超细石灰石粉高强自密实混凝土的制备

聂虎，汪彬，徐文

（1.湖北蓝海混凝土有限公司，湖北　武汉 430200；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏　南京　210008）

超细石灰石粉高强自密实混凝土的制备

聂虎1，汪彬2，徐文2

（1.湖北蓝海混凝土有限公司，湖北武汉 430200；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京210008）

将 1800 目超细石灰石粉等量取代胶凝材料应用于 C60 高强自密实混凝土制备，试验研究了其掺量对混凝土工作性能、力学性能和自生体积变形的影响。试验结果表明：超细石灰石粉的掺入不超过 10% 可以显著改善自密实混凝土工作性，而对长期抗压强度几乎没有不利影响，同时其可以有效降低混凝土自生体积变形，抑制收缩开裂风险。

超细石灰石粉；工作性；收缩开裂；水化热；高强自密实混凝土

0　引言

在水泥基材料中将石灰石粉作为一种矿物填料的研究与应用已有超过三十年的历史。形式上包括：将石灰石粉掺入水泥配制所谓石灰石硅酸盐水泥，掺量从6%～20%不等；在砂浆和混凝土中直接掺入一定量的石灰石粉取代水泥作为填料，掺量可超过 35%。在此基础上，完成了众多的研究成果、相关标准和应用实例[1-2]。一般认为，石灰石粉并不完全是惰性矿物掺合料，它在水泥基材料中的掺入不仅降低了造价成本，减小了水化热，提高了资源利用率，而且促进了C3S的水化，改善了水泥基材料的力学性能，尤其是提高了早期强度；同时，在适宜的掺量下等量取代水泥时，因其形态良好带来的“滚珠”效应和对水泥水化过程中形成的“絮凝结构”的解絮作用，还显著优化了水泥基材料的工作性能，提高了流动性，降低了经时损失，这一改善作用随着石灰石粉颗粒细度的提高而越来越显著[3-4]。

正是由于这些性能，近年来，石灰石粉被越来越多地应用于混凝土中，尤其是作为混凝土未来重要发展方向之一、具备优异工作性能的自密实混凝土[5]。为进一步探讨石灰石粉在高强自密实混凝土中应用的可行性，基于改善流变、降低拌合物粘度的考虑，选用了比表面积远大于水泥的超细石灰石粉，试验研究了使用其配制的 C60 高强自密实混凝土工作性能和力学性能，并从自收缩的角度研究了其对混凝土变形开裂的影响。

1　原材料与试验实施方案

1.1原材料

水泥： P•O 52.5 水泥，标准稠度用水量 26.2%，细度3.2%；粉煤灰：II 级干排粉煤灰，细度 14.5%，需水量比103%；石灰石粉市售，表观密度 2780kg/m3，细度 1800 目，比表面积 1850m2/kg。外加剂： PCA 高性能减水剂，复合了减水、保坍、增稠及引气、消泡等组分，适用于配制自密实混凝土，总体性能满足现行国标 GB 8076－2008《混凝土外加剂》的要求；细集料：天然河砂，表观密度为 2630kg/m3，细度模数为 2.7；粗集料：粒径为 5～16 mm 的连续级配玄武岩碎石。

1.2试验实施方案

自密实混凝土搅拌过程中的加料顺序参考 CECS 203－2006《自密实混凝土应用技术规程》的相关规定，即先投入细集料、水泥及掺合料搅拌 20s 后，再投入 2/3 的用水量和粗集料搅拌 30s 以上，然后加入剩余水量和外加剂搅拌 30s 以上。当在冬季施工时，应先投入集料和全部净用水量搅拌 30s以上，然后再投入胶凝材料搅拌 30s 以上，最后加外加剂搅拌 45s 以上。混凝土试验配合比如表 1 所示，超细石灰石粉采用内掺方式，分别等量替代胶凝材料 5%、10%、15% 和20%。

出料后，立即进行自密实混凝土拌合物含气量、扩展度、T50 流动时间、V 型漏斗流出时间以及 U 型仪填充高度试验，并成型150mm×150mm×150mm立方体抗压强度试件和在端部预埋入铜头的100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件。立方体试件采用标准养护，测试其 3d、7d 和 28d 强度。棱柱体试件自然养护 1d 后拆模，使用保鲜膜和铝箔完全绝湿密封后，架设千分表在 20℃ 环境条件下测试其 28d 自生体积变形发展情况。

表1　混凝土试验配合比 kg/m3

2　试验结果与讨论

2.1超细石灰石粉对高强自密实混凝土工作性能的影响

依据如表 1 所示 C60 自密实混凝土配合比，胶凝材料总量（包括超细石灰石粉）515kg/m3，水胶比 0.32，砂率46%，超细石灰石粉取代胶凝材料总量分别为 0、5%、10%、15% 和 20%。基于该配合比得到的自密实混凝土工作性能试验结果如表 2 所示。在试验选取的掺量范围内，随着超细石灰石粉掺量的增加，自密实混凝土扩展度增大，粘度降低，流动速度增加，工作性能不断改善；但掺量超过 15% 后，拌合物粘聚性开始变差，体系离析倾向有所加剧，反映为 U 型仪和 V 型漏斗通过难度提高，U 型仪填充高度下降，V 型漏斗通过时间延长，反而不利于自密实混凝土的和易性。

超细石灰石粉的掺入可以改善水泥颗粒粒径分布，填充水泥颗粒间空隙，使得拌合时更多的自由水被释放出来；同时石灰石粉颗粒因其良好的形貌效应，在水泥颗粒间可以起到“滚珠”作用，优化了拌合物的流变性能。超细石灰石粉的掺入还促进了水泥颗粒对超塑化剂的吸附，并且可以降低体系中 C3A、C4AF 以及可溶性碱的相对含量，提高水泥和超塑化剂的相容性，改善拌合物的流变性能[6]。但当其掺量过高时，往往会由于自由水过多释放，带来泌水、包裹性下降等问题，因此，超细石灰石粉在水泥基材料中的掺加应适量。

表2　超细石灰石粉掺量对自密实混凝土性能的影响

2.2超细石灰石粉对高强自密实混凝土力学性能的影响

抗压强度是衡量混凝土力学性能、确定其强度等级的最基本的指标，关于不同超细石灰石粉掺量下自密实混凝土抗压强度的试验结果如表 3 所示。当掺量不超过 10% 时，掺加了超细石灰石粉的 C60 自密实混凝土抗压强度早期略有降低，但随着养护龄期的延长，28d 值与基准几乎持平；而掺量超过 10% 后，不同龄期的超细石灰石粉自密实混凝土抗压强度均有一定幅度的降低，且随着掺量的增加这一幅度有所增大。

有研究表明，石灰石粉具有一定的活性，主要体现在以下三个方面：① 与水泥水化产生的 Ca(OH)2发生反应生成碱式碳酸钙；② 与水泥中的 C3A 和 C4AF 等铝相反应生成水化碳铝酸钙；③ 促进 C3S 水化[7]。此外，超细石灰石粉掺入混凝土后，由于其颗粒细小，可以填充水泥浆体孔隙，起到进一步密实的作用，这对混凝土强度也有一定的贡献。当超细石灰石粉掺量较低时，其对混凝土强度影响较小，而掺量较高时，由于其水化活性远低于水泥等胶凝材料，内掺情况下最终还是会对强度产生不利影响。

2.3超细石灰石粉对高强自密实混凝土自生体积变形的影响

高强自密实混凝土一般用于配筋密集的异形构件或钢管混凝土等结构，由于其强度等级较高且外部约束较强，往往存在收缩开裂情况较为严重的问题。研究表明，高强混凝土自收缩占其早期收缩变形比例最大，是开裂的主要诱因[8]。试验研究了不同掺量超细石灰石粉对高强自密实混凝土早期自收缩的影响，试验结果如图1所示。在试验选取的掺量范围内，随着超细石灰石粉掺量的增加，自密实混凝土不同龄期自生体积变形均有所降低，以 28d 值为例，5%、10%、15%和 20% 超细石灰石粉掺量下，自密实混凝土自收缩分别降低了 4%、9%、13% 和 17%。这可能与石灰石粉活性相对水泥、粉煤灰等胶凝材料较低有关，其等量取代胶凝材料后，养护过程中，绝大多数颗粒并未水化，而是以惰性填料形式存在于水泥浆体中，体积不发生变化，因此宏观上表现为自密实混凝土收缩降低。

图1　超细石灰石粉掺量对自密实混凝土自生体积变形的影响

3　结论

（1）超细石灰石粉因其尺寸效应、颗粒形貌效应，以及促进减水剂吸附效应等，适量的掺入可以改善高强自密实混凝土和易性，降低其屈服应力和塑性粘度。

（2）超细石灰石粉等量取代胶凝材料制备高强自密实混凝土时，较低的掺量下对混凝土抗压强度影响不大，但掺量较高时，有不利作用。

（3）超细石灰石粉等量取代胶凝材料可以降低高强自密实混凝土早期自生体积变形，随着掺量的增加，这一作用愈发明显，因此，其对于抑制自密实混凝土早期收缩开裂是有利的。

[1] 涂成厚．石灰石粉的应用[J]．国外建材科技，1999，20(4)：47-51．

[2] Selvamony C., Ravikumar M. S., Kannan S. U., et al. Development of high strength self-compacted self-curing concrete with mineral admixtures [J]．Cement and Concrete Research, 2009, 3(2)：103-108.

[3] 李步新，陈峰．石灰石硅酸盐水泥力学性能研究[J]．建筑材料学报，1998, 1(2)∶ 15-19．

[4] HeddaVikan，HaraldJustnes．Rheology of cementitious paste with silica fume or limestone [J]．Cement and Concrete Research，2007(37)∶ 1512-1517.

[5] 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．

[6] 徐文，郭飞，田倩．不同超塑化剂掺量下石灰石粉水泥净浆流变性能[J]．建筑材料学报, 2014，17(2)：292-297．

[7] G.Kakali, S. Tsivilis, E. Aggeli and M. Bati. Hydration Products of C3A, C3S and Portland Cement in the Presence of CaC03 [J]．Cement and Concrete Research, 2000, 12(30)：1073-1077.

[8] 刘建忠，孙伟，缪昌文，刘加平．矿物掺合料对低水胶比混凝土干缩和自收缩的影响[J]．东南大学学报：自然科学版, 2009, 39(3)：580-585.

［通讯地址］武汉市江夏区庙山开发区阳光大道湖北蓝海混凝土有限公司（430200）

Preparation of high strength self-consolidating concrete with ultra-fine limestone powder

Nie Hu1, Wang Bin2, Xu Wen2
(1. Hubei Lanhai concrete Co., Ltd., Wuhan430200, China; 2. Jiangsu Subote new materials Co., Ltd., Nanjing 211103, China)

An experimental research was carried out to evaluate the effect of the addition of 1800 mesh ultra-fine limestone powder on the workability, mechanical property and autogenous shrinkage of C60 high strength self-consolidating concrete (SCC) in this paper. The results indicated that the addition of no more than 10% ultra-fine limestone powder can improve the workability of SCC observably and have no adverse effects on its compressive strength. Meanwhile, the ultra-fine limestone powder reduced the autogenous shrinkage effectively and restrained the shrinkage cracking risk of SCC.

ultra-fine limestone powder, workability, shrinkage cracking, hydration heat, high strength self-consolidating concrete

聂虎（1978—），男，工程师，从事混凝土生产质量管理工作。