掺石灰石粉低强常态混凝土技术研究

2023-12-06张礼成

工程建设与设计 2023年22期

张礼成

（广东水电二局股份有限公司，广州 511300）

1 引言

我国地大物博，拥有丰富的自然资源，石灰石在我国分布较为广泛，且市场售价低廉，国内少部分区域由于缺少矿渣及粉煤灰，因此会选择石灰石粉替代。此外，在生产机制砂、碎石过程中会产生一定的石灰石粉。如何有效利用石灰石粉，降低对生态环境的影响成为学术界高度重视的议题。石灰石粉属于一种惰性材料，在自然界中分布非常广泛，经过研磨处理的石灰石粉能够作为混凝土的掺加料使用[1]，促进水泥水化，降低水泥的水化热反应，同时优化混凝土的性能[2]。合理利用石灰石粉，是一条降低混凝土生产成本的途径。

2 石灰石粉混凝土的特点

2.1 水化热

石灰石粉具备显著的惰性特点，将其掺加在混凝土中能够降低水泥的用量，石灰石粉不会与混凝土内的水泥产生化学反应，石灰石粉会吸附水中的钙离子，导致Ca+的浓度降低，降低混凝土中的水化热反应[3]，这种现象能够降低混凝土裂缝出现的可能性。

2.2 工作性能

经过处理的石灰石粉粒径非常小，使用45 μm 的筛网筛选后，当剩余量达到5%时，石灰石粉的平均粒径明显小于水泥的粒径，将其掺加在混凝土集料中能够提高混凝土的密实度，还可以提高混凝土的流动性及保水性，降低混凝土出现离析现象的可能性，保证施工质量满足规范要求。

3 原材料及试验

本文以翁源县东华山风景区旅游公路改建工程作为研究案例，对石灰石粉替代水泥掺加在混凝土中的应用效能进行分析。该项目实施过程中的技术关键点为：将石灰石粉掺加在低强度标号的混凝土中，准备3 组不同强度标号的混凝土：C15 混凝土、C20 混凝土、C30 混凝土，对3 种不同混凝土的性能指标进行研究，结合研究结果总结出混凝土中掺加石灰石粉的最佳比例。

3.1 试验原材料

1）磨细石粉：石灰石的粒径保持在5~10 mm，石灰石中的含泥量不得超过0.5%，试验磨标准设置为直径500 mm、高500 mm。粉磨时间与石灰石粉细度的相关数据如表1 所示。石粉的化学成分如表2 所示。

表1 粉磨时间与石灰石粉细度的相关数据

表2 石粉的化学成分 %

2）水泥：使用P·O 42.5R 水泥，水泥的性能指标如表3 所示。

表3 P·O42.5R水泥主要指标

3）骨料：细骨料选择河砂，河砂的细度模数为2.6，河砂的级配满足设计及规范要求。粗骨料的粒径控制在5~20 mm。

4）外加剂：使用聚羧酸高效外加剂，减水率约为35.0%。

5）水：选择满足JGJ 63—2006《混凝土用水标准》要求的洁净水。

3.2 试验设备

混凝土搅拌设备、研磨设备、磅秤、浆液搅拌设备、坍落度试验桶、直尺等。

3.3 试验方法

净浆试验严格按照GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行。所有拌合物全部使用机械式设备进行搅拌、振捣，结合GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》要求进行试验。待混凝土养护24 h 后，拆除模板，混凝土养护至设计强度后，结合GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》要求进行试验。

4 试验结果及分析

4.1 石灰石粉掺量对净浆流动度的影响

净浆流动度试验结果如表4 所示。结合表中信息可以发现，当净浆中掺加石灰石粉后，浆液的流动性明显提高，且石灰石粉的掺加量与浆液的流动性之间呈现出正关联性。当石灰石粉的掺加量超过15%时，浆液的流动性随着石灰石粉的掺加量增大而逐渐减小。在经过多次试验后得出，石灰石粉的最佳掺加量为15%。

表4 净浆流动度比较

究其原因，主要是石灰石粉在经过处理后，其颗粒的粒径非常小，加之石灰石粉属于惰性材料，石灰石粉具备良好的减水作用，在掺加量合适的情况下，能够有效提高浆液的流动性。但是，当石灰石粉的掺加量超过15%后，浆液的流动性会降低，究其原因，主要是研磨后的石灰石粉粒径非常小，能够填补水泥与矿物掺和料之间的缝隙，从而提高了浆液混合料的级配。

4.2 石灰石粉对混凝土性能的影响

4.2.1 掺量15%的石灰石粉（内掺）对混凝土工作性能的影响

结合以上研究结果来看，相对比水泥而言，石灰石粉的需水量明显减少，但是当水泥的掺加量非常高时，石灰石粉的减水作用不显著。当石灰石粉的细度变大时，石灰石粉的需水量也随之增大，当用水量保持稳定状态时，石灰石粉的坍落度随着石灰石粉的细度变大而逐渐降低。混凝土基准配合比如表5 所示。

表5 基准配合比表

使用石灰石粉替代混凝土中的水泥，结合实际试验结果来看，当石灰石粉的替代量为5%、10%、20%、30%时，混凝土的性能得到显著的提升。掺加有石灰石粉的混凝土坍落度相比常规性混凝土的坍落度高20%~40%。常规性混凝土的坍落度损失量比较大，其中，坍落度在60 min 时的损失为25%，掺加有石灰石粉的混凝土坍落度损失则比较小。主要原因是石灰石粉能够填补混凝土不同集料之间的缝隙，提高混凝土的密实度，同时降低混凝土的用水量，所以掺加有石灰石粉的混凝土坍落度损失相对比较小。工作性能试验结果如表6所示。

表6 工作性能试验结果

4.2.2 掺量15%的石灰石粉（内掺）对混凝土强度的影响

将石灰石粉掺加进混凝土中能够强化水泥的水化效率，水泥在水化过程中产生一种晶核物质，促使水化反应加速。在混凝土中掺加石灰石粉可以对颗粒物的分布结构进行优化，在搅拌混凝土过程中，掺加减水剂后，能促使不同的集料与水泥产生堆积反应，提高混凝土的密实度，降低混凝土内部结构的空隙，这种变化可以提高混凝土的强度。

结合试验结果来看，石灰石粉具备显著的惰性特点，并不具备活性，所以无法提高混凝土的强度，但是将其掺加在混凝土中后，混凝土的强度并未降低太多，在对3 种（C15、C20、C30）不同细度的石灰石粉进行分析后发现，其对于混凝土强度的影响差异不大。究其原因，主要是当C3S 发生水化时，其会释放出大量的Ca2+，CaCO3微粒会吸附Ca2+，因此，在混凝土中掺加石灰石粉可以提高CaCO3浓度，致使Ca（OH）2在石灰石粉表层迅速发育，同时导致C3S 水化反应加速。此外，石灰石粉自身具备较高的强度，石灰石粉会对混凝土产生微集料作用。经过处理后的石灰石粉具备良好的优势，其能够降低混凝土的空隙，填补混凝土的毛细通道，提升混凝土的密集度。

石灰石粉属于一种惰性材料，其无法产生与粉煤灰一样的火山灰效应，但对于提升混凝土的强度有较大的促进作用。所以，在混凝土中掺加石灰石粉具备良好的可行性，还能够降低混凝土的生产成本。

4.2.3 对耐久性能的影响

将石灰石粉掺加在混凝土中出现3 种效应：活性效应、加速效应、填充效应。其中，填充效应是指石灰石粉因自身的粒径非常小，可填充在混凝土的空隙中，提高混凝土的密实度，降低混凝土中空隙结构的数量；活性效应是指水化反应的初期阶段，石灰石粉不会参与水化反应，但是石灰石粉会在水化反应的后期阶段与混凝土中的高强度化学物质产生水化反应，促使混凝土的内部结构更密实；加速效应是指石灰石粉均匀地分布在水泥附近，其能加速水泥的水化反应，提高混凝土的密实性。同时，混凝土的抗渗性能、抗冻性能与其自身的密实度呈现出正关联性，使得混凝土的耐久性提高。

进一步来看，掺加有石灰石粉的混凝土，其自身的加速效应与活性效应并非独立存在，二者应该是同时出现，但是二者对于混凝土的工作性能影响存在较大的差异性。举例说明，一般性的混凝土铝酸钙的含量非常少，所以，当混凝土中掺加石灰石粉后，其自身的强度主要受加速效应的影响而增大，但是在这个过程中，活性效应对混凝土强度的影响基本上可以忽略不计；以铝酸钙水泥而言，由于铝酸钙的含量非常高，混凝土的强度主要受活性效应的影响，加速效应对混凝土强度的影响则相对比较低。