石灰石粉活性及其对混凝土性能的影响

张 迪，杨春景，王建伟

(1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004 ；2.小流域水利河南省高校工程技术研究中心,河南 开封 475004)

0 引 言

“十二五”期间，我国水电项目的布局正逐步向西部地区的金沙江、大渡河、雅砻江、澜沧江流域的中上游以及雅鲁藏布江流域转移，这些地区规模化水电开发的潜力巨大[1,2]，而当地粉煤灰等传统掺和料短缺，成为限制西部地区水电开发的难题之一。石灰石是一种容易得到的廉价材料，骨料的加工过程中也会带来大量的石灰石粉，若能将石灰石粉作为辅助胶凝材料使用，对解决西部水电工程的原材料短缺问题、降低工程造价和环保等将具有重大的现实意义。

研究表明，适当掺量的石灰石粉可以提高混凝土力学性能，改善新拌混凝土和易性，提高混凝土抗裂能力[3,4]，但当掺量为20%或更高时，混凝土抗压强度降低[5]。石灰石粉在混凝土中不仅可以起集料微填充作用[6]，而且石灰石粉在水泥水化过程中可起到晶核作用，诱导水泥的水化产物析晶，并且对混凝土的工作性能、力学性能都有一定影响[7]。然而很少有针对石灰石粉及粉煤灰的活性对比及石灰石粉对混凝土的抗渗、抗冻性能影响的综合研究。本文拟研究不同比表面积的石灰石粉的活性，探讨石灰石粉对水泥水化进程、混凝土抗压强度和抗渗、抗冻性能的影响。

1 试验原材料与方法

1.1 原材料

采用华新42.5中热硅酸盐水泥，云南宣威I级粉煤灰，石灰石人工骨料及磨细石灰石粉以及江苏博特高性能减水剂PCA和GYQ引气剂。石灰石人工砂的细度模数为2.40，粗骨料的性质满足DL/T 5144-2001《水工混凝土施工规范》的要求。粉磨石灰石骨料得到两种不同颗粒级配的石灰石粉，水泥的物理力学性质见表1，粉煤灰的品质指标见表2，水泥、粉煤灰和石灰石粉的化学成分见表3，石灰石粉颗粒级配分析结果见表4。

表1 水泥的物理力学性能Tab.1 Physical and mechanical properties of cement

注：80 μm筛筛余。

表2 粉煤灰的品质指标Tab.2 Physical properties of fly ash

表3 原材料化学成分 %

表4 石灰石粉的粒径范围Tab.4 Particle size distribution of limestone powders

1.2 试验方法

1.2.1水化热测试

水化热测试采用美国TA公司生产的TAM Air型水化微量热仪，该仪器的使用温度范围是5～90 ℃，温度的波动小于±0.02 ℃，精确度小于±20 μW。采用单掺粉煤灰、单掺石灰石粉制得不同胶凝材料体系，测试各种体系净浆的水化放热过程，得到水化放热量曲线，净浆配比见表5。

表5 掺石灰石粉和粉煤灰净浆配合比参数Tab.5 Mix proportions of cement paste mixed with fly ash and limestone powders

1.2.2水泥胶砂试验

参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行胶砂强度试验。单掺30%石灰石粉、复掺10%石灰石粉和20%粉煤灰成型胶砂试件，并与掺Ⅰ级粉煤灰的水泥胶砂强度进行对比，胶砂配比见表6。

表6 掺石灰石粉和粉煤灰砂浆配合比参数Tab.6 Mix proportions of mortars mixed with limestone powders

1.2.3混凝土试验

依据SL352-2006 《水工混凝土试验规程》进行混凝土试验。固定混凝土用水量、砂率，减水剂掺量为0.8%，引气剂掺量为0.025%，混凝土配合比见表7。到相应年龄期后，测试混凝土的抗压强度、抗冻性能及抗渗性能。

表7 掺石灰石粉混凝土配合比参数及拌和物性能Tab.7 Mix proportions of concrete mixed with limestone powders

2 结果与讨论

2.1 水化放热过程

单掺粉煤灰、石灰石粉的胶凝材料体系前4 000 min的水化放热速率曲线如图1所示。

图1 石灰石粉和粉煤灰对水泥水化放热速率的影响Fig.1 Influence of limestone powder and fly ash on rate of heat evolution of cement pastes (w/c=0.40)

从图1可以看到石灰石粉和粉煤灰对水泥水化热的影响主要是在约1 500 min以前。掺入石灰石粉和粉煤灰后，体系最大水化放热速率峰值出现时间一致，但峰值较基准水泥水化热的峰值略有降低。此外，单掺不同细度的石灰石粉体系的最大放热峰峰值较单掺粉煤灰材料体系最大放热峰峰值略低，表明当前细度的石灰石粉的活性要低于I级粉煤灰的活性。

2.2 石灰石粉对胶砂强度的影响

单掺粉煤灰、石灰石粉、复掺石灰石粉与粉煤灰的胶凝材料体系的胶砂强度试验结果见表8，由表8知：各龄期胶砂抗压强度均随粉煤灰或石灰石粉掺量增加而降低；当单掺30%石粉时，2种石灰石粉胶砂各龄期的抗压、抗折强度均低于单掺30%粉煤灰的胶砂抗压、抗折强度，说明I级粉煤灰的活性高于石灰石粉活性；复掺10%的石灰石粉与20%的粉煤灰体系3、7 d胶砂强度高于单掺粉煤灰体系的3、7 d胶砂强度，而后期强度低于单掺粉煤灰体系的后期强度，说明复掺20%的粉煤灰和10%的石灰石粉可以改善体系早期抗压强度。

表8 掺石灰石粉及粉煤灰水泥胶砂强度试验结果Tab.8 Compressive strength of mortars mixed with fly ash and limestone powders

2.3 石灰石粉对混凝土抗压强度的影响

单掺粉煤灰、复掺石灰石粉与粉煤灰的混凝土抗压强度试验结果见表9，抗压强度试验结果表明：与单掺粉煤灰混凝土相比，以石灰石粉替代部分粉煤灰，混凝土7 d龄期抗压强度略有提高，但28 d龄期后混凝土抗压强度降低。

上述胶砂和混凝土抗压强度结果表明：在一定掺量范围内，磨细石灰石粉在混凝土中具有微弱的早期增强作用，当石灰石粉更细时，增强作用更加明显。单掺石灰石粉的混凝土后期强度低于单掺I级粉煤灰的混凝土后期强度，且石灰石粉掺加后，混凝土后期抗压强度有一定程度降低。从石灰石粉的颗粒分析可以看到，石灰石粉平均粒径小于粉煤灰的颗粒平均粒径，颗粒分布比粉煤灰颗粒分布更连续，因此石灰石粉与粉煤灰复掺后可能起到了改善三元胶凝材料体系颗粒级配，减少胶凝材料孔隙率，增进混凝土匀质性的作用，从而提高了混凝土早期强度，但由于石灰石粉活性较差，混凝土后期强度增长有限。

表9 掺石灰石粉混凝土抗压强度试验结果Tab.9 Mechanical properties of concretes mixed with limestone powders

2.4 石灰石粉对抗渗性能和抗冻的影响

石灰石粉混凝土抗渗、抗冻性能试验结果见表10。试验结果表明，掺石灰石粉对混凝土抗渗、抗冻性能影响不大，在0.8 MPa渗水压力下，试件渗水高度略有增加，质量损失率和相对动弹模损失率略有降低，混凝土抗渗、抗冻性能与单掺粉煤灰混凝土的抗渗、抗冻性能相当。

表10 混凝土抗渗、抗冻性能试验结果Tab.10 Impermeability and frost resistance results of concretes

3 结 语

(1)石灰石粉的活性较粉煤灰活性差，掺石灰石粉的水泥水化热峰值低于同掺量的粉煤灰水泥放热峰值，且掺石灰石粉水泥胶砂强度低于掺I级粉煤灰的胶砂强度。

(2)在一定掺量范围内，石灰石粉和粉煤灰复掺可以提高混凝土的早期强度，当石灰石粉更细时，增强作用更加明显。这是由于磨细石灰石粉与粉煤灰复掺起到了改善三元胶凝材料体系颗粒级配。掺10%的石灰石粉对混凝土的抗渗、抗冻性能没有明显影响。

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[1] 陈 飞. 解放思想，推动中国水电事业科学发展[J].水力发电学报.2011, 30(4):1-5.

[2] 仓洪召,王剑非,周智忠. 二十一世纪我国水电产业优势和发展展望[J].中国水能及电气化，2011,74(3):27-32.

[3] 王稷良，周明凯，贺图升.石粉对机制砂混凝土抗渗透性和抗冻融性能的影响[J].硅酸盐学报，2008，36(4)：482-486.

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[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] 蔡基伟，李北星，周明凯.石粉对中低强度机制砂混凝土性能的影响[J].武汉理工大学学报，2006，28(4):27-30.