磨細(xì)石粉作為礦物摻合料在混凝土中的應(yīng)用研究

楊如仙 唐凱 施一春 徐勍

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430040；2.中交二航武漢港灣新材料有限公司 湖北麻城 438300；3.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(創(chuàng)新平臺(tái)) 武漢 430040；4.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(創(chuàng)新平臺(tái)) 武漢 430040；5.寧波富邦公路工程建設(shè)有限公司 浙江寧波 315000)

0 引言

我國將石粉作為礦物摻合料用于混凝土的研究和應(yīng)用起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。黃丹、汾河二庫、普定、巖灘、江埡等水電工程中，均采用石灰石粉取代部分礦物摻合料配制高流動(dòng)性混凝土，并取得了良好的效果；漫灣、龍灘等水電工程中，石灰石粉替代其他礦物摻合料成功應(yīng)用于大體積混凝土、自密實(shí)混凝土、水工碾壓混凝土中[1]。石灰石粉在寧夏、西藏等地也得到了應(yīng)用。

國家住建部發(fā)布實(shí)施的《石灰石粉混凝土》(GB/T 30190—2013)對(duì)石灰石粉技術(shù)要求和石灰石粉混凝土配合比的使用技術(shù)作了詳細(xì)的規(guī)定，這標(biāo)志著石灰石粉作為礦物摻合料在混凝土中的應(yīng)用邁上了新臺(tái)階。適量的石灰石粉作為礦物摻合料用于混凝土中，明顯改善了混凝土的工作性能，提高了混凝土的早期強(qiáng)度，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。但是，石灰石粉屬于非活性混合材料，當(dāng)摻入量超過一定的比例，反而會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度。石灰石粉作為礦物摻合料，摻量不能準(zhǔn)確計(jì)算，耐久性不易保證，超細(xì)石粉的細(xì)度指標(biāo)尚未統(tǒng)一，實(shí)際應(yīng)用具有一定的局限性。

本文針對(duì)目前國內(nèi)石灰石粉研究和應(yīng)用中存在的問題和不足，展開了石灰石粉細(xì)度、摻量對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性能的影響規(guī)律研究，以期為石粉的應(yīng)用開辟新的思路和途徑。

1 石粉摻合料對(duì)混凝土性能的影響試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為華新水泥(西藏)有限公司的硅酸鹽水泥P·I 42.5水泥，其3，28 d的抗折強(qiáng)度為3.42，7.25 MPa，抗壓強(qiáng)度為13.5，48.2 MPa。粗集料選用川藏鐵路沿線機(jī)制砂連續(xù)級(jí)配5～25 mm。細(xì)集料選用川藏地區(qū)的機(jī)制砂屬II區(qū)砂。石粉選用川藏地區(qū)的石灰石粉，為人工砂干法選粉得到。外加劑選用武漢某新型材料有限公司產(chǎn)聚羧酸高性能減水劑，性能符合《混凝土外加劑》(GB 8076—2008)中相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)要求。石灰石粉化學(xué)成分見表1。

表1 石灰石粉化學(xué)成分分析 %

1.2 試驗(yàn)方法

研究石灰石粉摻量為10%，20%，30%時(shí)對(duì)混凝土性能的影響。試驗(yàn)選擇比表面積為500，800，1 200 m2/kg的石灰石粉，研究不同細(xì)度石灰石粉對(duì)混凝土性能的影響。

混凝土的試驗(yàn)配比見表2和表3，拌合物性能檢測(cè)按照《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，力學(xué)性能檢測(cè)按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)進(jìn)行測(cè)試，耐久性能檢測(cè)按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》 (GB/T 50082—2009)進(jìn)行測(cè)試。

表2 試驗(yàn)用配合比

表3 不同細(xì)度石灰石粉混凝土配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 工作性能

石灰石粉摻入混凝土中，隨著石粉摻量的增加，混凝土坍落度增加，粘度增加，流變性增大，保水性能變好，泌水率減小，坍落度經(jīng)時(shí)損失減小，混凝土含氣量略有減少。不同石灰石粉摻量對(duì)混凝土工作性能的影響見表4。這主要是因?yàn)閷⑹沂奂尤牖炷林校黾恿怂囝w粒的間距使之更加分散，提高了混凝土的流動(dòng)性能，石灰石粉顆粒對(duì)水泥水化過程中形成的絮凝結(jié)構(gòu)有著解絮作用，有效地降低了混凝土坍落度損失。相同質(zhì)量水泥被石粉替代，膠凝材料漿體體積增大，提高了混凝土拌合物的流動(dòng)性，同時(shí)漿體體系中水泥的用量降低，整個(gè)膠凝體系用水量減少。石灰石粉能夠改善混凝土的工作性能，而被廣泛用于自密實(shí)混凝土中，并被列入自密實(shí)混凝土的相關(guān)規(guī)范。

表4 石灰石粉摻量對(duì)混凝土工作性能的影響

2.2 力學(xué)性能

隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度隨之降低，如圖1所示。多項(xiàng)研究表明，石粉摻量在20%以內(nèi)，混凝土強(qiáng)度隨著石粉摻量的增加而增高，在10%左右達(dá)到最高，20%時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)試樣強(qiáng)度基本相同。這是由于水泥粒度分布的不均勻，凝膠結(jié)構(gòu)中存在大量>100 μm 的孔隙，屬于不緊密堆積結(jié)構(gòu)。石灰石粉中的硅質(zhì)、鈣質(zhì)顆粒有粒徑<0.045 mm 的顆粒，而粉煤灰、礦粉中<10 μm的顆粒較少。在混凝土中摻入特定細(xì)度的石灰石粉，可與混凝土中其他組分互相補(bǔ)充，充填了混凝土孔隙，改善其孔結(jié)構(gòu)，使硬化后的混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，形成了細(xì)觀層次的緊密堆積體系，改善了混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性能[2]。石粉摻量達(dá)到20%以上，混凝土的強(qiáng)度隨著石粉摻量的增加逐漸降低；同時(shí)石粉的加入降低了混凝土的動(dòng)彈性模量。石灰石粉摻量對(duì)混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響有一個(gè)最佳值，但是對(duì)于不同的混凝土體系，目前缺乏一個(gè)明確的確定方法，實(shí)際工程應(yīng)用上只能依靠現(xiàn)場(chǎng)復(fù)配，增加了施工的難度，因此關(guān)于這方面還需進(jìn)一步深入研究。

王雨利等[3]的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于中低強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，石粉對(duì)混凝土的工作性能、力學(xué)性能的影響規(guī)律是一致的，都呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律。在最佳石粉含量下，該法則與0.40水粉比具有良好的一致性。水粉比為0.40時(shí)，預(yù)測(cè)最佳石粉含量表達(dá)式為

mw/(mc+ms·x)=0.40

式中，mw為用水量，mc為水泥用量，ms為砂用量，x為石粉含量最佳理論估算值。

圖1 石粉摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

2.3 耐久性能

對(duì)比基準(zhǔn)樣石灰石粉混凝土28，56 d的氯離子擴(kuò)散系數(shù)均增大，并隨石灰石粉摻量的增加而增大，如圖2所示。這表明石灰石粉在一定程度上降低了混凝土抗氯離子擴(kuò)散的能力。目前關(guān)于石灰石粉對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響研究結(jié)論不一，有研究結(jié)果表明石灰石粉能提高混凝土抗氯離子滲透性或影響不大，也有研究結(jié)果表明石灰石粉降低了混凝土抗氯離子滲透性，針對(duì)不同的體系、不同強(qiáng)度等級(jí)往往存在偏差，還需進(jìn)一步研究。然而，已有研究證明石灰石粉、礦渣、粉煤灰復(fù)摻可提高混凝土的抗氯離子滲透性能。已經(jīng)證實(shí)了加入適量的石灰石粉可以使混凝土的抗?jié)B性得到提高，這是因?yàn)槭沂厶畛淞嘶炷羶?nèi)部各種材料界面之間的空隙，使混凝土的結(jié)構(gòu)更加致密，從而阻斷了混凝土內(nèi)部可能形成的滲透通路，改善了混凝土的抗?jié)B性[4]。石粉對(duì)混凝土抗凍性的影響結(jié)論不一，主要是因?yàn)檠芯咳藛T、試驗(yàn)材料及條件的差異引起的，有待進(jìn)一步系統(tǒng)的研究。

大量研究表明，當(dāng)石灰石粉等量取代水泥超過20%時(shí)，混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力降低，在硫酸鹽環(huán)境下混凝土出現(xiàn)開裂和大的體積膨脹，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度大幅下降[5]，主要因?yàn)榱蛩猁}可與CaCO3，C3A反應(yīng)生成碳硫硅鈣石，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞[2]。《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50476―2008)規(guī)定，在硫酸鹽環(huán)境中，不得使用石灰石粉做礦物摻合料，不得使用加入石灰石粉的水泥。目前，在我國對(duì)于含有石灰石粉的混凝土的耐久性還缺乏系統(tǒng)全面的研究，含有石灰石粉的混凝土的配合比設(shè)計(jì)也缺乏理論指導(dǎo)。石灰石粉作為礦物摻合料應(yīng)用于混凝土中理論上是可行的，但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要結(jié)合工程結(jié)構(gòu)所在的環(huán)境和摻入石灰石粉的原因和目的，才能充分發(fā)揮石灰石粉的經(jīng)濟(jì)性和功能性。

圖2 石粉摻量對(duì)抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

2.4 石粉細(xì)度對(duì)混凝土性能影響

摻石灰石粉混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)高于未摻石灰石粉的混凝土，摻不同細(xì)度石灰石粉的混凝土，28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)基本相同，如表5所示。這表明石灰石粉可以降低混凝土的抗氯離子滲透性能，但試驗(yàn)范圍的細(xì)度變化對(duì)混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響不大。在相同石粉摻量下，混凝土各齡期的碳化深度隨著石粉細(xì)度的增大而減小，如表6所示。這主要是因?yàn)殡S著石粉細(xì)度的增加，進(jìn)一步改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，并降低了孔隙率，從而降低了混凝土的碳化速度。大量研究表明，石灰石粉越細(xì)，水灰比越小，加入減水劑、水泥用量越大的條件下，石灰石粉混凝土的抗碳化性能越好[6]。石灰石粉對(duì)混凝土抗碳化能力的影響還與混凝土的養(yǎng)護(hù)齡期、石粉的摻入量、養(yǎng)護(hù)條件有關(guān)，隨著石灰石粉摻量的增大，其抗碳化能力降低；隨著石灰石粉細(xì)度的增大，其抗碳化能力不斷增強(qiáng)。隨著超細(xì)粉磨技術(shù)的進(jìn)步，可以磨出1～ 4 μm的超細(xì)微粉，利用超細(xì)石灰石粉作為高性能混凝土的摻合料也就具備了成熟的條件。在超細(xì)石粉的研究中，要避免只考慮其對(duì)混凝土性能的影響而過分增加石粉的細(xì)度，卻忽視綜合評(píng)價(jià)混凝土成本的問題。

表5 不同細(xì)度石灰石粉混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)

3 結(jié)論及建議

通過研究國內(nèi)外學(xué)者的成果并進(jìn)行驗(yàn)證和系統(tǒng)全面的總結(jié)，編制了石粉對(duì)混凝土性能影響指導(dǎo)目錄如表7所示，該目錄對(duì)石灰石粉作為礦物摻合料在混凝土中的應(yīng)用具有積極、實(shí)際的指導(dǎo)意義，為石灰石粉的綜合利用理清了思路、指明了方向。

表6 不同細(xì)度石灰石粉混凝土的碳化深度

表7 石粉對(duì)混凝土性能影響指導(dǎo)目錄

根據(jù)以上目錄，同時(shí)結(jié)合存在的問題，超細(xì)石粉作為礦物摻合料在混凝土中的應(yīng)用還有很多方面需要進(jìn)一步研究或完善。

(1)在石粉工程應(yīng)用過程中，出臺(tái)相應(yīng)的監(jiān)管措施，明確使用的情況、摻量、品種和規(guī)格。

(2)對(duì)摻石粉的混凝土的耐久性進(jìn)行系統(tǒng)全面的研究，為石粉混凝土配合比的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

(3)將理論最優(yōu)數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)最佳數(shù)據(jù)相結(jié)合，確定超細(xì)石粉的最佳細(xì)度指標(biāo)。

(4)目前國內(nèi)外對(duì)石灰石粉研究的較多，而對(duì)其他巖性石粉(如大理石、花崗巖石粉等)的研究較少，需開展不同種類巖性石粉的對(duì)比研究，拓展可用石粉的種類及應(yīng)用范圍。