石灰石粉对水泥和减水剂相容性的影响综述

Impact of Limestone Powder on Compatibility of Cement and Water Reducer

张意1，苗苗2，段文川1，舒唯1（1重庆建工住宅建设有限公司，重庆　400015；2重庆大学　材料学院，重庆　400045）



石灰石粉对水泥和减水剂相容性的影响综述

Impact of Limestone Powder on Compatibility of Cement and Water Reducer

张意1，苗苗2，段文川1，舒唯1
（1重庆建工住宅建设有限公司，重庆400015；2重庆大学材料学院，重庆400045）

摘要：在自密实混凝土应用日趋广泛的今天，掺入石灰石粉成为改善其工作性的重要措施，越来越多的学者开始关注加入到胶凝材料体系中的石灰石粉对体系和减水剂相容性的影响。该文从石灰石粉掺量、细度、不同减水剂种类以及石灰石粉和其他种类混合材料的影响差异4个方面总结石灰石粉对水泥和减水剂相容性影响的研究现状。

关键词：石灰石粉；减水剂；自密实；相容性

Abstract:With the increasing adoption of self-compacting concrete,limestone powder has been one of the important measures to improve its workability. More and more scholars begin to pay attention to the influence of limestone powder added to the cementitious material system on the compatibility of the system and waterreducer. In this paper, the study status on the impact of limestone powder on cement and water reducer is summarized from the four aspects of limestone powder content, fineness, waterreducer types and impact difference of limestone powder and other types of mixed materials.

Keywords：limestone powder；waterreducer；self-compactness；compatibility

0　绪论

目前自密实混凝土的应用范围越来越广泛，不仅因为其具有良好的施工性能满足配筋密集复杂工程需要；同时免振捣工艺可避免施工人员因漏振、过振等操作不当引发工程质量问题；又可降低施工噪音和人工成本，缩短工期。

加入石灰石粉是改善自密实混凝土工作性的重要措施，因其经济、高效，欧美等国配制自密实混凝土（尤其是高强自密实混凝土）均会加入一定量的石灰石粉以改善其流动性和黏聚性[1-3]，而自密实混凝土本身胶凝材料用量比同强度等级普通混凝土大，而且对工作性要求高，因此加入石灰石粉后对自密实胶凝材料体系-减水剂相容性的影响尤为突出。

相容性问题一直是制约减水剂应用的重要难题[4]，尤其是现代自密实混凝土的组成越来越复杂，使用多组分的复合胶凝材料－减水剂体系时常会出现严重的相容性问题。相容性不好的主要表现有浆体分散性差（即混凝土拌合物初始流动性低，流动性损失大，甚至出现离析、分层、严重泌水等现象），凝结时间异常，进而严重影响工作性和后期性能的发挥。

要搞清楚石灰石粉对相容性的影响，首先要明确石灰石粉加入到混凝土中所产生的作用。其作用大致可分为物理作用和化学作用。物理作用主要指润滑效应和填充效应。石灰石粉颗粒表面致密光滑，吸水能力相对较弱，减小了水泥颗粒之间的摩擦阻力；石灰石粉的填充效应可以置换出更多的水分来润滑浆体，增大了浆体的流动度。化学作用主要指晶核效应和微弱反应活性。石灰石粉能加速水泥尤其是C3S的水化[5-9]，究其原因一方面是作为Ca（OH）2的结晶核促进C3S的水化[5-6]，也有部分学者[7-9]认为石灰石粉具有一定的活性，可以与水泥水化产物中Ca（OH）2反应生成碱式碳酸盐，进而加速C3S的水化。具体来说是生成半碳水化铝酸钙（C3A·0.5CaCO3·0.5Ca （OH）2·11.5H2O）和单碳水化铝酸钙（C3A·CaCO3·11H2O），其中半碳水化铝酸钙稳定性较差，生成后很快转化成单碳水化铝酸钙，石灰石粉掺量越大，单碳水化铝酸钙的形成时间越早。另一方面，石灰石粉的掺入也为C-S-H凝胶提供了成核基体，降低了成核位垒，促进了水泥的水化，其具体作用效果受石灰石粉细度影响较大[3，7]。

通常情况下物理作用起主导作用，对相容性表现起积极作用。而石灰石粉的晶核效应等化学作用不显著，因此，水泥借助石灰石粉提供晶核来加速凝结、降低初始流动度、增大流动度的经时损失等负面作用影响不大，最终表现为改善相容性。

除此之外，石灰石粉对相容性的影响还受其自身性质（表面特征、细度等）、掺量、减水剂种类等因素的影响。

1　石灰石粉对水泥和减水剂相容性的影响

1.1石灰石粉掺量对相容性的影响

文俊强[5]、胡曙光[10]等通过研究发现：加入石灰石粉可以起到一定的减水作用。表现为：随着石灰石粉掺量的增加，水泥的标准稠度用水量减少，或者用水量一定时，流动度提高。产生这一现象可能有两方面原因：一方面，石灰石粉的润滑效应和填充效应；另一方面，石灰石粉主要呈惰性，水化反应活性低，水化慢，水化产物少，石灰石粉等量替代水泥，一定程度上降低了熟料含量，尤其是C3A的含量，减少了水泥水化产物对减水剂分子的覆盖和消耗，从而减小了流动度损失。文俊强[5]还发现：加入10%石灰石粉后，萘系减水剂、脂肪族减水剂、聚羧酸减水剂体系的浆体流动度均高于不掺的对照组，随着掺量继续增大，聚羧酸减水剂体系和脂肪族减水剂体系的流动度持续增大，而萘系减水剂无明显变化。所以可以认为，石灰石粉掺量对相容性的影响程度很大程度上受减水剂种类的制约。

胡曙光[10]还发现石灰石粉掺量在0%～25%范围内，对体系凝结时间的影响不大。而Mustafa Sahmaran[11]等人的研究结果也认同石灰石粉的加入有一定减水作用，但同时他们发现石灰石粉会使砂浆的初凝推迟，不过与粉煤灰相比，减水效果较弱，初凝推迟的时间也较短；他们认为这是由于石灰石粉颗粒比粉煤灰颗粒小，吸附的自由水较多，浆体中自由水量比掺加粉煤灰的少，所以作用效果较弱。

1.2石灰石粉细度对相容性的影响

石灰石粉对相容性的影响与细度也有较大关系。常用的石灰石粉细度（比表面积在400～500m2/kg之间）比水泥稍细，石灰石粉填充在水泥颗粒之间，可以改善胶凝材料的颗粒级配，这种“级配效应”一定程度地降低体系的空隙率。当石灰石粉细度进一步增大时，水泥颗粒与石灰石粉颗粒之间的级配效应得到进一步改善，填充效应和微集料效应更加明显，因此流动度升高，但细度过大的话石灰石粉的比表面积显著增大，对减水剂分子的吸附量增大，加快了对减水剂的消耗，导致浆体中减水剂分子浓度下降，因而流动度经时损失增大，而且细度过大时胶凝体系浆体易形成絮凝状结构而变得黏稠，同时石灰石粉的晶核效应会加速C3S的水化，石灰石粉越细，促进作用越显著，这些都会加剧流动度损失。

同时，石灰石粉细度对相容性的影响还受减水剂种类的制约。郑亚楠[12]选取三种不同细度石灰石粉测定其浆体流动度，结果表明，在萘系减水剂体系中，三种不同细度对初始流动度影响不大，但随着细度的增大，1h经时损失明显增大；而对于聚羧酸减水剂体系，三种不同细度对初始流动度和1h经时损失的影响均较小。因此得出结论，萘系减水剂相对于聚羧酸减水剂，对于石灰石粉细度的敏感性更高。

1.3石灰石粉对不同减水剂的相容性

文俊强[5]研究相同石灰石粉掺量下，萘系减水剂、三聚氰胺减水剂、脂肪族减水剂、聚羧酸减水剂四种减水剂和水泥浆体相容性时发现，10%和20%石灰石粉掺量下，萘系减水剂、三聚氰胺减水剂、脂肪族减水剂的相容性相差不大且均比不掺的对照组差，当掺量增大到30%时，三种减水剂的相容性进一步显著降低。而对于聚羧酸减水剂，随着掺量的增大，相容性显著提高，其中20%和30%掺量石灰石粉存在下，体系的相容性均优于对照组。所以说适量的石灰石粉可以显著改善聚羧酸减水剂体系的相容性。

陈龙[13]等人也通过对比石灰石粉对萘系减水剂和聚羧酸减水剂的作用效果发现相似结论，即掺加石灰石粉后聚羧酸减水剂的表现明显优于萘系减水剂。他们分析认为可能有两方面原因：一方面，聚羧酸减水剂对水泥中C3A的早期水化有促进作用，使其转化成对减水剂分子吸附较小的水化产物AFt 和AFm，浆体的保塑性能较好；而萘系减水剂对C3A的早期水化没有明显的作用。同时石灰石粉会抑制单硫型AFm的形成，促进更加稳定的单碳型AFm（C3A·CaCO3·11H2O）的生成。所以水泥水化初期，在石灰石粉与聚羧酸减水剂共同存在下，石灰石粉会促进C3A向更加稳定的单碳型AFm转化。另一方面，石灰石粉对萘系减水剂的吸附量是对聚羧酸减水剂吸附量的2~3倍[14]，因为这种竞争性吸附的存在，同等条件下，水泥吸附的萘系减水剂总量减少，分散效果减弱。

在石灰石粉存在的情况下，聚羧酸减水剂比萘系减水剂相容性更佳，因此，对于含有石灰石粉的胶凝材料体系，可考虑优先选用聚羧酸减水剂。

1.4石灰石粉和其他种类混合材对减水剂相容性的影响差异

文俊强[5]还对比了单独加入粉煤灰、矿渣、石灰石粉后对四种减水剂（萘系减水剂、三聚氰胺减水剂、脂肪族减水剂、聚羧酸减水剂）和水泥相容性的影响，结果表明：在萘系、三聚氰胺和脂肪族减水剂体系中，粉煤灰、矿渣比石灰石粉具有更大的流动度。而在聚羧酸减水剂的体系中，虽然三者都具有较大的流动度，但相比粉煤灰和矿渣，石灰石粉的流动度更大。因此，在萘系减水剂、三聚氰胺减水剂、脂肪族减水剂体系中，选择掺粉煤灰和矿渣而不掺石灰石粉更易于获得良好的相容性；而聚羧酸减水剂体系中，加入适量石灰石粉获得的相容性更好。

2　结论

（1）石灰石粉（细度适宜）的加入，具有一定的减水作用，多数情况下可以有效改善体系的相容性，具体改善效果很大程度上受减水剂种类的制约。通常情况下，随着其掺量的增加，聚羧酸减水剂和脂肪族减水剂体系的相容性改善效果也越发明显。

（2）石灰石粉加入胶凝材料体系中是否有明显的缓凝效果，目前尚没有定论。

（3）石灰石粉细度对体系相容性的影响显著反映在浆体流动度经时损失上，相对于聚羧酸减水剂，萘系减水剂对石灰石粉细度的敏感性更高。

（4）在萘系、三聚氰胺和脂肪族减水剂体系中，粉煤灰、矿渣比石灰石粉具有更大的流动度。而在聚羧酸减水剂体系中，虽然粉煤灰和矿渣的流动度仍较大，但石灰石粉明显流动度更大。因为掺加石灰石粉后聚羧酸减水剂的表现优于萘系减水剂、三聚氰胺减水剂和脂肪族减水剂，所以对于含有石灰石粉的胶凝材料体系，可考虑优先选用聚羧酸减水剂。

参考文献：

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责任编辑：孙苏，李红

能工巧匠

作者简介：张意（1981-），男，江苏沛县人，研究生，高级工程师，主要从事建筑施工质量技术管理工作。

收稿日期：2015-11-17

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.02.030

中图分类号：TU446

文献标识码：A

文章编号：1671-9107（2016）02-0030-03

基金论文：住房和城乡建设部2014年科学技术项目计划，项目名称：微膨胀自密实混凝土制备与工程应用；项目编号：2014-K1-017。