预拌混凝土中石灰石粉替代粉煤灰的配合比试验研究

刘桂平

(江西省建筑材料工业科学研究设计院,江西 南昌 330024)

1 引言

随着混凝土的多元化发展,对矿物掺合料的需求日益增长。目前我国的粉煤灰、磨细矿粉等矿物掺合料供应日益紧张,价格不断上涨[1]。因此在利益的驱动下,粉煤灰供应商销售的粉煤灰存在以次充好、以假乱真的行为。石灰石粉是一种容易得到且廉价的材料,骨料的加工过程中也会带来大量石粉,如果不加以利用不仅要占用场地堆放而且会对环境造成污染。如果能将其稍作加工,作为掺合料使用替代日益紧缺的粉煤灰对于解决实际工程的原材料紧缺问题,降低工程造价和环保等将具有重大的现实意义[2]。

近年来,国内研究人员已经开展了石灰石粉在混凝土中的应用研究。陈剑雄等人的研究表明石灰石粉取代5%～10%水泥后,混凝土的早期强度显著提高,后期强度也发展良好。掺量超过20%时对混凝土强度发展不利,尤其达到30%时强度显著降低[3]。周金钟等[4]认为,石灰石粉可代替粉煤灰作掺合料使用,但代替矿粉时,混凝土强度有不同程度的降低。大量的实验研究表明,石灰石粉部分取代水泥,混凝土拌和物坍落度增加且经时损失减小[5]。当不取代水泥时,则随掺量的增加,坍落度经时损失增大。目前针对石灰石粉应用于混凝土的研究,研究较多的是取代水泥的相关研究,而替代预拌混凝土中粉煤灰应用研究并不多。

本文针对江西省赣南地区缺乏Ⅱ级粉煤灰的现实情况,探究石灰石粉应用于预拌混凝土中的可行性,采用当地原材料及工程常用配合比,开展石灰石粉替代粉煤灰的配合比应用研究,为石灰石粉的推广应用以及混凝土企业的稳定生产、降本增效提供试验依据。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

(1)水泥：江西赣州万年青水泥有限公司生产的P·O42.5级普通硅酸盐水泥。

(2)矿粉：新余中治环保资源开发有限公司S95级粒化高炉矿渣粉,密度2.86g/cm3,比表面积420m2/kg,28d活性指数97%,流动度比100%。

(3)粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰,45μm筛余18.5%,需水量比100%。

(4)矿粉：比表面积440m2/kg,流动度比100%,28d活性指数98%。

(5)骨料：粗骨料,小石5～16mm连续级配碎石,大石10～31.5mm连续级配碎石；细骨料,河砂细度模数2.6,中砂。

外加剂和水：外加剂为聚羧酸缓凝高性能减水剂,含固量10%,减水率25%；水为饮用自来水。

(6)石灰石粉：江西赣州万年青水泥有限公司生产的石灰石微粉,比表面积为650m2/kg,亚甲基蓝值MB为0.50g/kg,28d活性指数67%,其颗粒粒度分布见图1。以上可知,该石灰石粉为超细石灰石粉,10μm以下颗粒含量达50%左右,MB值低,对外加剂的吸附性较小。

图1 石灰石粉的颗粒粒度分布

2.2 试验方法

(1)混凝土的扩展度、1h坍落度经时损失和抗压强度试验

本试验中,通过固定外加剂掺量,控制混凝土的初始坍落度在210±10mm来确定不同配合比混凝土的用水量,扩展度、1h坍落度经时损失参照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行试验；混凝土的强度参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。

2.3 试验配合比

(1)C25配合比

表2-1 混凝土配合比参数(kg/m3)

(2)C30配合比

表2-2 混凝土配合比参数(kg/m3)

备注：“-”表示试验组的用水量以混凝土拌合物坍落度达到210±10mm来确定。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

(1)石灰石粉对混凝土拌合物需水量、性能及抗压强度的影响

由下表3-1可知,不同强度等级掺石灰石粉的混凝土,相比于掺粉煤灰的基准混凝土其单方用水量均有一定降低,单方用水量最大可减少5kg左右,石灰石粉混凝土的扩展度几乎都大于基准混凝土,1h坍落度经时损失均大于基准混凝土,石灰石粉混凝土7d抗压强度均略大于基准混凝土,28d抗压强度较基准混凝土略低,但基本上与基准混凝土相当。

表3-1 混凝土拌合物用水量、性能及抗压强度试验结果

3.2 讨论分析

本文试验结果可能的原因是由于石灰石粉对水和外加剂的吸附相对于粉煤灰要小很多,因此在固定外加剂掺量不变,达到相同初始坍落度时,石灰石粉混凝土的用水量会有不同程度的降低,而对于1h坍落度经时损失,掺石灰石粉的混凝土均有不同程度的增大,这可能是因为一方面用水量降低了,另一方面石灰石粉促进了水泥C3S的早期水化[6],进一步消耗了自由水,生成了更多的水化产物,水化产物的空间网络体搭接的更加牢固,同时一定程度上增加了对外加剂的吸附；另外,由于本试验所用石灰石粉属于超细粉体,小于10μm的颗粒含量高达50%,这些细颗粒不仅能够很好的填充水泥、矿粉颗粒之间的间隙,改善胶凝材料的颗粒级配,释放胶凝材料颗粒之间的间隙水,大幅提高混凝土的密实度。而且其主要化学成分CaCO3也促进了水泥中C3S的早期水化,同时CaCO3周围形成的结晶新相,改善了CaCO3与硬化水泥浆体的界面结构,使界面更致密,因此石灰石粉混凝土的早期7d强度均高于基准混凝土；但是石灰石粉是一般认为是惰性材料,其加入使得整个硬化浆体体系的胶凝材料减少,石灰石粉的加入也增大了实际有效的水灰比,一方面在早期加速水化速率,提高了水化程度,另一方面却增加了毛细孔的含量[7],因此导致28d抗压强度略有降低。

4 结论

(1)在保持混凝土坍落度相近的情况下,石灰石粉替代预拌混凝土中的粉煤灰,C25和C30石灰石粉混凝土的单方用水量可降低5kg左右,且混凝土的工作性能更好,但1h坍落度经时损失均大于基准混凝土。

(2)通过调整胶凝材料组成比例和砂率,石灰石粉混凝土的7d强度均略大于基准混凝土,28d强度与基准混凝土相当,且均能达到不同强度等级混凝土的强度设计要求。

(3)石灰石粉是一种新型廉价的绿色矿物掺合料,能够很好地解决赣南地区预拌混凝土用粉煤灰资源短缺和价格上涨的局面。

[1]赵海红.石粉作矿物掺合料的研究[D].重庆：重庆大学,2013．

[2]刘数华,阎培渝.石灰石粉在复合胶凝材料水化中的作用机理[J].硅酸盐学报,2008(10)：1401-1405．

[3]陈剑雄,李鸿芳,陈寒斌.石灰石粉超高强高性能混凝土性能研究[J].施工技术,2005,34(4)：27．

[4]周金钟,郑广军,等.石灰石粉在普通混凝土中的应用研究[J].建筑节能,2009,37(6)：31-34．

[5]陈剑雄,崔洪涛,陈寒斌,肖斐.掺入超细石灰石粉的混凝土性能研究[J].施工技术,2004,33(4)：39．

[6]郭育霞,贡金鑫,李晶.石粉掺量对混凝土力学性能及耐久性的影响[J].建筑材料学报,2009,12(3)：266-271．

[7]V.Bonavetti,H.Donza,G.Mene′ndez,O.Cabrera,E.F.Irassar.Limestone filler cement in low w/c concrete∶Arational use of energy[J].Cement and Concrete Res,2003,33∶865-871．