石灰石粉掺量对水泥性能的影响

丁向群 李文婷 赵丽佳

（沈阳建筑大学材料科学与工程学院）

0 引言

石灰石粉具有分布广、资源丰富、易于获取等优点。石灰石粉一方面不仅能有效提高水泥砂浆的抗压强度，提高其密实性。另一方面，掺入适量的石灰石粉取代部分水泥，能充分发挥石灰石粉的最大利用率，水泥用量减少，节约资源和成本，保护生态环境[1-2]。现有研究表明，采用一定掺量的石灰石粉，能够提高水泥胶砂强度，但掺量过多时对水泥强度的提升有不利影响[3]。本实验通过测试掺入石灰石粉后水泥凝结时间、收缩率及水化产物的变化，得出掺入石灰石粉后水泥强度的变化机理，确定石灰石粉的合理掺量。

通过试验研究了石灰石粉的掺量为0%、5%、10%、20%、35%时取代水泥，对水泥的凝结时间、胶砂强度、收缩性能、水化性能等的影响规律，采用XRD 对试验结果进行分析论证，研究石灰石粉对水泥水化产物及水化进程的影响。

1 试验过程

1.1 原材料

⑴水泥：本实验采用沈阳山水工源水泥厂生产的普通硅酸盐水泥P.O42.5。

⑵石灰石粉：由5～15mm 碎石灰石磨36min 并通过80μm 筛得到的石灰石粉。

⑶砂：河砂（中砂），细度模数为2.5。

⑷水：自来水，试验过程中保持水温在（20±2）℃。

⑸改性剂：二乙醇单异丙醇胺，由辽宁天宝华瑞建材有限公司提供。

表1 水泥胶砂配合比设计

1.2 试验方法

凝结时间测试：按照GB/T1346-2001《水泥标准稠度、凝结时间、安定性检验方法》测水泥浆体凝结时间。

强度测试：试件在标准养护室中养护至3d、7d、28d时，按照《水泥胶砂强度检验方法》GB/T17671 测试其抗折和抗压强度。

收缩性能测试：参照JC/T313-2009《膨胀水泥膨胀率试验方法》，将水泥砂浆浆体装入25mm×25mm×280mm 两侧带钉头的三联模里，脱模后用碱骨料比长仪测量试体的初始长度值L0，在标准养护室继续养护至n天龄期，测量第n 天的长度值Ln，收缩率按照式⑴计算：

式中，

Sn——胶凝材料胶砂试件第n 天龄期干缩率，%；

L0——初始测量读数，mm；

Ln——n 天龄期的测量读数，mm。

XRD 衍射分析：X 射线衍射仪，型号为Rigaku Ultiam IV，将试件养护到规定的龄期后，除去试样已被碳化表层，将其放入无水乙醇中终止水化，分析测试前取出，在50℃的条件下烘24h 至恒重后磨细，扫描时管电压为40kV、管电流为30mA，扫描角度5～65°，扫描速度为5°/min(2θ)。

2 结果与分析

2.1 石灰石粉掺量对水泥凝结时间的影响

根据GB/T1346-2001《水泥标准稠度、凝结时间、安定性检验方法》测试方法，进行水泥的凝结时间的试验。当水灰比为0.3 时，分别用石灰石粉以总质量的0%、5%、10%、20%、35%取代水泥时，对水泥的初凝和终凝时间进行测试，试验结果如图1 所示。

图1 石灰石粉掺量对水泥凝结时间的影响

从图1 中可以看出，随着石灰石粉掺量的增加，水泥的凝结时间越短，且掺量越多，对水泥凝结时间的减少效果越明显。当石灰石粉掺量为35%时，水泥的初凝时间和终凝时间降低幅度较大。以掺0%石灰石粉的水泥为基准组，掺5%、10%、20%、35%石灰石粉水泥较基准组水泥的初凝时间分别降低2.56%、4.62%、10.26%、21.54%，终凝时间分别降低1.81%、5.78%、11.19%、18.41%。

这是由于掺入石灰石粉改变了水泥水化历程，致使水泥放热速率提高，诱导期缩短，提前进入加速期，因而促使浆体凝结时间缩短[4]。因此，石灰石粉改变水泥水化历程，促进水泥早期水化导致了石灰石粉水泥浆体凝结时间缩短。

2.2 石灰石粉掺量对水泥收缩性能的影响

当水灰比为0.5 时，分别用石灰石粉以总质量的0%、5%、10%、20%、35%取代水泥，根据JC/T313-2009《膨胀水泥膨胀率试验方法》，制作25mm×25mm×280mm 水泥胶砂试块，对水泥收缩性能的影响如图2 所示。

图2 石灰石粉掺量对水泥收缩性能的影响

由图2 所示，在水灰比为0.5，且工作性一致的情况下，同一龄期随着石灰石粉掺量的增加，水泥胶砂干燥收缩率先增加后减小。随着龄期的增长，石灰石粉水泥的干燥收缩率逐渐增大。3d 龄期时，空白组的干燥收缩率最低，7d 龄期后，10%掺量时收缩率最大。

当石灰石粉掺量不超过10%时，随着石灰石粉掺量的增加，水泥砂浆的干燥收缩率逐渐增大，这是由于掺入石灰石粉可以改善水泥砂浆体系的孔结构，起到微集料的作用，填充孔结构，同时石灰石粉能够促进水泥水化，生成水化碳铝酸钙，使得水泥砂浆变得更加密实，收缩率增加，强度增大[5]。但当石灰石粉掺量过多，水泥含量少，石灰石粉的需水量相对较少，能够使得水泥体系保留更多的自由水，收缩率降低[6]。

2.3 石灰石粉掺量对水泥胶砂强度的影响

当水灰比为0.5 时，分别用石灰石粉以总质量的0%、5%、10%、20%、35%取代水泥，按照《水泥胶砂强度检验方法》GB/T17671，制作40mm×40mm×160mm 的胶砂试块，测试水泥胶砂的抗折强度及抗压强度，试验结果如图3、图4 所示。

如图3、图4 所示，随着石灰石粉掺量的增加，水泥的抗压和抗折强度均先增大后减小，随着龄期的增长，石灰石粉水泥的强度逐渐增大。当石灰石粉掺量在0%～10%并以5%掺量递增时，水泥砂浆各龄期的抗压强度逐渐增加，掺量大于10%时，强度逐渐减小。石灰石粉掺量为10%时的抗压强度及抗折强度最高，3d、7d、28d 的抗压强度分别为15.6MPa、18.6MPa、29.7MPa，比空白组分别提高了2.63%、10.06%、0.34%。

图3 石灰石粉掺量对水泥胶砂抗压强度的影响

图4 石灰石粉掺量对水泥胶砂抗折强度的影响

当石灰石粉掺量为10%时水泥的强度提升效果最好。由于石灰石粉的反应活性很低，故掺量较少时对水泥水化的影响较小，此时石灰石粉在水泥体系中起微晶核作用，改善体系的颗粒级配，水泥体系变得更加密实，故早期强度有所提升[7-8]。而对于后期强度，由于石灰石粉取代了水泥，掺量越多，水泥量相对减少，导致水化产物减少，故水泥砂浆的后期强度有所下降[9]。

2.4 物相组成分析

取养护到7d 和28d 龄期的砂浆试块，除去试样已被碳化表层，将其放入无水乙醇中终止水化，分析测试前取出，在50℃的条件下烘24h 至恒重后磨细，取1～2g 试样进行XRD 测试。石灰石粉掺量为0%、20%掺量时，标准养护7d、28d 时水泥浆体XRD 图如图5 所示。

由图5(a)可以看出，标准养护7d，石灰石粉掺量为20%时，水泥浆体中的C3A 含量低于空白组，Ca(OH)2的含量高于空白组，这说明掺入石灰石粉后，石灰石粉能够与水泥中的C3A 发生反应，使得Ca(OH)2的生成量增加，促进水泥水化反应的进行，水泥早期水化速度提升，因此导致石灰石粉掺入后水泥早期强度的增加。

由图5(b)可以看出，标准养护28d，石灰石粉掺量为20%时，水泥浆体中的C3A 含量低于空白组，Ca(OH)2的含量低于空白组，这说明28d 时掺石灰石粉20%的试验组的水化程度低于空白组，石灰石粉的掺入不利于水泥后期水化进程，故掺入石灰石粉后水泥的后期强度明显下降。另一方面，石灰石粉掺量为20%时，有单碳铝酸钙生成，这是由于石灰石粉能够与水泥中的C3A 反应生成单碳铝酸钙，单碳铝酸钙水化物能够稳定存在[10]。

3 结论

⑴石灰石粉掺量越多，水泥凝结时间越短。掺量为35%时，水泥的初凝时间和终凝时间降低幅度最大。

⑵随着石灰石粉掺量的增加，水泥胶砂的抗压强度和抗折强度均先增加后减少。当石灰石粉掺量为10%时，水泥胶砂的抗压强度相对其他试验组较高，石灰石粉掺量为20%时，抗压强度值与空白组相比相差不大。

⑶随着石灰石粉掺量的增加，水泥胶砂的收缩率先增加后减少。随着龄期的增加，水泥砂浆的干燥收缩率增大，但其增长幅度逐渐减小。在3d 龄期时，空白组的干燥收缩值最低，20%掺量时收缩值最大；7d 龄期后，10%掺量时收缩率最大。

图5 水泥试样水化的XRD 分析图谱

⑷用一定量的石灰石粉取代水泥能够促进水泥早期的水泥，但对水泥后期的水化进程有不利影响。标准养护28d 时，此时掺入石灰石粉试验组的水化程度低于空白组，石灰石粉的掺入减缓了水泥后期水化，故水泥的后期强度明显下降。