石灰石粉取代矿物掺合料对混凝土性能的影响研究★

高中辉，王根立，卢晓磊

(1.山东省路桥集团科技发展有限公司，山东 济南 250200；2.山东省公路桥梁建设集团有限公司，山东 济南 250013；3.济南大学 山东省建筑材料制备与测试技术重点实验室，山东 济南 250022)

1 概述

近年来，我国混凝土产量已超过20亿m3/a[1]。随着我国“碳达峰·碳中和”战略目标的提出，火力发电、钢铁冶金和建材行业首当其冲，导致混凝土用粉煤灰和矿渣粉的原材料越来越紧俏[2]。因此开发矿物掺合料替代技术，实现混凝土绿色低碳发展势在必行。

我国石灰石储量丰富，研究表明石灰石粉可以改善混凝土工作性，且其虽然活性不高，但并不完全是一种惰性掺合料[3-5]。马烨红等[6]研究发现石灰石粉取代水泥后，导致水泥砂浆和混凝土的流动性下降。雷昌聚[7]的研究表明，掺加石灰石粉能够提高混凝土的流动性，降低坍落度损失，且掺量合适还可以改善混凝土的强度。陈剑雄等[8-9]研究发现石灰石粉和钛矿渣粉按1∶2的比例复掺时，配制出高强混凝土的工作性和强度均优于空白组。此外，还有学者探究了石灰石粉对混凝土耐久性影响。S.Tsivilis等[10]研究发现，掺加石灰石粉会提升混凝土的抗氯离子渗透性能，降低了混凝土中钢筋锈蚀风险。邓德华等[11]研究结果表明常温下在水泥砂浆中掺加石灰石粉，会降低水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀的性能，因此在含有硫酸盐的环境中，不适于采用掺加石灰石粉的砂浆或混凝土。G.Kakali等[12]研究表明温度低于5 ℃时，硫酸盐环境中石灰石粉混凝土会发生碳硫硅钙石侵蚀破坏。

综上所述，石灰石粉具有和其他掺合料相似的诸多特点，如物理填充效应和参与水化反应等[13-16]。因此将石灰石粉取代少量其他掺合料，加入到混凝土后不仅可以弥补原材料短缺，还对混凝土的性能有改善作用。基于此，本文利用石灰石粉取代一定量的粉煤灰和矿粉，探究了石灰石粉取代部分矿物掺合料对混凝土流动性和强度的影响规律。

2 试验原材料与方法

2.1 试验原材料

1)水泥。

试验采用山东某水泥公司生产的P.O42.5水泥，其化学成分见表1，物理性能见表2。

表1 水泥的化学成分

表2 水泥的物理性能

2)粉煤灰。

试验采用济南某电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，其物理性能见表3，粉煤灰和矿粉的化学成分见表4。

表3 粉煤灰的物理性质 %

表4 粉煤灰和矿粉的主要化学成分 %

3)石灰石粉。

试验所用石灰石粉取自济南某混凝土企业，比表面积465 m2/kg，化学成分见表5。

表5 石灰石粉的化学成分分析 %

4)细骨料。

试验所用细骨料取自济南某混凝土企业，河砂(黄砂)和机制砂按一定配比混合使用，颗粒级配分别见表6,表7。

表6 河砂的颗粒级配

表7 机制砂的颗粒级配

5)粗骨料。

试验用粗骨料取自济南某混凝土企业的石灰石碎石，粒径5 mm～25 mm连续级配。

6)外加剂。

聚羧酸减水剂：山东某厂生产，固含量11%。

7)实验用水。

本试验采用实验室自来水。

2.2 试验方法

2.2.1 混凝土坍落度测试

以C30和C40混凝土配合比为基准，混凝土坍落度试验按普通混凝土拌合物性能试验方法标准GB/T 50080—2016进行测试，石灰石粉按15%，30%，45%，60%等质量取代粉煤灰，试验配合比见表8。石灰石粉按15%，30%，45%,60%的比例等质量取代矿粉，试验配合比见表9。

表8 石灰石粉取代粉煤灰的混凝土配合比

表9 石灰石粉取代矿粉的混凝土配合比

2.2.2 混凝土抗压强度测试

按照混凝土物理力学性能试验方法标准GB/T 50081—2019对C30和C40混凝土进行强度测试。首先成型C30和C40混凝土将成型后的试块连同试模一起放入标准养护室中，养护24 h后脱模，至7 d和28 d龄期时，取出测试混凝土的抗压强度。

3 实验结果与分析

3.1 混凝土的工作性能

3.1.1 石灰石粉取代粉煤灰对混凝土工作性能的影响

石灰石粉等质量取代粉煤灰的混凝土坍落度试验结果如图1所示。

由图1可知，石灰石粉等质量部分取代粉煤灰掺加到混凝土中，无论是C30还是C40混凝土，当石灰石粉取代粉煤灰的量小于15%时，混凝土拌合物坍落度都随石灰石粉取代量的增大而增大。当石灰石粉取代粉煤灰的量大于15%时，其坍落度又随石灰石粉取代量的增大而减小。当石灰石粉取代粉煤灰质量的15%时，石灰石粉对混凝土坍落度改善最为显著，说明石灰石粉的最佳取代量为15%。

对于C30混凝土，空白组的混凝土拌合物的坍落度为200 mm，石灰石粉取代粉煤灰质量的15%时，混凝土拌合物的坍落度达到最大值，比空白组增加了20 mm，这可能是由于石灰石粉等量部分取代粉煤灰，当取代量较小时，由于石灰石粉颗粒较细，改善了混凝土的颗粒级配，石灰石粉颗粒填充在空隙中，释放出空隙中的水，因而混凝土拌合物坍落度增大。当石灰石粉取代粉煤灰质量的30%时，混凝土拌合物的坍落度与空白组的混凝土拌合物坍落度相当；石灰石粉取代粉煤灰的量为45%和60%时，混凝土拌合物坍落度比空白组分别降低了5 mm和15 mm，这主要是因为当取代量较大时，由于石灰石粉的细粉含量多，比表面积大，需水量比粉煤灰大，因而消耗的水量大，从而使混凝土的坍落度减小。且石灰石粉取代量越大，消耗的水越多，混凝土拌合物的坍落度越小。

对于C40混凝土，石灰石粉取代粉煤灰质量的15%时，混凝土拌合物的坍落度比空白组增加了15 mm；当石灰石粉取代粉煤灰质量的30%和45%时，混凝土拌合物坍落度与空白组相当；石灰石粉取代粉煤灰质量的60%时，混凝土拌合物的坍落度降低了10 mm，表明石灰石粉等质量部分取代粉煤灰对C30和C40混凝土工作性能的影响规律是一致的。

3.1.2 石灰石粉取代矿粉对混凝土工作性能的影响

石灰石粉等质量部分取代矿粉的混凝土拌合物坍落度试验结果如图2所示。

由图2可知，石灰石粉等质量部分取代矿粉时，对C30混凝土，拌合物的坍落度随石灰石粉取代量的增大而减小。取代量为15%,30%,45%和60%的混凝土拌合物坍落度比空白组分别减小了5 mm,5 mm,10 mm和20 mm，说明对于C30混凝土，石灰石粉部分取代矿粉时，混凝土拌合物的工作性能变差，且石灰石粉取代矿粉的量越大，混凝土拌合物的工作性能越差。

对于C40混凝土，当石灰石粉取代矿粉的量小于15%时，混凝土拌合物的坍落度随石灰石粉取代量的增大而增大。石灰石粉取代量为15%时，混凝土拌合物坍落度最大，比空白组增大了10 mm，说明在C40混凝土中掺加适当的石灰石粉取代矿粉能够提高混凝土拌合物的工作性能。当石灰石粉取代矿粉的量大于15%时，混凝土拌合物的坍落度随石灰石粉取代量的增大而减小，这可能是由于C40混凝土使用的粉体材料较多，当石灰石粉取代矿粉的量较小时，石灰石粉占粉体材料的比例较小，掺加石灰石粉后，改善了混凝土的颗粒级配，由于石灰石粉的颗粒形貌效应和填充效应，填充在空隙中，释放出空隙中的水。而且因石灰石粉颗粒的球形度较好，填充在空隙中时，还能起到滚珠作用[17]，从而使混凝土拌合物的坍落度增大。石灰石粉取代矿粉的量为30%时，混凝土坍落度与空白组相同。石灰石粉取代矿粉的量为45%和60%时，混凝土拌合物的坍落度比空白组坍落度分别减小了10 mm和15 mm。说明对于C40混凝土，当石灰石粉等质量取代矿粉的质量大于45%时，会降低混凝土拌合物的工作性能，因为当石灰石粉取代矿粉的量较大时，由于石灰石粉表面吸附水的效应大于填充效应和颗粒形貌效应，因而在混凝土拌合物中石灰石粉的表面吸附水起主导作用，由于石灰石粉颗粒较细，比表面积大，需水量比矿粉大，因而消耗的水多，参与混凝土拌合物流动的水较少，所以混凝土拌合物的坍落度减小。

3.2 混凝土的力学性能

3.2.1 石灰石粉取代粉煤灰对混凝土力学性能的影响

石灰石粉取代粉煤灰的混凝土力学性能试验结果如图3所示。

由图3可知，对于C30混凝土，石灰石粉等质量部分取代粉煤灰时，混凝土的7 d和28 d抗压强度都比空白组要高，且随着石灰石粉取代粉煤灰的量的增大而增大，石灰石粉取代量为15%,30%,45%和60%的混凝土7 d强度比空白组分别增加了1.4%,7.8%,18.0%和23.5%，28 d强度比空白组分别增加了4.5%,5.0%,8.3%和15.3%。石灰石粉取代粉煤灰的量大于30%时，混凝土7 d抗压强度的增长较28 d更大。因为对于C30混凝土，石灰石粉取代粉煤灰后，改善了混凝土的颗粒级配。细小的石灰石颗粒填充在空隙中，降低了混凝土的空隙率，增加了硬化混凝土的密实度，因而混凝土的抗压强度增加。由于C30混凝土使用的粉体材料较少，石灰石粉取代粉煤灰的量越大，填充效应越好，混凝土密实度越高，混凝土的抗压强度越大。

对于C40混凝土，石灰石粉等质量部分取代粉煤灰时，7 d混凝土的抗压强度均高于空白组，且当石灰石粉取代量小于45%时，7 d混凝土的抗压强度随石灰石粉取代量的增大而增大；当石灰石粉取代量大于45%时，7 d混凝土的抗 压强度随石灰石粉取代量的增大而减小。当石灰石粉取代粉煤灰的量为15%时，28 d混凝土的抗压强度比空白组大，而当石灰石粉取代量大于15%时，混凝土的28 d强度随石灰石粉取代量的增大而减小。因为对于C40混凝土，石灰石粉取代粉煤灰的质量较小时，石灰石粉的填充作用使混凝土的抗压强度增大。但当石灰石粉取代粉煤灰质量较大时，由于C40混凝土使用的粉体材料较多，石灰石粉的填充作用减小，且石灰石粉活性比粉煤灰低，因而强度下降。

3.2.2 石灰石粉取代矿粉对混凝土力学性能的影响

石灰石粉部分取代矿粉的混凝土力学性能试验结果如图4所示。

由图4可知，石灰石粉等质量部分取代矿粉，对于C30和C40混凝土，7 d和28 d抗压强度均随石灰石粉取代量的增大先增大后减小。当石灰石粉取代量小于15%时，C40混凝土的7 d抗压强度随石灰石粉取代量的增大而增大。当石灰石粉取代矿粉的量大于15%时，C40混凝土的7 d强度随石灰石粉取代量的增大而减小。当石灰石粉取代矿粉的量小于30%时，C30和C40混凝土的28 d抗压强度均随石灰石粉取代量的增大而增大；当石灰石粉取代量大于30%时，C30和C40混凝土的28 d抗压强度随 石灰石粉掺量的增大而减小。对于C30混凝土，石灰石粉取代矿粉的量为15%,30%和45%的7 d抗压强度都大于空白组，石灰石粉取代量为15%和30%的28 d抗压强度都大于空白组。对于C40混凝土，当石灰石粉取代量为15%和30%的7 d和28 d的抗压强度均大于空白组。说明石灰石粉部分取代矿粉时，较小的掺量能提高C30和C40混凝土的抗压强度。但是当石灰石粉取代矿粉的质量大于60%时，会降低C30和C40混凝土的抗压强度。

石灰石粉等质量部分取代矿粉，无论是C30混凝土还是C40混凝土，当石灰石粉的取代量较小时，由于石灰石粉的颗粒较细，改善了混凝土颗粒级配，并填充在空隙中，增大了硬化混凝土的密实度，因而强度增大。但石灰石粉的取代量较大时，由于石灰石粉的活性比矿粉低，因而混凝土的抗压强度降低。

4 结论

1)以混凝土的坍落度为评价指标，就石灰石粉取代粉煤灰而言，对C30和C40混凝土流动性的影响规律是一致的，石灰石粉的最佳取代量为15%；就石灰石粉取代矿粉而言，随着取代量增加，C30混凝土拌合物坍落度减小，而对于C40混凝土，当石灰石粉的取代量也为15%时，混凝土坍落度值最大。

2)以混凝土的抗压强度为评价指标，当石灰石粉取代粉煤灰时，C30混凝土28 d的抗压强度均高于空白组，而对于C40混凝土，当石灰石粉的取代量为15%时，混凝土强度达到最大。当石灰石粉取代矿粉时，对于C30和C40混凝土强度，均在石灰石粉的取代量为30%达到最大。