石灰石粉细度对混凝土性能的影响研究

李昌泉

（乐清市霞雪混凝土有限公司，浙江 温州 325600）

0 前言

随着我国对基础设施投资的持续增长，市政交通、工民建、海湾港口等迎来了快速建设时期，作为基础结构材料的混凝土需求巨大，带来了胶凝材料、砂石等原材料的大量消耗。长期的无序开采使得天然砂资源日益短缺，高昂的价格使得混凝土企业不得不将目光转向更易获得的机制砂。机制砂是按照建筑用砂的要求，将母岩进行破碎筛分而得，颗粒呈棱角，石粉含量对混凝土和易性及强度、耐久性等指标影响较大[1-3]。有研究表明，适量的石粉可以促进水泥水化成核，从而改善混凝土和易性和强度，因此有些企业将石粉取代部分水泥并应用于混凝土生产，未考虑掺量和石粉细度等因素对混凝土带来的影响。磨细石粉比表面积大，对水分及外加剂等吸附较强，细度对石粉在混凝土中的应用可能产生一定影响，需要进行深入研究。

本文通过粉磨获得不同比表面积的石灰石粉，研究其细度对混凝土性能的影响，以期提供理论和技术参考。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

（1）水泥为海螺 P·O42.5水泥，水泥的性能指标分别见见表1。粉煤灰为Ⅱ级灰，需水比为98%，矿粉为 S95。

（2）石灰石粉：所用石粉为石灰石经水洗烘干后，经破碎粉磨获得，比表面积分别为200m2/kg、320m2/kg、400m2/kg、560m2/kg。

（3）外加剂采用浙江科之杰生产的外加剂，含固为12%，推荐掺量为1.0%～3.0%。

（4）细集料采用全机制砂，细度模数为2.6，石粉含量9.0%，MB 值为1.5。粗集料为小石（5～10mm）和大石（10～20mm）搭配使用。

表1 水泥的性能指标结果

1.2 试验方法

（1）按照 GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试混凝土工作性能和凝结时间。

（2）混凝土力学性能试验 按照 GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行，成型100mm×100mm×100mm 混凝土试件，进行标准养护，测定混凝土相应龄期的抗压强度。

（3）混凝土收缩性能试验：按照混凝土配比拌和成型尺寸100mm×100mm×515mm 的棱柱体试件，每组3块，并预埋测头，带模养护1d 后脱模，放置温度为 (20±2)℃、相对湿度为95% 的养护室进行养护，测试不同龄期的混凝土收缩率，计算公式如下：

式中：

为精确地描述液固两相流的流动特征，适应较高浓度泥浆流的模拟，并且在准确性和计算量之间达到平衡，采用基于颗粒流动力学理论的欧拉-欧拉双流体模型进行研究。

εt——试验期为 t(d) 的混凝土收缩率，%；

L0——时间长度的初始度数，mm；

Lt——试件在试验期 t(d) 时测得的长度读数，mm；

Lb——试件的测量标距，mm。

（4）混凝土碳化和抗渗性能试验

（5）试验配合比

采用 C30全机砂混凝土配合比，石粉设定掺量为10% 和20%。C30混凝土配比及原材料用量见表2。

表2 C30试验配合比及原材料用量 kg/m3

2 试验结果与讨论

2.1 石粉细度对混凝土工作性能和凝结时间的影响

良好的混凝土工作性能不仅可以提高混凝土施工效率，也有利于混凝土均匀分散，是混凝土结构强度和耐久性得以保证的前提。不同细度的石粉在混凝土中分散效果不同，对混凝土工作性能必定产生一定影响，也会造成混凝土凝结时间的波动。表3为石粉掺量10% 和20% 时，不同石粉细度的混凝土工作性能和凝结时间测试结果。

表3 不同石粉细度的混凝土工作性能和凝结时间

表3所示结果显示，石粉掺量10% 和20%，随石粉比表面积增大，混凝土初始坍落度和扩展度呈现先增加后降低趋势，当石粉比表面积在320m2/kg，混凝土初始工作性能最佳，混凝土经时损失也较低。这是因为石粉较粗时，混凝土保水能力较弱，泌水通道较多，混凝土水分蒸发速率加快，混凝土保坍能力减弱，但石粉过细会吸附较多外加剂，包裹水分，使得混凝土粘度增加，外加剂的作用效果下降[4]。同时可以看出，石粉较粗（200m2/kg）时，混凝土初始流动性随掺量增加而略有提高，这可能是因为较多的粗石粉改善了混凝土部分级配，使得混凝土和易性提高。石粉较细，掺量提高会增大混凝土的粘滞性，混凝土经时损失也会加大。

从混凝土凝结时间测试结果看，石粉细度变小会降低混凝土初凝和终凝时间，这是因为部分石粉能够促进水泥水化生成铝碳酸钙等水化产物，使得混凝土石粉凝结时间变短。

2.2 石粉细度对混凝土抗压强度的影响

力学性能作为混凝土承受荷载、实现功能应用的重要指标，保证混凝土强度十分关键。研究了石粉细度对混凝土抗压强度的影响，测试结果见表4和图1。

表4和图1结果表明，无论石粉掺量10% 或20%，石粉3d、7d 和28d 强度都随石粉比表面积增大先提高后降低，石粉细度320m2/kg 时，混凝土各龄期抗压强度最高，这时石粉能够有效填充混凝土孔隙，改善混凝土孔结构，增强混凝土界面粘接强度，石粉细度过小，更易吸附在水泥颗粒表面，阻止水泥进一步水化，混凝土强度反而降低。

当石粉掺量提高时，混凝土各龄期强度均有所降低，这是因为石粉降低水泥密度，使得水泥水化生成的有效水化产物降低。但石粉掺量较高，掺入各细度石粉的混凝土各龄期强度相差较小，这是因为石粉含量提高，对混凝土的填充作用减弱，混凝土后期强度增长不明显。

表4 掺入不同细度石粉的混凝土抗压强度结果

图1 不同石粉细度的混凝土抗压强度

2.3 石粉细度对混凝土收缩的影响

混凝土从拌和到硬化过程中，由于水泥水化和周围环境温湿度变化，会产生收缩。对添加不同细度石粉的混凝土收缩情况进行测试，结果见表5和图2。

表5 添加不同细度石粉的混凝土收缩值

图2 添加不同细度石粉的混凝土收缩

从表5和图2所示结果可以看出，在石粉掺量一定的情况下，石粉比表面积越大，混凝土的收缩值越大，这是因为石粉的加入降低了水泥中有效胶凝矿物数量，水泥水化生成的氢氧化钙、水化硅酸钙等矿物降低，空气中的酸性气体 CO2、SO2等更易对混凝土造成侵蚀，使得混凝土更易出现干燥收缩、碳化收缩等。石粉掺量增加，石粉比表面积的增大对混凝土收缩的负面作用提高，这是因为石粉本身的疏松多孔结构在水分不足时更容易受到环境影响，从而造成更大的干燥收缩[5]。

2.4 石粉细度对混凝土碳化和抗渗性能的影响

混凝土在服役的过程中，由于自身含有毛细孔，容易受到硫酸盐、氯离子等离子侵蚀和二氧化碳、二氧化硫等酸性气体侵蚀，从而产生混凝土耐久性不良，对混凝土服役寿命造成影响[6]。研究了石粉细度对混凝土碳化和抗渗性能的影响，结果见表6。

表6 石粉细度对混凝土碳化和抗渗性能的影响

表6结果表明，石粉掺量一定时，混凝土碳化深度和渗透高度均随着石粉比表面积的增加先降低后增加，这是因为石粉比表面积在320m2/kg 时，能够有效提高混凝土密实度，混凝土抗外界侵蚀的能力较强。当石粉掺量增加时，添加相同细度的石粉混凝土抗碳化能力和抗渗透能力下降，这是因为石粉掺量增加，对水泥的胶凝水化作用降低，造成混凝土内部产生较多的结构缺陷[7]，从而使得混凝土耐久性降低。

3 结论

（1）随着石粉比表面积增大，混凝土初始坍落度和扩展度呈现先增加后降低趋势，当石粉比表面积在320m2/kg，混凝土初始工作性能最佳，相同石粉细度，石粉掺量增加会增加混凝土的流动阻力，增加混凝土坍落度损失。由于石粉细度降低，有效水胶比降低，混凝土凝结时间呈现缩短趋势。

（2）随着石粉比表面积增加，混凝土强度先增加后降低，当石粉掺量提高，石粉细度对混凝土强度的影响差别缩小，混凝土后期增长乏力。

（3）对于不同石粉掺量，混凝土加入的石粉随细度降低会增大混凝土的体积收缩，且石粉含量较多会加大石粉对混凝土的收缩效应。

（4）石粉掺量一定，混凝土抗碳化和抗渗能力都随着石粉细度减小先增加后降低，这是因为加入石粉后水泥水化生成的胶凝矿物数量降低，混凝土内部结构缺陷增加，从而导致混凝土抵抗外界不良环境侵蚀能力减弱。