石灰石粉混凝土的工作性能和力学性能试验研究

王章力，张全贵

(1.北京恒坤混凝土有限公司,北京 100102；2.北京金隅混凝土有限公司,北京 100165)

前言

石灰石作为重要的建筑材料有着悠久的开采历史,在现代工业中是制造水泥、石灰、机制砂的主要原料,是冶金工业中不可缺少的熔剂灰岩,优质石灰石经超细粉磨后,被广泛应用于造纸、橡胶、油漆、涂料、医药、化妆品、饲料、密封、粘结、抛光等产品的制造中。

石灰石粉最主要的应用是在水泥生产领域,在水泥熟料的生产过程中石灰石粉是不可或缺的原料之一；在熟料烧成后,粉磨成水泥的过程中,往往要加入一定量的石灰石粉,这时石灰石粉是作为一种水泥混合材使用的。这在水泥生产中为水泥工业增加产量,降低消耗,节约资源和能源,减少环境污染等方面均发挥了积极作用。

不仅如此,石灰石粉还是优良的混凝土矿物掺合料,石灰石粉细度很小不但能补充混凝土的细颗粒,而且能增大固体的比表面积对水体积的比例,从而减少泌水和离析。更为重要的是,石灰石粉能与水泥和水形成柔软的浆体,即增加混凝土的浆量,从而改变了混凝土和易性。如果要保持相同的坍落度,则掺石灰石粉的用水量可减少,从而改善了混凝土的诸多性能。

我国国家标准GB175-2007《硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥》中也允许加入一定量的石灰石粉作为非活性混合材。北京市地方标准DB11/T1029-2013《混凝土矿物掺和料引用技术规程》将石灰石粉作为混凝土掺合料的纳入标准中,在一定程度推动了石灰石粉在混凝土领域的应用。我国一些石灰石、机制砂的生产地,产生了大量的石灰石粉,将这些废弃的石灰石粉掺入混凝土中可改善混凝土的各项性能,但石灰石粉资源不定量或无限制使用,会对其强度、施工性和耐久性带来不良影响。因此,研究石灰石粉作为混凝土掺合料的有效利用和利用方法是非常重要的。系统研究其在水泥混凝土中对强度、施工性和耐久性能的影响,有助于实现石灰石粉资源的有效利用,有助于解决石灰石粉产地周边的环境问题,有助于混凝土生产单位经济效益提高。为此,国内外许多专家学者对石灰石粉作混凝土掺合料的物理、化学性能进行了大量的研究。

本文采用两种不同细度的石灰石粉进行了石灰石粉在混凝土中应用的工作性能和力学性能的应用研究。

1 试验用原材料

1.1 水泥

唐山冀东水泥有限公司P.O42.5R水泥,水泥的物理力学物理性能指标见表1-1。

表1-1 水泥的物理力学性能指标

1.2 粉煤灰

从采用大唐同舟电厂Ⅱ级粉煤灰,细度18.1%,烧失量4.02%,需水量比104%。

1.3 矿粉

采用唐山唐龙S95级矿渣粉,比表面积在455m2/kg之间,流动度比103%,7d活性指数90%,28d活性指数105%。

1.4 天然砂

涞水天然砂,细度模数2.8,含泥量3.6%,泥块含量0.4%。

1.5 碎石

北京首云矿业有限公司碎石,公称粒径5.00-25.0mm,含泥量0.6%、泥块含量0.3、针片状颗粒含量5.0%、压碎指标4.9%,符合5.00-25.0mm连续级配要求。

1.6 外加剂

北京冶建特种材料有限公司聚羧酸高性能减水剂JG-2H,,PH值4.4,含固量12.1%,密度1.037g/cm3,减水率27.0%,坍落度1小时经时变化35mm。

1.7 石灰石粉

本文所用的两种石灰石粉(简写为G)具有不同细度,一种常用的比表面积430m2/kg(简写为G1)的石灰石粉(以下试验中未说明石灰石粉的比表面积的均为该石灰石粉),一种比表面积800m2/kg(简写为G2)。

表1-2 石灰石粉的物理特性指标

2 含石灰石粉混凝土的工作性能和力学性能

2.1 不同掺量石粉石粉的性能试验

本文采用混凝土生产企业常用的C40混凝土作为试验研究对象,使用胶凝材料用量440kg/m3,砂率42%,水胶比0.39的基本配比。而实际应用中,可根据这一基本配比,改变石灰石粉的掺量,得到各种工作性能等级和强度等级的混凝土。本节在这一基本配合比的基础上,改变石灰石粉掺量,分别从0-60%,其中掺量0%的试样为对比样G0。研究不同石灰石粉掺量对混凝土性能的影响。具体配比组成见表2-1。测得各种组分配比混凝土的坍落度、扩展度、流空时间、表观密度,以及3d、7d、28d、60d、90d龄期的抗压强度,如表2-2所示。

表2-1 石灰石粉混凝土配合比

表2-2 含石灰石粉混凝土的性能

从表2-2中可以看出,含石灰石粉混凝土拌合物其坍落度均在235-250mm的范围之中,属于大坍落度混凝土,其中G50的坍落度最大250mm。坍落度最小的G10和G20都达到了235mm。

图2-1 掺石灰石粉0-60%混凝土的工作性能

图2-1为混凝土拌合物工作性能参数。如图所示,随着石灰石粉掺量的增加拌合物扩展度呈现逐渐增加的趋势,其中G0和G10扩展度最小,仅615mm,G50和G60扩展度较大,分别达到了695mm和665mm。从拌合物的流空时间看,随着石灰石粉掺量的增加,拌合物的流空时间呈现先增加后减小再增加的走势,其中试样G10的流空时间最长,达到29.1s,而G50的流空时间最短,仅8.8s。试样G10-G50的流空时间随着掺量的增加逐渐减小,石灰石粉掺量30%以上的试样,拌合物的流空时间在20s以内。

综合分析坍落度、扩展度和流空时间可知,石灰石粉可以提高混凝土拌合物的工作性能,且一定范围内随着其掺量的增加,拌合物的工作性能越来越好。达到最佳工作性能的石灰石粉掺量为50%,掺量再增加则混凝土拌合物的工作性能有所降低。

图2-2 掺石灰石粉0-60%混凝土的力学性能

图2-2是以G0在28d龄期的强度作基准强度所作的强度增长率图。图中可以看出,随着石灰石粉掺量的增加,混凝土的抗压强度呈现先增加后减小的走势,其中石灰石粉掺量10%和20%的混凝土强度均高于对比样的强度,而石灰石粉掺量30-60%的混凝土强度都小于对比样的强度。3d龄期的混凝土试样中石灰石粉掺量10%的强度最高,而其它龄期的混凝土试样中均是石灰石粉掺量20%的强度最高。石灰石粉掺量在30%-60%范围内,随着石灰石粉掺量的增加混凝土的强度逐渐下降。从表中的强度数据看,所配制的混凝土中,对比样的强度等级为C40,而石灰石粉掺量10-20%的强度等级可以达到C50,石灰石粉掺量30%和40%强度等级为C40,石灰石粉掺量50%和60%仍能达到C30的强度等级。

石灰石粉掺量10-20%在混凝土中表现出很好的增强作用,可增加混凝土强度近10MPa,而在混凝土体系中,材料更为复杂,各种骨料的存在更有利于发挥石灰石粉的“填充效应”。因此,石灰石粉作为混凝土掺合料能够提高混凝土的工作性能和力学性能。

2.2 含不同掺合料混凝土的工作性能和力学性能

石灰石粉可以作为混凝土的掺合料使用,为了与常见的掺合料对比,本节选用了石灰石粉、粉煤灰、矿渣,进行了掺量同为30%的试验对比,也对不同细度石灰石粉进行了试验对比。仍采用胶凝材料440kg/m3,砂率42%,水灰比0.39的基本配比,混凝土配比组成如表2-3。含不同掺合料混凝土的工作性能和力学性能试验结果见表2-4。

表2-3 含不同掺合料的混凝土配比

*2G表示石灰石粉的比表面积为800m2/kg。

表2-4 含不同掺合料混凝土的性能

从表2-4中可以看出,含不同掺合料混凝土拌合物的工作性能有所差别,其中从坍落度性能指标看,坍落度均在240-255mm之间,属于大坍落度混凝土。配比中试样S30的坍落度最小240mm,试样C和试样2G30的坍落度最大255mm。

图2-3 含不同掺合料混凝土拌合物的工作性能

图2-3为含不同掺合料混凝土拌合物的工作性能参数。配比组成2G30的扩展度最大720mm,S30的扩展度最小575mm。从流空时间的性能指标看,配比组成2G30的流空时间最小仅10.5s,S30的流空时间最大为35.9s。综合分析各种配比组成混凝土拌合物的工作性能,可以发现含比表面积800m2/kg石灰石粉混凝土的工作性能最佳,而含矿渣混凝土的工作性能最差。

以试样G0的28d龄期强度作为基准强度,作强度比例图,如图2-4所示。

图2-4 含不同掺合料混凝土的力学性能

由图可知,3d龄期混凝土的强度大小顺序依次为：2G30>C>S30>G30>F30。3d龄期,试样G30和S30的强度大致相当,30.3MPa和30.5MPa,而2G30的强度最大为34.1MPa,试样F30的强度最小,仅27.9MPa。28d龄期,混凝土的强度大小顺序依次为：S30>C>2G30>G30>F30。含矿渣混凝土的强度最大为57.4MPa,而其它混凝土的强度在50-51MPa之间；90d龄期,混凝土的强度大小顺序依次为：S30>F30>C>2G30>G30。含粉煤灰试样强度有较大幅度增长,已超过含石灰石粉试样。

从中可以看出,不同掺合料之间相比,含石灰石粉混凝土的力学性能主要体现在混凝土的早龄期。7d龄期之前,其早期强度优于含粉煤灰混凝土的强度,而后期强度发展不如含粉煤灰、矿渣的混凝土试样。不同石灰石粉之间的对比,含比表面积大石灰石粉的混凝土试样的力学性能优于含比表面积小的混凝土试样,配比组成2G30的3d和7d强度高于对比样C。这一点与砂浆试验是相一致的,比表面积大的石灰石粉对水泥的增强效果更为明显。

2.3 石灰石粉与掺合料复掺混凝土的工作性能和力学性能

实际工程的应用中,混凝土掺合料往往是复合搭配使用的。为此,本节选用了石灰石粉与粉煤灰,石灰石粉与矿渣的两种复掺形式。基本配比组成仍然是胶凝材料440kg/m3,砂率42%,水灰比0.39。掺合料掺量逐渐增加,分别取20%、40%、60%,复掺的两种掺合料各取一半。即编号G10F10中石灰石粉掺量10%,粉煤灰掺量10%,G20F20中石灰石粉掺量20%,粉煤灰掺量20%,如此类推,具体配比组成见表2-5。各种工作性能指标和各个龄期的抗压强度的试验结果如表2-6所示。

表2-5 石灰石粉复掺混凝土配比

表2-6 石灰石粉复掺混凝土的性能

图2-5 石灰石粉复掺混凝土的工作性能

从表2-6中可以看出,不同复掺形式混凝土拌合物的坍落度均在230-260mm的范围之中,属于大坍落度混凝土。混凝土的扩展度和流空时间如图2-5所示,从中可知,石灰石粉与粉煤灰的复掺中G20F20的坍落度最大,260mm,扩展度最大,675mm；石灰石粉与矿渣的复掺中G30F30的坍落度最大,260mm,扩展度最大,640mm。从拌合物的流空时间参数上看,可以得到一些规律,随着复合掺合料总掺量的增加,拌合物的流空时间呈现逐渐减小的趋势,其中石灰石粉与粉煤灰的复掺形式中,G10F10配比组成的流空时间最长32.3s,G30F30配比组成的流空时间最短15.2s；而石灰石粉与矿渣的复掺形式中,G10S10配比组成的流空时间最长47.3s,G30S30配比组成的流空时间最短,只有9.4s。综合分析可知,两种复掺形式中石灰石粉与粉煤灰的复掺G20F20的工作性能最佳,而石灰石粉与矿渣的复掺G30S30的工作性能最佳。

图2-6 石灰石粉复掺混凝土的力学性能

在复掺形式的力学性能图2-6中,可以看出,随着复合掺合料掺量的增加,混凝土的抗压强度呈现逐渐减小的趋势,但两种复掺形式掺量40%的配比试样,即G20F20和G20S20的长龄期强度发展较快,其中G20S20的90d强度甚至要高于较低掺量配比G10S10。从表中的强度数据看,所配制的混凝土中,28d龄期G10F10、G20F20、G30F30的强度等级分别为C50、C40、C30；G10S10、G20S20、G30S30的强度等级分别为C60、C50、C40。而到了长龄期90d,则发生了明显变化,G10F10和G20F20的强度基本相同,强度等级同为C55,G30F30的强度等级为C40；G10S10和G20S20的强度基本相同,甚至强度G20S20的强度高于G10S10,其等级同为C65,G30S30的强度等级为C45。所以,石灰石粉可以与粉煤灰或者矿渣复掺形成复合掺合料,复合掺合料的掺入总量40%为宜,复掺20%和40%的混凝土强度相差不大,而掺入60%则混凝土的强度下降较明显。

3 小结

(1)在混凝土的配合比中,随着石灰石粉的加入,可以提高混凝土拌合物的工作性能,且一定范围内随着其掺量的增加,混凝土拌合物的工作性能越来越好。达到最佳工作性能的石灰石粉掺量为50%。同时,石灰石粉的掺入能够提高混凝土的强度,就掺入比表面积430m2/kg的石灰石粉而言,石灰石粉掺量10%-20%可以明显提高混凝土的抗压强度。

(2)选用比表面积等级同为400m2/kg的石灰石粉、粉煤灰、矿渣三种掺合料进行混凝土试验对比研究,发现含石灰石粉混凝土的工作性能优于含矿渣混凝土,而早期力学性能优于含粉煤灰混凝土。比表面积等级400m2/kg和800m2/kg的石灰石粉之间对比,明显含比表面积大的石灰石粉的混凝土性能更优越,其早龄期3d和7d强度甚至高于对比样。

(3)两种复掺形式中石灰石粉与粉煤灰各掺20%配比组成的工作性能最佳,而石灰石粉与矿渣各掺30%配比组成的工作性能最佳。力学性能分析,两种复掺形式掺量40%配比混凝土的长龄期强度发展较快,90d龄期,G10F10和G20F20的强度基本相同,强度等级同为C55；G10S10和G20S20的强度基本相同,等级同为C65,甚至G20S20的强度高出G10S10近2MPa。所以,石灰石粉可以与粉煤灰或者矿渣等掺合料进行复配,复合掺合料的掺入总量40%为宜。

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