石灰石粉在普通混凝土中应用的研究与探索

杨友祥

（北京市八通混凝土搅拌站，北京　101121）

石灰石粉在普通混凝土中应用的研究与探索

杨友祥

（北京市八通混凝土搅拌站，北京101121）

本文研究了用不同细度（比表面积）的石灰石粉分别按一定比例取代普通混凝土中的粉煤灰与矿粉，试验结果表明，当石灰石粉细度足够细时，可以改善混凝土的工作性能，提高抗压强度，尤其是早期抗压强度，并根据其它专业人士的研究结果，细度足够细及掺量合适时，混凝土的耐久性能可以满足要求。这对日益匮乏的其它掺合料，如粉煤灰、矿粉有替代作用，能产生明显的经济效益及社会效益。并最大限度地降低了因废弃石灰石粉的产生对环境的污染。

普通混凝土；石灰石粉；比表面积；工作性能；抗压强度；耐久性

0　绪论

进入21世纪以来，我国的工程建设规模越来越大，而60% 以上的建筑都是钢筋混凝土结构。混凝土结构趋向大体量、大跨度、超高强、高性能方向发展。随着基础设施建设，工业与民用建筑规模的日趋增加，混凝土的用量越来越多，而用于生产混凝土的原材料却日益缺乏，天然砂石骨料越来越少。近几年来，为满足工程建设的需要，混凝土中由机制砂石骨料代替天然砂石骨料的情况越来越多，在生产机制砂石的过程中，产生了大量的砂石粉，这不仅造成资源浪费，还严重污染了环境，有些机制砂石场周围石粉堆积如山，刮风时满天飞扬，严重的污染了环境。如果能将石灰石粉用于混凝土，尤其是普通混凝土，如工作性能、力学性能、耐久性能满足现时混凝土的各项指标要求，或者优于现时的混凝土性能，这将产生极大的经济效益与环境效益，既降低了成本，同时保护了环境，并且解决了混凝土中掺合料资源缺乏的问题。众所周知，现代高性能混凝土离不开矿物掺合料和化学外加剂。混凝土用量越来越大，而用于混凝土的矿物掺合料如粉煤灰、矿粉资源却越来越少。

本文以北京地区常规双掺（粉煤灰、矿粉）配合比为基础，通过不同比表面积的石灰石粉分别取代配合比中的粉煤灰、矿粉来进行试验，研究其工作性能及抗压强度的变化规律。

1　原材料

（1）水泥：采用河北燕新建材钻牌 P·O42.5水泥，物理性能见表1。

（2）粗骨料：采用密云威克废石，含泥量0.7%，泥块含量0，针片状颗粒含量3.2%，压碎指标值4.8%，属5～25mm 连续级配。

表1　水泥物理性能

（3）细骨料：河北易县兴隆中砂，含泥量2.2%，泥块含量0，经筛分析试验，属于 Ⅱ 区中砂，细度模数2.4。

（4）粉煤灰：天津大唐同舟 F 类 Ⅱ 级粉煤灰，物理指标见表2。

表2　粉煤灰物理指标　%

（5）矿粉：首嘉 S95级矿粉，密度2.92g/cm3，比表面积436kg/m2，流动度比101%，活性指数7d 为82%、28d 为105%。

（6）外加剂：天津飞龙聚羧酸泵送剂，指标见表3。

表3　外加剂性能指标

（7）石灰石粉：河北三河段甲岭黄土庄石灰石粉，其化学成分见表4。

表4　石灰石粉化学成分　%

2　试验设计

本试验采用不同比表面积的石灰石粉对基准配合比中的粉煤灰与矿粉按一定比例取代，来研究石灰石粉作为掺合料对普通混凝土工作性能、抗压强度的影响。

2.1基准配合比设计

根据北京地区及周边地区混凝土用原材料质量状况，结合北京市多家商品混凝土搅拌站近几年生产配合比数据，基准配合比确定如表5。

表5　混凝土基准配合比　kg/m3

2.2石灰石粉比表面积的确定

在试验中将生产机制砂石过程中产生的石粉在小型球磨机中磨至规定比表面积进行试验，试验确定三个等级，分别为：500m2/kg、1000m2/kg 和1500m2/kg。

2.3试验中相关标识符号的规定

Fx(Kx)-5(10,15)：“F”表示用石粉取代粉煤灰，“K”表示用石粉取代矿粉，“x”表示取代百分数，“5”表示石粉比表面积500m2/kg，“10”表示石粉比表面积1000m2/kg，“15”表示石粉比表面积1500m2/kg。

3　试验方法

混凝土工作性能按《普通混凝土拌合物性能试验方法》要求进行试验。

混凝土抗压强度按《普通混凝土力学性能试验方法》要求进行试验。

4　试验结果及分析

4.1试验结果

石灰石粉取代粉煤灰（10%～100%），试验结果见表6及图1～6所示。石灰石粉取代矿粉（10%～100%），试验结果见表7及图7～12所示。

4.2结果分析

（1）对 Fx-5系列配比，由图1可以看出，当石粉掺量达到30% 以上，虽然初始坍落度可以达到200mm 以上，并且随着石粉掺量的增加，初始坍落度一直保持200mm 以上，但当掺量达到60% 以上时，60min 坍落度损失明显变大。最大损失值达到45mm。

表6　石灰石粉取代粉煤灰混凝土性能检测结果

图1　Fx-5坍落度

图2　Fx-5抗压强度

表7　石灰石粉取代矿粉混凝土性能检测结果

初始坍落度与基准混凝土相比，增长幅度最大为35mm。

由图2可以看出，随着石粉掺量的增加，3d、7d 早期强度增长，至40% 时增长到最高，随后下降，当掺量达到60%时，与基准配合比接近，之后随着掺量的增加，3d、7d 强度略有下降。

随着石粉掺量的增加，掺量在30% 以下时，28d 强度基本与基准配合比接近或稍有下降，之后随着掺量的增加，28d强度下降。

（2）对 Fx-10系列配合比，由图3可以看出，随着石粉掺量的增加，初始坍落度增大，并且60min 坍落度损失越来越小，掺量达到50% 以上时，随着石粉掺量的增加，初始坍落度基本不增长，60min 坍落度损失也很小，为10～15mm，对混凝土的工作性能改善明显。

由图4可以看出，随着石粉掺量的增加，3d、7d 早期强度增加，至40% 时达到最大，之后随着掺量的增加，3d、7d早期强度下降，直至掺量达到100% 时，3d、7d 早期强度基本不低于基准配合比强度。

随着石粉掺量的增加，28d 强度稍有增加，至50% 时达到最高，随后下降，至80% 时与基准配合比28d 强度基本相同或稍有下降，之后随着掺量的增加，28d 强度下降。

图3　Fx-10坍落度

图4　Fx-10抗压强度

（3）对 Fx-15系列配合比，由图5及图6可以看出，随着石粉掺量的增加，对混凝土工作性的改善及对强度的影响，与 Fx-10基本相同。初始坍落度与 Fx-10相比略有增加，增加5mm 左右，强度与 Fx-10相比略有增加，增加0.1～0.4MPa。

（4）对 Kx-5系列配合比，由图7可以看出，当石粉掺量达到30% 以上，虽然初始坍落度可以达到200mm 以上，并且随着石粉掺量的增加，初始坍落度一直保持200mm 以上，但当掺量达到50% 以上时，60min 坍落度损失明显变大，最大损失值达到40mm。

初始坍落度与基准配合比相比，增幅最大为40mm。

由图8可以看出，随着石粉掺量的增加，3d、7d 早期强度增长，至30% 时增长到最高，随后下降。当掺量达到50%～60% 时，与基准配合比接近，之后随着掺量的增加，3d、7d 强度略有下降。

随着石粉掺量的增加，掺量在30% 以下时，28d 强度与基准配合比接近或稍有下降，之后随着掺量的增加，28d 强度下降。

（5）对 Kx-10系列配合比，由图9可以看出，随着石粉掺量的增加，初始坍落度增大，并且60min 坍落度损失越来越小，掺量达到50% 以上时，随着石粉掺量的增加，初始坍落度基本不增长，60min 坍落度损失也很小，为5～15mm，对混凝土工作性能改善明显。

图5　Fx-15坍落度

图6　Fx-15抗压强度

图7　Kx-5坍落度

图8　Kx-5抗压强度

由图10可以看出，随着石粉掺量的增加，3d、7d 早期强度增加，至30% 时达到最大，之后随着掺量的增加，3d、7d 早期强度下降，掺量达到60%～70% 时，3d、7d 早期强度与基准配合比接近，之后随着掺量增加，3d、7d 强度略有下降。

随着石粉掺量的增加，28d 强度略有增加，至30% 时达到最高，随后下降，至50% 时与基准配合比28d 强度基本相同或略有下降，之后随着掺量的增加，28d 强度下降。

（6）对 Kx-15系列配合比，由图11及图12可以看出，随着石粉掺量的增加，对混凝土工作性能的改善及对强度的影响，与 Kx-10基本相同，初始坍落度与 Kx-10相比基本相同。强度与 Kx-10相比，略有增加，增加0.1～0.3MPa。

图9　Kx-10坍落度

图10　Kx-10抗压强度

图11　Kx-15坍落度

5　石灰石粉改善混凝土性能的机理探索

根据内川浩、陈迅捷、陈剑雄、崔洪涛等人的分析研究，石灰石粉影响混凝土性能的机理分析如下：

石灰石粉作为一种高性能混凝土掺合料，当比表面积较大时，大于水泥及其它掺合料的比表面积时，不但补充了混凝土中缺少的细颗粒，增大了粉体材料的比表面积，减少泌水和离析，而且石灰石粉能与水泥和水形成柔软的浆体，增加了混凝土的含浆量，改善了混凝土的和易性，由此使混凝土坍落度增大。

图12　Kx-15抗压强度

由于高细度石灰石粉具有良好的形态效应和填充效应，其在混凝土中与水泥水化相比用水量少，表面光滑的石灰石粉颗粒分散在水泥离子之间，起到分散剂的作用，细小的石灰石粉颗粒对水泥水化过程中形成的絮凝结构有解絮作用，石灰石粉颗粒呈球形，表面光滑，在水泥颗粒间起到“滚珠”作用，是个体系的反应速度较慢，有效的减少了混凝土坍落度经时损失。

CaCO3能加速 C3S 的水化，并随其细度的增加而增加，并且对 C3S 早期的水化影响更大，CaCO3对 C3S 水化的加速作用主要是由于 CaCO3对饱和的 Ca2+离子溶液起了晶核作用，促使 C-S-H 凝胶相提前成核析晶，当 C3S 开始水化时，释解出了大量 Ca2+离子，当 Ca2+离子在溶液中迁移时，发生了 CaCO3颗粒表面对 Ca2+离子的吸附作用，导致水化过程中 C3S 颗粒周围的 Ca2+离子浓度降低，从而加速了 C3S 的水化，提高了混凝土强度，尤其是早期强度。至于掺量过高而使混凝土强度下降，主要是 Ca2+消耗掉了几乎全部的参与二次反应的硅相，致使二次增强作用减少所改。

石灰石粉的细度比水泥细，掺入的石粉均匀的填充在水泥石中，堵塞了一部分毛细孔，阻碍了毛细孔中吸附水向混凝土表面的迁移速度，有效的抑制了干缩。

虽然掺入石灰石粉使混凝土碱度降低，但超细石灰石粉的掺入改善了混凝土的孔结构，抗渗性能更好，只是对表面碳化略有增大，混凝土内部钢筋保护层以内的抗碳化能力基本与不掺石灰石粉的相当，甚至略有提高。

石灰石粉的加入改善了混凝土的密实性，石灰石粉的微集料填充效应不但使毛细孔得到细化，而且孔隙率减少，孔结构得到了改善。但是石灰石粉掺量过大时，过量的石灰石粉不能形成二次水化产物，降低了界面过渡区的密实性，抗冻能力下降，如对混凝土的抗冻性能要求较高时，可采取如少掺石灰石粉、提高石灰石粉比表面积、通过提高化学外加剂的抗冻能力等措施提高混凝土的抗冻性。

6　结论

（1）在普通混凝土中掺入超细石灰石粉，可以明显改善混凝土拌合物的工作性，混凝土拌合物初始坍落度增幅明显，坍落度经时损失减小。

（2）在普通混凝土中掺入超细石灰石粉，可以提高混凝土强度，尤其是早期强度，在合理的掺量范围内，可以保持后期强度基本不降低，与不掺石灰石粉的相当。

（3）石灰石粉细度达到一定程度（比表面积1000m2/kg)以上，可以明显改善混凝土的工作性，提高强度，但在比表面积1000m2/kg 以上，随着细度的提高，对混凝土工作性及强度的改善不明显。

（4）石灰石粉细度较粗时（比表面积500m2/kg 及以下），对混凝土工作性能的改善不明显，随着掺量的增加，早期抗压强度变化不明显，后期抗压强度下降。

（5）在普通混凝土中超细石灰石粉取代粉煤灰以不超过80% 为宜，取代矿粉以不超过50% 为宜。

7　问题

由于篇幅所限，本文只对 C30普通混凝土进行了试验研究，应对各强度等级的普通混凝土进行大量实验研究，对石灰石粉在混凝土中的运用提供大量的试验数据及使用依据。

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杨友祥，男，北京市八通混凝土搅拌站。