，且石灰石粉具有一定的加速水泥水化的效應(yīng)。其后期的絕熱溫升值要略小于粉煤灰大壩混凝土0.3～0.4 ℃，這是由于粉煤灰后期參與水化的緣故。

圖3 不同摻合料對(duì)大壩混凝土絕熱溫升的影響

2.4 對(duì)大壩混凝土體積穩(wěn)定性的影響

由于混凝土內(nèi)部水分的改變，水化反應(yīng)以及環(huán)境溫濕度的變化會(huì)導(dǎo)致混凝土的體積發(fā)生變化，不同摻合料對(duì)大壩混凝土體積穩(wěn)定性的影響見圖4。由圖中可以看出：石灰石粉大壩混凝土的干縮變形以及自生體積收縮變形均大于粉煤灰大壩混凝土。這是由于石灰石粉在加速水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣形成的同時(shí)，其自身與氫氧化鈣和水化鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣晶體，從而造成混凝土的收縮變形增大。表明采用石灰石粉作為摻合料會(huì)對(duì)大壩混凝土的體積穩(wěn)定性存在著一定的不利影響。

圖 4 不同摻合料對(duì)大壩混凝土體積穩(wěn)定性的影響

3 石灰石粉在水泥基材料中的作用機(jī)理分析

石灰石是一種主要由方解石組成的礦物，其主要化學(xué)成分為CaO，石灰石粉在水泥基材料中的作用主要體現(xiàn)在顆粒的形貌效應(yīng)、加速水泥水化效應(yīng)以及水化的活性效應(yīng)。

(1)石灰石粉顆粒表面光滑，比表面積大，摻入混凝土中可以補(bǔ)充混凝土中缺少的細(xì)顆粒，填充了骨料與膠凝材料間的空隙，改善混凝土的勻質(zhì)性和密實(shí)性。增大固體表面積對(duì)水體積的比例，從而減少混凝土的泌水和離析。由于石粉中含有一定量的低塑性細(xì)粉，能與水泥和水形成柔軟漿體，使得砂的總體塑性指數(shù)降低，從而可以改善混凝土的和易性。

(2)石灰石粉在水泥水化反應(yīng)中可以起晶核作用，誘導(dǎo)水泥的水化產(chǎn)物析晶，加速水泥水化并參加水泥的水化反應(yīng)。石灰石粉顆粒作為水化產(chǎn)物CH和C-S-H成核場(chǎng)所，加速了水泥熟料礦物的水化[6]。通過測(cè)定C3S—CaCO3—H2O體系早期放熱速率，可以得出石灰石粉促進(jìn)C3S水化反應(yīng)的結(jié)論，且石灰石粉含量愈高，其放熱量愈多[7]。通過熱導(dǎo)式量熱分析法研究石灰石粉對(duì)水泥水化熱的影響結(jié)果表明[8]：摻入石灰石粉的水泥試樣水化誘導(dǎo)期和加速期的結(jié)束時(shí)間均早于不摻石灰石粉的對(duì)比試樣，說明石灰石粉促進(jìn)了水泥水化。

(3)石灰石粉在水泥混凝土的凝結(jié)硬化過程中，可以起到與石膏相似的作用，抑制或延緩C3A水化成C3AH6的反應(yīng)，并與C3A反應(yīng)形成碳鋁酸鈣水化物(主要是單碳鋁酸鈣水化物)并穩(wěn)定存在。研究表明[9]：摻有石灰石粉的水泥在水化1 d后就有單碳鋁酸鈣水化物形成，直到28 d其量仍持續(xù)增長并穩(wěn)定存在。隨著石灰石粉含量的增加，氫氧化鈣和水化碳鋁酸鈣的晶體數(shù)量增加。一方面是由于石灰石粉可起到晶核作用而促進(jìn)水化，另一方面是因?yàn)槭沂壑械奶妓徕}參與C3A的水化反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣，對(duì)水泥水化有增強(qiáng)作用[10]。

4 結(jié) 語

結(jié)合西藏的實(shí)際，將石灰石粉與粉煤灰分別作為摻合料進(jìn)行的大壩混凝土對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：采用石灰石粉作為摻合料配制的大壩混凝土具有和易性較好、早期強(qiáng)度較高，彈性模量、極限拉伸以及徐變變形等力學(xué)性能有所增長，耐久性能有所改善的優(yōu)點(diǎn)。但采用石灰石粉作為摻合料對(duì)大壩混凝土的體積穩(wěn)定性也會(huì)帶來一定的不利影響。

石灰石粉在水泥基材料體系中所具有的顆粒形貌效應(yīng)、自身水化活性效應(yīng)以及加速水泥水化的效應(yīng)，在一定程度上對(duì)混凝土的宏觀性能可以起促進(jìn)作用，因此將石灰石粉作為混凝土的摻合料是可行的。水工混凝土常用的粉煤灰和礦渣等礦物摻和料在西藏地區(qū)相當(dāng)匱乏，因此選用容易獲得、儲(chǔ)量豐富、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的石灰石粉作為混凝土摻合料不乏為西藏地區(qū)配制水工高性能混凝土的有效措施之一。由于石灰石粉具有與粉煤灰類火山灰質(zhì)礦物摻合料不一樣的作用，因此不能將石灰石粉簡(jiǎn)單的等量替代粉煤灰作為混凝土的摻合料，應(yīng)該針對(duì)石灰石粉的特性，改變傳統(tǒng)的配合比觀念，建立新的混凝土配合比材料體系。

[1] 饒美娟，劉數(shù)華，方坤河．石灰石粉在水工混凝土中的應(yīng)用研究綜述[J]．人民長江，2009(5): 41-43．

[2] 陳改新，孔祥芝．石灰石粉——一種新的碾壓混凝土摻和料[J]．中國水利，2007(21):16-18．

[3] 劉數(shù)華，閻培渝．石粉作為碾壓混凝土摻合料的利用和研究綜述[J]．水力發(fā)電，2007(1):69-71．

[4] 宋少民，劉娟紅，徐國強(qiáng).石灰石粉在混凝土中應(yīng)用的綜述與研究[J]．混凝土世界，2009(12):38-43．

[5] 楊華山，方坤河，涂勝金，等．石灰石粉在水泥基材料中的作用及其機(jī)理[J]．混凝土，2006(6): 32-35．

[6] J. Pe′ra, S.Husson, B.Guilhot. Influence of finely ground limestone on cement hydration[J]. Cem.Concr.Compos., 1999,21(2): 99-105.

[7] Yongjuan Zhang, Xiong Zhang. Research on effect of limestone and gypsum on C3A, C3S and PC clinker system [J]. Construction and Building Materials. 2007, 22(8): 1634-1642.

[8] 蔡基偉,周明凱,李北星, 等.機(jī)制砂中石灰石粉對(duì)水泥水化熱及水化產(chǎn)物的影響[C]//超高層混凝土泵送與超高性能混凝土技術(shù)的研究與應(yīng)用國際研討會(huì)論文集, 2008.

[9] G. Kakali, S. Tsivilis, E. Aggeli, et al. Hydration products of C3A, C3S and Portland cement in the presence of CaCO3[J].Cem.Concr.Res., 2000, 30(7): 1073-1077.

[10] 饒美娟，劉數(shù)華，方坤河，等. 石灰石粉對(duì)水泥基材料水化動(dòng)力學(xué)的影響[J]. 建筑材料學(xué)報(bào), 2009，12(6): 734-736.

2016- 01- 04

李光偉( 1962-) , 男, 湖北武漢人, 教授級(jí)高級(jí)工程師, 從事水工混凝土原材料及混凝土性能試驗(yàn)研究。

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