摻石灰石粉低強(qiáng)常態(tài)混凝土技術(shù)研究

張禮成

（廣東水電二局股份有限公司，廣州 511300）

1 引言

我國地大物博，擁有豐富的自然資源，石灰石在我國分布較為廣泛，且市場售價低廉，國內(nèi)少部分區(qū)域由于缺少礦渣及粉煤灰，因此會選擇石灰石粉替代。 此外，在生產(chǎn)機(jī)制砂、碎石過程中會產(chǎn)生一定的石灰石粉。 如何有效利用石灰石粉，降低對生態(tài)環(huán)境的影響成為學(xué)術(shù)界高度重視的議題。 石灰石粉屬于一種惰性材料，在自然界中分布非常廣泛，經(jīng)過研磨處理的石灰石粉能夠作為混凝土的摻加料使用[1]，促進(jìn)水泥水化，降低水泥的水化熱反應(yīng)，同時優(yōu)化混凝土的性能[2]。 合理利用石灰石粉，是一條降低混凝土生產(chǎn)成本的途徑。

2 石灰石粉混凝土的特點

2.1 水化熱

石灰石粉具備顯著的惰性特點， 將其摻加在混凝土中能夠降低水泥的用量， 石灰石粉不會與混凝土內(nèi)的水泥產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)， 石灰石粉會吸附水中的鈣離子， 導(dǎo)致Ca+的濃度降低，降低混凝土中的水化熱反應(yīng)[3]，這種現(xiàn)象能夠降低混凝土裂縫出現(xiàn)的可能性。

2.2 工作性能

經(jīng)過處理的石灰石粉粒徑非常小， 使用45 μm 的篩網(wǎng)篩選后，當(dāng)剩余量達(dá)到5%時，石灰石粉的平均粒徑明顯小于水泥的粒徑， 將其摻加在混凝土集料中能夠提高混凝土的密實度，還可以提高混凝土的流動性及保水性，降低混凝土出現(xiàn)離析現(xiàn)象的可能性，保證施工質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

3 原材料及試驗

本文以翁源縣東華山風(fēng)景區(qū)旅游公路改建工程作為研究案例， 對石灰石粉替代水泥摻加在混凝土中的應(yīng)用效能進(jìn)行分析。 該項目實施過程中的技術(shù)關(guān)鍵點為：將石灰石粉摻加在低強(qiáng)度標(biāo)號的混凝土中， 準(zhǔn)備3 組不同強(qiáng)度標(biāo)號的混凝土：C15 混凝土、C20 混凝土、C30 混凝土，對3 種不同混凝土的性能指標(biāo)進(jìn)行研究， 結(jié)合研究結(jié)果總結(jié)出混凝土中摻加石灰石粉的最佳比例。

3.1 試驗原材料

1）磨細(xì)石粉：石灰石的粒徑保持在5~10 mm，石灰石中的含泥量不得超過0.5%， 試驗?zāi)?biāo)準(zhǔn)設(shè)置為直徑500 mm、高500 mm。 粉磨時間與石灰石粉細(xì)度的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1 所示。石粉的化學(xué)成分如表2 所示。

表1 粉磨時間與石灰石粉細(xì)度的相關(guān)數(shù)據(jù)

表2 石粉的化學(xué)成分 %

2）水泥：使用P·O 42.5R 水泥，水泥的性能指標(biāo)如表3 所示。

表3 P·O42.5R水泥主要指標(biāo)

3）骨料：細(xì)骨料選擇河砂，河砂的細(xì)度模數(shù)為2.6，河砂的級配滿足設(shè)計及規(guī)范要求。 粗骨料的粒徑控制在5~20 mm。

4）外加劑：使用聚羧酸高效外加劑，減水率約為35.0%。

5）水：選擇滿足JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》要求的潔凈水。

3.2 試驗設(shè)備

混凝土攪拌設(shè)備、研磨設(shè)備、磅秤、漿液攪拌設(shè)備、坍落度試驗桶、直尺等。

3.3 試驗方法

凈漿試驗嚴(yán)格按照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》 進(jìn)行。 所有拌合物全部使用機(jī)械式設(shè)備進(jìn)行攪拌、振搗，結(jié)合GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》要求進(jìn)行試驗。待混凝土養(yǎng)護(hù)24 h 后，拆除模板，混凝土養(yǎng)護(hù)至設(shè)計強(qiáng)度后，結(jié)合GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》要求進(jìn)行試驗。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 石灰石粉摻量對凈漿流動度的影響

凈漿流動度試驗結(jié)果如表4 所示。 結(jié)合表中信息可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凈漿中摻加石灰石粉后，漿液的流動性明顯提高，且石灰石粉的摻加量與漿液的流動性之間呈現(xiàn)出正關(guān)聯(lián)性。 當(dāng)石灰石粉的摻加量超過15%時， 漿液的流動性隨著石灰石粉的摻加量增大而逐漸減小。 在經(jīng)過多次試驗后得出，石灰石粉的最佳摻加量為15%。

表4 凈漿流動度比較

究其原因，主要是石灰石粉在經(jīng)過處理后，其顆粒的粒徑非常小，加之石灰石粉屬于惰性材料，石灰石粉具備良好的減水作用， 在摻加量合適的情況下， 能夠有效提高漿液的流動性。 但是，當(dāng)石灰石粉的摻加量超過15%后，漿液的流動性會降低，究其原因，主要是研磨后的石灰石粉粒徑非常小，能夠填補(bǔ)水泥與礦物摻和料之間的縫隙， 從而提高了漿液混合料的級配。

4.2 石灰石粉對混凝土性能的影響

4.2.1 摻量15%的石灰石粉（內(nèi)摻）對混凝土工作性能的影響

結(jié)合以上研究結(jié)果來看，相對比水泥而言，石灰石粉的需水量明顯減少，但是當(dāng)水泥的摻加量非常高時，石灰石粉的減水作用不顯著。 當(dāng)石灰石粉的細(xì)度變大時，石灰石粉的需水量也隨之增大，當(dāng)用水量保持穩(wěn)定狀態(tài)時，石灰石粉的坍落度隨著石灰石粉的細(xì)度變大而逐漸降低。 混凝土基準(zhǔn)配合比如表5 所示。

表5 基準(zhǔn)配合比表

使用石灰石粉替代混凝土中的水泥，結(jié)合實際試驗結(jié)果來看，當(dāng)石灰石粉的替代量為5%、10%、20%、30%時，混凝土的性能得到顯著的提升。 摻加有石灰石粉的混凝土坍落度相比常規(guī)性混凝土的坍落度高20%~40%。 常規(guī)性混凝土的坍落度損失量比較大，其中，坍落度在60 min 時的損失為25%，摻加有石灰石粉的混凝土坍落度損失則比較小。 主要原因是石灰石粉能夠填補(bǔ)混凝土不同集料之間的縫隙，提高混凝土的密實度，同時降低混凝土的用水量，所以摻加有石灰石粉的混凝土坍落度損失相對比較小。 工作性能試驗結(jié)果如表6所示。

表6 工作性能試驗結(jié)果

4.2.2 摻量15%的石灰石粉（內(nèi)摻）對混凝土強(qiáng)度的影響

將石灰石粉摻加進(jìn)混凝土中能夠強(qiáng)化水泥的水化效率，水泥在水化過程中產(chǎn)生一種晶核物質(zhì)，促使水化反應(yīng)加速。 在混凝土中摻加石灰石粉可以對顆粒物的分布結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在攪拌混凝土過程中，摻加減水劑后，能促使不同的集料與水泥產(chǎn)生堆積反應(yīng)，提高混凝土的密實度，降低混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空隙，這種變化可以提高混凝土的強(qiáng)度。

結(jié)合試驗結(jié)果來看，石灰石粉具備顯著的惰性特點，并不具備活性，所以無法提高混凝土的強(qiáng)度，但是將其摻加在混凝土中后， 混凝土的強(qiáng)度并未降低太多， 在對3 種（C15、C20、C30）不同細(xì)度的石灰石粉進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，其對于混凝土強(qiáng)度的影響差異不大。 究其原因，主要是當(dāng)C3S 發(fā)生水化時，其會釋放出大量的Ca2+，CaCO3微粒會吸附Ca2+，因此，在混凝土中摻加石灰石粉可以提高CaCO3濃度，致使Ca（OH）2在石灰石粉表層迅速發(fā)育，同時導(dǎo)致C3S 水化反應(yīng)加速。 此外，石灰石粉自身具備較高的強(qiáng)度， 石灰石粉會對混凝土產(chǎn)生微集料作用。 經(jīng)過處理后的石灰石粉具備良好的優(yōu)勢，其能夠降低混凝土的空隙，填補(bǔ)混凝土的毛細(xì)通道，提升混凝土的密集度。

石灰石粉屬于一種惰性材料， 其無法產(chǎn)生與粉煤灰一樣的火山灰效應(yīng)，但對于提升混凝土的強(qiáng)度有較大的促進(jìn)作用。所以，在混凝土中摻加石灰石粉具備良好的可行性，還能夠降低混凝土的生產(chǎn)成本。

4.2.3 對耐久性能的影響

將石灰石粉摻加在混凝土中出現(xiàn)3 種效應(yīng)：活性效應(yīng)、加速效應(yīng)、填充效應(yīng)。 其中，填充效應(yīng)是指石灰石粉因自身的粒徑非常小，可填充在混凝土的空隙中，提高混凝土的密實度，降低混凝土中空隙結(jié)構(gòu)的數(shù)量； 活性效應(yīng)是指水化反應(yīng)的初期階段，石灰石粉不會參與水化反應(yīng)，但是石灰石粉會在水化反應(yīng)的后期階段與混凝土中的高強(qiáng)度化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生水化反應(yīng)，促使混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更密實；加速效應(yīng)是指石灰石粉均勻地分布在水泥附近，其能加速水泥的水化反應(yīng)，提高混凝土的密實性。 同時，混凝土的抗?jié)B性能、抗凍性能與其自身的密實度呈現(xiàn)出正關(guān)聯(lián)性，使得混凝土的耐久性提高。

進(jìn)一步來看，摻加有石灰石粉的混凝土，其自身的加速效應(yīng)與活性效應(yīng)并非獨立存在，二者應(yīng)該是同時出現(xiàn)，但是二者對于混凝土的工作性能影響存在較大的差異性。 舉例說明，一般性的混凝土鋁酸鈣的含量非常少，所以，當(dāng)混凝土中摻加石灰石粉后，其自身的強(qiáng)度主要受加速效應(yīng)的影響而增大，但是在這個過程中， 活性效應(yīng)對混凝土強(qiáng)度的影響基本上可以忽略不計；以鋁酸鈣水泥而言，由于鋁酸鈣的含量非常高，混凝土的強(qiáng)度主要受活性效應(yīng)的影響， 加速效應(yīng)對混凝土強(qiáng)度的影響則相對比較低。

5 結(jié)語

綜上所述，通過對石灰石粉的最佳摻加量、石灰石粉的細(xì)度對混凝土的工作性能造成的影響進(jìn)行研究、 分析后得出以下結(jié)論。

1）在水泥凈漿流動度試驗中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)石灰石粉的摻加量達(dá)到15%時，漿液的流動性最佳，但是當(dāng)摻加量超過15%后，漿液的流動性則逐漸降低。 由此可以確定出石灰石粉的最佳摻加量為15%。

2）在石灰石粉細(xì)度試驗中，當(dāng)混凝土中摻加石灰石粉后，混凝土的坍落度及擴(kuò)展度明顯增大，由此可以斷定石灰石粉的摻加量和細(xì)度會對混凝土的坍落度和擴(kuò)展度造成一定影響。

3）在石灰石粉的摻加量和細(xì)度對混凝土強(qiáng)度造成的影響試驗中，發(fā)現(xiàn)摻加石灰石粉后，混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，但是石灰石粉能夠通過填補(bǔ)空隙、 提高混凝土密實度的方式改善混凝土的強(qiáng)度。