西藏水电工程采用石灰石粉作为混凝土掺合料的试验研究

李光伟， 邓长军

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

西藏水电工程采用石灰石粉作为混凝土掺合料的试验研究

李光伟， 邓长军

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

受客观条件的限制，西藏地区水电工程中混凝土掺和料需从内地长距离运输获得，这样不但增加了工程造价，同时也存在着由于掺和料供应不及时而影响工程进度的风险。结合西藏水电工程的实际，开展了采用石灰石粉作为混凝土掺和料的试验。研究结果表明: 采用石灰石粉作为掺合料能改善混凝土的和易性，提高混凝土的力学及耐久性能，将石灰石粉作为掺和料用于西藏地区水电工程的混凝土在技术上是可行的。

石灰石粉; 西藏地区; 水工混凝土; 掺和料

0 前 言

由于掺合料具有一定的活性效应、形态效应以及填充效应，可以改善水泥胶凝材料组成，从而提高混凝土的和易性，提高混凝土的强度、耐久性以及体积的稳定性，因而成为配制水工高性能混凝土不可或缺的组成部分。西藏水电资源十分丰富，技术可开发水电资源占全国20%。但西藏地区工业基础较为薄弱，水工混凝土常用的粉煤灰和矿渣等矿物掺和料相当匮乏，因此选用容易获得、储量丰富、质优价廉的掺合料是西藏地区水电建设中水工高性能混凝土设计的关键。

石灰石粉主要指由石灰岩经机械加工后的颗粒小于0.16 mm的微细粒。石灰石粉可以补充混凝土中缺少的细颗粒，和水泥与水形成柔软浆体，从而减少泌水和离析，改善混凝土的和易性。大量的试验研究成果表明[1-4]：石灰石粉具有与其他火山灰质矿物粉末不一样的作用，如：促进水泥水化、提高早期强度、改善新拌混凝土的流变性等。本文结合西藏地区石灰石储量较为丰富的实际，采用当地的混凝土原材料，开展采用石灰石粉作为掺合料配制水工混凝土的试验研究，并与水工粉煤灰混凝土进行比较，对石灰石粉作为掺合料用于西藏地区水电工程的水工混凝土的可行性进行一定的探讨。

1 混凝土原材料及配合比

试验所采用的胶凝材料为P.MH42.5水泥、Ⅱ级粉煤灰以及西藏当地的石灰石粉，其中水泥的细度为1.5%，28 d的抗压强度为52.0 MPa；Ⅱ级粉煤灰的细度为22%，需水比为103%。

为了便于比较，将石灰石粉的细度保持和Ⅱ级粉煤灰的细度一致，石灰石粉的需水比为97%。所用各种胶凝材料的化学成分见表1。

图1为石灰石粉和粉煤灰的颗粒形貌。从图中可以看出，石灰石粉颗粒为不规则体，表面粗糙，颗粒表面有细微颗粒吸附现象。粉煤灰中含有大量的球形颗粒，表面致密、光滑。从粒径看，石灰石粉和粉煤灰的颗粒粒径分布在一个量级内。

试验采用西藏当地花岗岩加工的人工骨料，粗骨料的密度为2.65 g/cm3，饱和面干吸水率为0.31%，细骨料的细度模数为2.90，吸水率为1.10%，其石粉含量为11.5%。

表1 胶凝材料的化学成分

图1 石灰石粉和粉煤灰的颗粒形貌

分别采用石灰石粉和Ⅱ级粉煤灰作为掺合料配制满足设计要求的C9025大坝混凝土，混凝土的配合比见表2。其中骨料的级配为四级配，复掺一定量的缓凝高效减水剂和引气剂，混凝土的陷度控制为30～50 mm，混凝土含气量控制为3.0%～4.0%。

表2 掺不同掺合料大坝混凝土配合比

由于石灰石粉没有类似于粉煤灰的火山灰活性，因此配制相同强度等级的大坝混凝土时，其水泥用量有所增加。石灰石粉具有一定的填充效应，水泥颗粒之间具有良好的分散作用，对水泥的“絮凝结构”有着解絮作用。因此石灰石粉混凝土的陷度有所提高，混凝土的含气量有所增加，表明采用石灰石粉作为混凝土的掺合料可以改善大坝混凝土的和易性。

2 试验成果及分析

2.1 对大坝混凝土力学性能的影响

不同掺合料配制的大坝混凝土强度性能的试验结果见图2，由图中可以看出：石灰石粉大坝混凝土的早期强度要高于粉煤灰大坝混凝土，其7 d抗压强度提高了25.3%，28d抗压强度提高了10.5%，28d的抗拉强度提高了14.9%。采用石灰石粉作为掺合料可以提高大坝混凝土的早期强度性能，其原因在于石灰石粉颗粒作为一个个成核场所，致使溶解状态中的C-S-H遇到固相粒子并接着沉淀其上的概率有所增大，石灰石粉在水泥浆中充当了水化硅酸钙的成核基体，降低了成核位垒，加速了水泥的水化[5]。

不同掺合料配制的大坝混凝土变形性能影响的试验结果见表3。由表3可以看出：石灰石粉大坝混凝土的弹性模量和极限拉伸均高于粉煤灰大坝混凝土，其28 d的弹性模量提高了6.6%，90 d的弹性模量提高了1.7%；其28 d的极限拉伸提高了3.5%，90 d的极限拉伸提高了5.7%。表明采用石灰石粉作为掺合料可以提高大坝混凝土的弹性模量与极限拉伸。与粉煤灰大坝混凝土相比，石灰石粉作为掺合料大坝混凝土的徐变变形略有提高。

图2 不同掺合料对大坝混凝土强度性能的影响

掺合料种类强度等级弹性模量/GPa极限拉伸/10-6徐变/10-6MPa28d90d28d90d7d加荷90d加荷石灰石粉C902522.523.811813058.319.6粉煤灰C902521.123.411412357.319.1

2.2 对大坝混凝土耐久性能的影响

不同掺合料配制的大坝混凝土90 d龄期的抗冻以及抗渗性能试验结果见表4，由表4可以看出：

(1)石灰石粉大坝混凝土的渗透系数要小于粉煤灰大坝混凝土，这是由于石灰石粉可以提高集料的有效堆积，在水泥水化过程中阻止毛细孔道的形成，从而提高混凝土的抗渗性能。

(2)冻融150次后，石灰石粉大坝混凝土的相对动弹性模量与质量损失与粉煤灰大坝混凝土差异不大，表明石灰石粉大坝混凝土抗冻能力与粉煤灰大坝混凝土相当。

表4 不同掺合料对大坝混凝土耐久性能的影响

2.3 对大坝混凝土热学性能的影响

不同掺合料配制的大坝混凝土绝热温升试验结果见图3，由图中可以看出：石灰石粉大坝混凝土的绝热温升与粉煤灰大坝混凝土差异不大。其早期绝热温升值要略大于粉煤灰大坝混凝土0.1～0.3 ℃，其原因在于掺石灰石粉混凝土的水泥用量较高，且石灰石粉具有一定的加速水泥水化的效应。其后期的绝热温升值要略小于粉煤灰大坝混凝土0.3～0.4 ℃，这是由于粉煤灰后期参与水化的缘故。

图3 不同掺合料对大坝混凝土绝热温升的影响

2.4 对大坝混凝土体积稳定性的影响

由于混凝土内部水分的改变，水化反应以及环境温湿度的变化会导致混凝土的体积发生变化，不同掺合料对大坝混凝土体积稳定性的影响见图4。由图中可以看出：石灰石粉大坝混凝土的干缩变形以及自生体积收缩变形均大于粉煤灰大坝混凝土。这是由于石灰石粉在加速水化硅酸钙和水化铝酸钙形成的同时，其自身与氢氧化钙和水化铝酸钙发生反应生成水化碳铝酸钙晶体，从而造成混凝土的收缩变形增大。表明采用石灰石粉作为掺合料会对大坝混凝土的体积稳定性存在着一定的不利影响。

图 4 不同掺合料对大坝混凝土体积稳定性的影响

3 石灰石粉在水泥基材料中的作用机理分析

石灰石是一种主要由方解石组成的矿物，其主要化学成分为CaO，石灰石粉在水泥基材料中的作用主要体现在颗粒的形貌效应、加速水泥水化效应以及水化的活性效应。

(1)石灰石粉颗粒表面光滑，比表面积大，掺入混凝土中可以补充混凝土中缺少的细颗粒，填充了骨料与胶凝材料间的空隙，改善混凝土的匀质性和密实性。增大固体表面积对水体积的比例，从而减少混凝土的泌水和离析。由于石粉中含有一定量的低塑性细粉，能与水泥和水形成柔软浆体，使得砂的总体塑性指数降低，从而可以改善混凝土的和易性。

(2)石灰石粉在水泥水化反应中可以起晶核作用，诱导水泥的水化产物析晶，加速水泥水化并参加水泥的水化反应。石灰石粉颗粒作为水化产物CH和C-S-H成核场所，加速了水泥熟料矿物的水化[6]。通过测定C3S—CaCO3—H2O体系早期放热速率，可以得出石灰石粉促进C3S水化反应的结论，且石灰石粉含量愈高，其放热量愈多[7]。通过热导式量热分析法研究石灰石粉对水泥水化热的影响结果表明[8]：掺入石灰石粉的水泥试样水化诱导期和加速期的结束时间均早于不掺石灰石粉的对比试样，说明石灰石粉促进了水泥水化。

(3)石灰石粉在水泥混凝土的凝结硬化过程中，可以起到与石膏相似的作用，抑制或延缓C3A水化成C3AH6的反应，并与C3A反应形成碳铝酸钙水化物(主要是单碳铝酸钙水化物)并稳定存在。研究表明[9]：掺有石灰石粉的水泥在水化1 d后就有单碳铝酸钙水化物形成，直到28 d其量仍持续增长并稳定存在。随着石灰石粉含量的增加，氢氧化钙和水化碳铝酸钙的晶体数量增加。一方面是由于石灰石粉可起到晶核作用而促进水化，另一方面是因为石灰石粉中的碳酸钙参与C3A的水化反应生成水化碳铝酸钙，对水泥水化有增强作用[10]。

4 结 语

结合西藏的实际，将石灰石粉与粉煤灰分别作为掺合料进行的大坝混凝土对比试验结果表明：采用石灰石粉作为掺合料配制的大坝混凝土具有和易性较好、早期强度较高，弹性模量、极限拉伸以及徐变变形等力学性能有所增长，耐久性能有所改善的优点。但采用石灰石粉作为掺合料对大坝混凝土的体积稳定性也会带来一定的不利影响。

石灰石粉在水泥基材料体系中所具有的颗粒形貌效应、自身水化活性效应以及加速水泥水化的效应，在一定程度上对混凝土的宏观性能可以起促进作用，因此将石灰石粉作为混凝土的掺合料是可行的。水工混凝土常用的粉煤灰和矿渣等矿物掺和料在西藏地区相当匮乏，因此选用容易获得、储量丰富、质优价廉的石灰石粉作为混凝土掺合料不乏为西藏地区配制水工高性能混凝土的有效措施之一。由于石灰石粉具有与粉煤灰类火山灰质矿物掺合料不一样的作用，因此不能将石灰石粉简单的等量替代粉煤灰作为混凝土的掺合料，应该针对石灰石粉的特性，改变传统的配合比观念，建立新的混凝土配合比材料体系。

[1] 饶美娟，刘数华，方坤河．石灰石粉在水工混凝土中的应用研究综述[J]．人民长江，2009(5): 41-43．

[2] 陈改新，孔祥芝．石灰石粉——一种新的碾压混凝土掺和料[J]．中国水利，2007(21):16-18．

[3] 刘数华，阎培渝．石粉作为碾压混凝土掺合料的利用和研究综述[J]．水力发电，2007(1):69-71．

[4] 宋少民，刘娟红，徐国强.石灰石粉在混凝土中应用的综述与研究[J]．混凝土世界，2009(12):38-43．

[5] 杨华山，方坤河，涂胜金，等．石灰石粉在水泥基材料中的作用及其机理[J]．混凝土，2006(6): 32-35．

[6] J. Pe′ra, S.Husson, B.Guilhot. Influence of finely ground limestone on cement hydration[J]. Cem.Concr.Compos., 1999,21(2): 99-105.

[7] Yongjuan Zhang, Xiong Zhang. Research on effect of limestone and gypsum on C3A, C3S and PC clinker system [J]. Construction and Building Materials. 2007, 22(8): 1634-1642.

[8] 蔡基伟,周明凯,李北星, 等.机制砂中石灰石粉对水泥水化热及水化产物的影响[C]//超高层混凝土泵送与超高性能混凝土技术的研究与应用国际研讨会论文集, 2008.

[9] G. Kakali, S. Tsivilis, E. Aggeli, et al. Hydration products of C3A, C3S and Portland cement in the presence of CaCO3[J].Cem.Concr.Res., 2000, 30(7): 1073-1077.

[10] 饶美娟，刘数华，方坤河，等. 石灰石粉对水泥基材料水化动力学的影响[J]. 建筑材料学报, 2009，12(6): 734-736.

2016- 01- 04

李光伟( 1962-) , 男, 湖北武汉人, 教授级高级工程师, 从事水工混凝土原材料及混凝土性能试验研究。

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