石粉替代粉煤灰和矿粉对混凝土胶材体系流动性影响研究

2016-12-30赵世冉刘长义kg张林kg杨勇kg贾林张凯峰伍勇华

商品混凝土 2016年12期

赵世冉，刘长义/kg，张林/kg，杨勇/kg，贾林，张凯峰，伍勇华

（1. 中建西部建设北方有限公司，陕西西安 710116；2. 冀东海德堡（泾阳）水泥有限公司，陕西泾阳713701；3. 西安宁众实业有限公司，陕西西安 710018；4. 西安建筑科技大学，陕西西安 710055）

赵世冉1，刘长义2/kg，张林2/kg，杨勇2/kg，贾林3，张凯峰1，伍勇华4

本文通过试验研究高氧化钙石粉（CaO 含量≥50%）替代粉煤灰和矿粉对 C20～C50 混凝土胶凝材料体系流动性的影响规律。结果表明，石粉可以提高混凝土胶凝材料体系的流动性，且石粉替代粉煤灰对浆体流动性的改善作用更明显。生产中，可采用控制石粉总量的方式来达到改善混凝土性能，控制混凝土浆体流动性的目的，石粉占混凝土胶凝材料总量的最大百分比应控制在 23% 左右。

石粉；水泥净浆；混凝土；胶材体系；流动度

0 前言

近些年，矿物掺合料粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰等粉体材料在混凝土中的普遍使用，取得了巨大的社会效益和经济效益[1-2]。然而，随着煤电、钢铁等行业节能减排和去产能压力的进一步加大，优质矿渣、粉煤灰资源逐渐紧缺，混凝土行业出现产量低、生产成本高、经济效益差等问题。与此同时，市场上部分粉煤灰厂家掺加劣质石粉之类的杂质以假代真、以次充好，严重影响着混凝土的质量。针对这些情况，寻找一种新的混凝土矿物掺合料来缓解粉煤灰等混凝土掺合料短缺的问题势在必行。

石粉是由高品质石灰石磨细加工制成的。研究表明，石粉中粒径小于 0.045mm 的硅质、钙质颗粒，具有一定强度的水化产物，可以充填混凝土孔隙，使混凝土的孔隙细化，降低混凝土的孔隙率，改善混凝土的孔隙结构，从而提高混凝土的性能[3-5]。石灰石在我国分布广泛，且具有易于粉磨、低反应活性、低需水量比等特点，是替代粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等掺合料的绝佳材料。

石粉作为混凝土掺合料的研究由来已久，但是混凝土生产中真正将石粉作为掺合料的却很少，这主要是由于大多数石粉的 MB 值等指标不稳定，易造成混凝土胶材体系与外加剂适应性不良，混凝土质量波动大[6-8]。本文采用高氧化钙含量（≥50%）石粉，从石粉与混凝土外加剂适应性的角度出发，研究不同比表面积石粉分别替代粉煤灰和粒化高炉矿渣粉对混凝土胶凝材料体系流动性的影响规律，为石粉在混凝土中的生产应用奠定基础。

1 试验

1.1 原材料

水泥采用铜川声威 P·O42.5 水泥，主要物理性能指标见表1；粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰，细度 19.5%，烧失量6.1%；矿粉为立之林 S95 级矿粉，7d、28d 活性指数分别为 81% 和98%；石粉采用冀东水泥厂磨细石灰石粉，比表面积分别为400m2/kg 和 600m2/kg；外加剂采用高性能聚羧酸减水剂。

表1 水泥物理性能指标

1.2 试验方法

试验首先依据 GB/T 8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，进行了水泥净浆流动度试验，以检验外加剂掺量一致（胶凝材料总量的 1.8%）时，石粉掺入对水泥净浆流动度的影响，石粉掺量分别为水泥质量的 0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%。

在石粉对水泥净浆流动度影响的基础上，试验选取C20、C30、C40、C50 混凝土生产配合比进行石粉分别替代粉煤灰和矿粉后混凝土胶材体系流动度的影响试验，其中，石粉替代粉煤灰量分别为 0%、20%、40%、60%、80%、100%，石粉替代矿粉量为 100%，外加剂掺量为胶凝材料总量的 1.8%。

1.3 混凝土胶材配比（表2）

表2 混凝土胶材体系配比 m3/kg

2 试验结果与讨论

2.1 石粉对水泥净浆流动度的影响

试验分别将比表面积为 400m2/kg 和 600m2/kg 石粉按不同比例掺入水泥中进行净浆流动度试验，结果如图1a、图1b 所示。

由图1 可知，随着石粉掺量的增加，净浆初始流动度呈逐渐递增的趋势。经 1h 静置后，在外加剂缓释保坍组分的作用下，未掺石粉的净浆流动度大于初始流动度，相比较而言，除比表面积 600m2/kg 石粉 10% 掺量外，掺石粉的净浆流动度，1h 后浆体流动度均低于初始流动度，且随石粉掺量的增加，降低幅度增大。由图1b 可知，当比表面积 600m2/kg 石粉掺量低于 20% 时，净浆 1h 前后流动度变化接近纯水泥净浆，而当石粉掺量大于 20% 时，1h 后净浆流动度低于初始流动度，且随着石粉掺量的增加，流动度趋于稳定值 230mm。图1a 也表现出随石粉掺量的增加，流动度趋于稳定的规律。这可能是因为石粉对外加剂的吸附作用，限制了外加剂中缓释保坍组分作用的发挥，并且石粉掺量越大，限制作用越明显。

2.2 石粉替代粉煤灰和矿粉对混凝土胶材体系浆体流动性的影响

根据石粉对水泥浆体流动度影响的试验结果，试验选取比表面积 600m2/kg 石粉进行 C20～C50 混凝土同配比胶材体系流动度试验，结果如图2a、图2b、图2c和图2d 所示。

图1 不同比表面积石粉掺量对水泥净浆流动度影响

b C30 混凝土同配比胶材体系

图2 比表面积 600m2/kg 石粉对混凝土胶材体系流动性的影响

由图2a 可知，当采用比表面积 600m2/kg 石粉替代粉煤灰，石粉掺量小于 60% 时，C20 混凝土胶材体系的初始流动度呈递增趋势，大于 60% 时，流动度略有降低，并趋于稳定值 320mm，此时石粉占胶材总量的百分比为 23%。从浆体流动度表现来看，石粉替代粉煤灰量大于 60% 时，浆体开始出现轻微泌水现象，这是因为石粉的加入间接增加了浆体中的自由水，即在重力下起扩散作用的胶凝材料质量减少，使浆体出现泌水扒底，流动度值达到极限不再增加。另外，1h 后的浆体流动度变化也表明，比表面积 600m2/kg 石粉替代粉煤灰掺量低于 60% 时，浆体流动度大于初始流动度，掺量大于60% 时，浆体流动度降低并趋于稳定值，这可能是因为石粉对外加剂缓释成分的吸附作用及其他效应综合作用的结果。从替代矿粉后浆体流动度变化情况来看，石粉 100% 替代，C20 混凝土胶材体系的初始流动度低于基准值，但 1h 后流动度增大。

由 C30 混凝土同配比胶材体系浆体流动度试验结果（图2b）可知，比表面积 600m2/kg 石粉替代粉煤灰后，浆体流动度呈增长趋势。相比于初始流动度，当石粉掺量低于 80%时，1h 后浆体流动度无损失，此时石粉占胶材总量的百分比为 20%。石粉替代矿粉的试验结果也呈现出初始流动度增大，1h 后流动度变化不大的趋势。表明比表面积 600m2/kg 石粉在 C30 胶材体系中替代粉煤灰和矿粉都可以起到增加浆体流动性的作用。

由图2c 可知，比表面积 600m2/kg 石粉，在 100% 替代C40 混凝土同配比胶材体系中的矿粉后，与替代 60% 粉煤灰（100% 替代矿粉替代量为 60g，60% 替代粉煤灰替代量为 60g，是等量替代）相比，初始流动度和 1h 后流动度均较低，表明 C40 混凝土同配比胶材体系中石粉替代粉煤灰比替代矿粉对流动性增强作用更为明显。石粉替代粉煤灰对浆体初始流动度和 1h 后流动度的影响表明，可采用石粉 100% 替代 C40 混凝土胶材体系中的粉煤灰以改善浆体流动度，此时石粉占胶材总量的百分比为 17%。

由图2d 可知，石粉替代 C50 混凝土胶材中的粉煤灰和矿粉对浆体流动性的影响规律与 C40 混凝土胶材体系类似，浆体初始流动度均随着石粉替代量的增加而增加。不同的是，石粉的加入明显增大了浆体 1h 后的流动度，且流动度增大幅度随石粉替代量的增加而降低，在 100% 替代量时，1h 前后浆体流动度变化不大。在石粉 100% 替代矿粉后，与基准相比，浆体初始流动度增加 32mm，1h 后流动度增加 10mm，与替代 80% 粉煤灰相比，初始流动度和 1h 后流动度均较低，表明石粉替代 C50 混凝土胶材中的粉煤灰比替代矿粉对流动性增加更为明显。

石粉在混凝土中的晶核效应、化学活性效应和减水效应得到了业界研究人员的普遍认同[9-11]。本试验的研究表明，经磨细至一定细度的石粉表面光滑、颗粒圆润，表面的摩擦阻力较小，能够充分发挥本身的滚珠效应，增加水泥净浆的流动性，起到减水的作用，可作为粉煤灰的替代品用于混凝土生产。其中，在 C20 混凝土中石粉替代粉煤灰量应低于60%，且占胶凝材料总量应低于 23%；在 C30 混凝土中石粉替代粉煤灰量应低于 80%，且占胶凝材料总量应低于 20%；在 C40 和 C50 混凝土中石粉可全替代粉煤灰，且石粉占胶凝材料总量应分别低于 23% 和 17%。

3 结论

粉磨至一定细度的石粉可以提高水泥浆体的初始流动度，且当石粉比表面积大于 600m2/kg 时改善流动度的效果更明显。在相同的外加剂掺量下，石粉可增加水泥浆体的流动度损失，但当掺量达到一定值时，浆体的流动度变化将趋于稳定，不随石粉掺量的变化而变化。

石粉替代混凝土胶材体系中的粉煤灰和矿粉可以提高浆体的流动性，其中石粉替代粉煤灰比替代矿粉对浆体流动性的改善作用更明显。石粉应用于混凝土中，可以改善混凝土胶材体系的流动性，可采用控制石粉总量的方式来达到控制浆体流动性的目的，综合来看，石粉占混凝土胶凝材料总量的最大百分比应控制在 23% 左右。

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［通讯地址］陕西省西安市长安区王寺镇西街中建西部建设北方有限公司研发中心（710116）

Study on the influence of the fluidity of concrete cementitious material system when using limestone powder instead of fly ash and blast furnace slag powder

Zhao Shiran1,Liu Changyi2/kg, Zhang Lin2/kg, Yang Yong2/kg, Jia Lin3, Zhang Kaifeng1,Wu Yonghua4
(1.China West Construction North Group Co.,Ltd, Shaanxi, Xi'an,710116; 2. Jidong Heidelberg Jingyang Cement Co.,Ltd, Shaanxi,Jingyang, 713701; 3. Xi'an Ningzhong Industrial Co.,Ltd, Shaanxi, Xi'an, 710018; 4. Xi'an University of Architecture and Technology, Shaanxi, Xi'an, 710055)

Through the test research for C20 ～ C50 concrete cementitious material system liquidity is investigated when the powder is adopted to replace the fly ash and granulated blast furnace slag powder. The results show that the limestone powder can improve the liquidity of concrete of gelled material system, when using limestone powder instead of fly ash on the improvement of the slurry liquidity effect will be more obvious.In the actual production, in order to control the fluidity of concrete paste by a way to control the total amount of limestone powder is best method, control of lime stone powder accounted for the greatest percentage of cementitious material of the concrete aggregate at around 23%.

limestone powder; cement paste; concrete; cementitious material system; fluidity

赵世冉（1987—），男，工程师，从事高性能混凝土与绿色建材研究。