石灰石粉掺量和细度对混凝土性能的影响

丁华柱，刘围，都增延，王波

（1重庆筑能建材有限公司，重庆 400713；2重庆市东毅新型建材有限公司，重庆 401334；3重庆建工新型建材有限公司，重庆 400012；4重庆志达欣建材有限公司，重庆 400037）

经过几十年的改革开放，我国经济发展逐渐从资源消耗型向环境友好型发展，走可持续的发展道路成为主流。混凝土产业作为资源消耗性的重点产业，对我国的环境产生了严重的破坏[1]，所以混凝土产业更应该走可持续的发展道路。众所周知，混凝土技术发展到现在逐渐向高强高性能发展[2-3]，而利用外加剂和矿物掺合料提高混凝土的性能是混凝土发展的必经之路[4]。在混凝土中掺入矿物掺合料不仅能提高混凝土某一方面的性能，还能提高矿物掺合料的利用率。而我国的石灰石资源丰富，在生产粗骨料和机制砂时产生大量的石屑，由于缺乏相应的技术造成石灰石粉大量的随意放置，不仅占用了空间而且对环境也造成破坏[5]。

已有研究表明适宜的石灰石粉含量能改善混凝土的拌合性能，提高拌合物的粘聚性，降低混凝土的孔隙率，对提高混凝土的耐久性有利[6]。国外利用石灰石粉生产水泥和配制高性能混凝土的例子很多[7]，在国内也有相应的标准和规范。但很多采石场产生的细小石灰石粉仍无法被使用，造成很大的资源浪费。所以本文以中等强度的普通混凝土为研究对象，研究了石灰石粉掺量和细度对混凝土工作性能和强度的影响，为石灰石粉大量应用于混凝土技术提供数据支持。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥

本次试验采用的水泥为重庆拉法基水泥有限公司P·O42.5R普通硅酸盐水泥，其化学成分如表1。

表1 水泥的化学组成

1.1.2 石灰石粉

试验使用的石灰石粉为石灰石破碎后在球磨机中粉磨后制成不同比表面积的石灰石粉。石灰石粉CaCO3含量为85%，其比表面积分别为523m2/kg、618m2/kg、784m2/kg，其MB值为1.20g/kg，流动度比为102%。石粉的化学成分见表2所示。

表2 石灰石粉的化学组成

1.1.3 细骨料

试验选用嘉陵江卵石机制砂，其各项性能指标见表3。

表3 机制砂的性能指标

1.1.4 粗骨料

试验使用的粗骨料最大粒径Dmax=26.5mm，级配良好。具体性能见表4。

表4 粗骨料的性能指标

1.1.5 减水剂

试验使用的减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，含固量22.30%，减水率28%。

1.2 试验方法

试验根据表5的配合比来研究石灰石粉掺量对混凝土性能的影响，用三种不同细度的石灰石粉等量取代15%的水泥，其他配合比不变。按以上配合比拌制混凝土后测试新拌混凝土的坍落度，然后制作100mm×100mm×100mm的立方体试件，在标准养护条件下养护到指定龄期测试其抗压强度。

表5 石灰石粉掺量对混凝土性能影响的配合比

2 结果分析

2.1 石灰石粉对混凝土工作性能的影响

图1 石灰石粉掺量对混凝土坍落度的影响

如图1所示，在新拌混凝土中加入石灰石粉，随着石灰石粉掺量的增加混凝土的坍落度也逐渐增加。在没有掺入石灰石粉时，混凝土的坍落度仅为65mm，掺入10%的石灰石粉后，混凝土的坍落度比没有掺入石灰石粉的混凝土的坍落度增加了接近两倍。但是随着混凝土中石灰石粉掺量的增加，混凝土坍落度的增加速率却开始放缓。这主要是因为石灰石粉的细度大和密度比水泥小造成的。当混凝土中掺入一定量的石灰石粉后，由于石灰石粉的密度比水泥小，所以等质量取代水泥后使得混凝土中的浆体增加，从而使混凝土的坍落度增加。另一方面是由于石灰石粉颗粒的填充效应，石灰石颗粒填充在水泥大颗粒中间，使得水泥颗粒之间的空隙减少，而且增加了混凝土的保水性，使混凝土的坍落度增加。但混凝土中石灰石粉掺量大于一定值时，由于石灰石粉的细度比水泥颗粒细，使得粉体的表面积增加，从而增加包裹粉体颗粒的用水量，当粉体的表面需水量大于石灰石粉的减水效应时，混凝土的坍落度不再增加，甚至出现倒缩现象。

图2 石灰石粉细度对混凝土坍落度的影响

图2为石灰石粉细度对混凝土坍落度的影响，图中“0”代表混凝土中没有用石灰石粉等量取代水泥测得的混凝土坍落度，L1、L2、L3分别代表细度为523m2/kg、618m2/kg、784m2/kg的石灰石粉取代15%的水泥所测得的混凝土坍落度值。由图可知混凝土中掺入石灰石粉后，混凝土的坍落度增加明显。随着掺入石灰石粉细度的增加，混凝土的坍落度也逐渐增加，但增加速率逐渐放缓。这主要也是由于石灰石粉的微集料填充效应改善了混凝土的颗粒级配，增加了混凝土的坍落度，而且石灰石粉细度越大对颗粒级配的改善效果越明显，混凝土的坍落度也越大。但是随着石灰石粉细度的增加，粉体的表面积也越大，包裹粉体材料所需的用水量也越多，当由于粉体表面积增加所造成的需水量大于由粉体材料改善颗粒级配而减少的用水量时，混凝土的坍落度增加逐渐放缓，甚至对混凝土的工作性能产生不良影响。

2.2 石灰石粉对混凝土力学性能的影响

图3 石灰石粉掺量对混凝土的抗压强度影响

由图可知混凝土的抗压强度随着龄期的延长而逐渐增加，在石灰石的各个掺量中，3d和28d的强度增加明显，而90d的抗压强度增加非常缓慢。其中当石灰石粉掺量为15%时，混凝土各个龄期的抗压强度比基准组和其他掺量时的抗压强度都要大；当石灰石粉掺量为10%和20%时，混凝土的各个龄期的抗压强度都比掺15%石灰石粉混凝土抗压强度和基准组低。由于在水泥水化过程中掺入一定量的石灰石粉可以与水泥水化产物Ca（OH）2和水化铝酸钙反应生成碱式碳酸钙和碳铝酸钙，碱式碳酸钙和碳铝酸钙填充了水泥硬化体的孔隙，可以提高水泥混凝土的抗压强度。当石灰石粉掺量为10%时，水泥水化生成的碱式碳酸钙和碳铝酸钙比较少，而且混凝土有效水胶比提高得不明显，所以由掺入石灰石粉后造成胶凝材料活性下降所引起的混凝土强度降低起主导原因。当石灰石粉掺量为15%时，水泥水化时生成的碱式碳酸钙和碳铝酸钙比较多，而且大大提高了混凝土的有效水胶比，使混凝土强度大大提高。当石灰石粉掺量为20%时，混凝土强度低主要是由于掺入石灰石粉引起的胶凝材料活性下降造成的混凝土强度下降比由于石灰石粉反应生成碱式碳酸钙和碳铝酸钙引起的混凝土强度增加更明显。

图4 石灰石粉细度对混凝土抗压强度的影响

图4为不同石灰石粉细度对混凝土各个龄期抗压强度的影响。由图可知混凝土的3d抗压强度随着掺入石灰石粉细度的增加而逐渐增加，甚至比基准组还要高；混凝土28d抗压强度随着石灰石粉细度的增加而基本保持不变，只是比基准组的抗压强度略高；但混凝土90d的抗压强度却随着掺入石灰石粉细度的增加而出现下降，甚至比基准组略低。这主要是因为石灰石粉能促进水泥的水化，在水泥水化过程中石灰石粉为水化产物Ca（OH）2和AFt提供晶核，促进了水泥水化产物的生成，而且随着石灰石粉细度的增加，这种促进作用更加明显。但是到了后期随着水泥水化越来越彻底，这种促进作用逐渐消失。

3 结论

（1）混凝土中掺入一定量的石灰石粉后，其坍落度随着石灰石粉掺量和细度的增加而增加，但增加速率明显放缓。

（2）混凝土的抗压强度在石灰石粉掺量为15%时出现最大值，而且石灰石粉细度越大，混凝土的早期强度越高，但其后期强度出现相反规律。

[1]徐小宁.中国水泥工业的生命周期评价[D].大连：大连理工大学,2013.

[2]崔捷.高强高性能混凝土技术研究[J].科技与企业，2013（7）:215.

[3]罗震亚.高强高性能混凝土[J].山西建筑，2007（31）:159-160.

[4]徐欣，康立中，于大忠，等.矿物掺合料配制高强高性能混凝土的研究与应用[A].全国高性能混凝土和矿物掺合料的研究与工程应用技术交流会论文集[C].2006.

[5]李正士.我国石灰石粉作为矿物掺合料对混凝土性能影响的研究进展[J].四川建材，2012（3）:19-21.

[6]李晶.石灰石粉掺量对混凝土性能影响的试验研究[D].大连：大连理工大学，2007.

[7]Liu S,Wang Z.Effect of Limestone Powder on Acid Attack Characteristics of Cement Pastes[J].MATERIALS SCIENCE-MEDZIAGOTYRA，2014,20（4）:503-508.