石灰石粉用作混凝土掺合料的试验研究

宋发忠

1商城县水泥粉磨有限公司（465350） 2 商城县永固混凝土搅拌有限公司（465350）

0 引言

随着我国建设步伐的不断加快，混凝土掺合料的需求量也在不断增加。 我国石灰石储量丰富，石灰石粉用作混凝土掺合料不仅能够降低成本和节约能源，而且还可以改善混凝土的性能。 文章针对目前许多地区缺乏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和部分矿粉的配合比试验与研究，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。

1 试验

1.1 试验原材料

1）水泥:商城县水泥粉磨有限公司生产的P·O42.5 级普通硅酸盐水泥，性能见表1。

2）矿粉:S95 级矿粉，密度为 2.95 g/cm3，比表面积为432 m2/kg，流动度比为102%，活性指数3 d为80%、28 d 为 103%。

3）粉煤灰:Ⅱ级粉煤灰，45 μm 筛余为 16.2%，需水量比为101%，烧失量为1.86%。

4）骨料:粗骨料为5~20 mm 连续级配碎石；细骨料为细度模数2.7 的河砂。

5）外加剂和水:外加剂为聚羧酸减水剂，减水率为23%；水为饮用自来水。

6）石灰石粉: 商城县水泥粉磨有限公司生产的石灰石微粉，比表面积为550 m2/kg，28 d 活性指数为65%。

1.2 试验方法

混凝土工作性能按《普通混凝土拌合物性能试验方法》GB/T 50080—2016 进行试验。

混凝土抗压强度按《普通混凝土力学性能试验方法》GB/T 50081—2002 进行试验。

1.3 石灰石粉掺量及对应的性能检测结果

按固定配合比:水3.42 kg、水泥5.12 kg、外加剂0.154 kg、砂 17.16 kg、石 19.10 kg，用石灰石粉替代不同比例的粉煤灰或矿粉，分别配制C30 混凝土20 L，试验结果见表2。

2 试验分析

2.1 坍落度变化情况

由表2 可以看出，初始坍落度与基准混凝土相比，除用石灰石粉完全替代粉煤灰和矿粉外，都增大了 20～30 mm，1 h 损失在 15～30 mm 之间，均小于基准混凝土的40 mm；石灰石粉混凝土的扩展度都大于基准混凝土，1 h 坍落度经时损失均大于基准混凝土。

2.2 混凝土抗压强度变化情况

1）矿粉掺量不变，石灰石粉替代粉煤灰的量从1/3 到 2/3 时，3 d、7 d 抗压强度增加，28 d 抗压强度基本一致；当石灰石粉完全取代粉煤灰时，3 d、7 d、28 d 抗压强度均略有下降，但幅度不大。

2）粉煤灰掺量不变，石灰石粉替代1/3 矿粉时，3 d、7 d 抗压强度增加，28 d 抗压强度略有降低，但幅度不大；当石灰石粉替代2/3 矿粉时，3 d、7 d 抗压强度略有下降，28 d 抗压强度下降幅度较大； 当石灰石粉完全取代矿粉时，3 d、7 d、28 d 抗压强度均下降，特别是28 d 抗压强度，下降很大。

3）石灰石粉完全替代粉煤灰和矿粉时，3 d、7 d、28 d 抗压强度均大幅下降；相比较之下，3 d 抗压强度下降较少，7 d 抗压强度下降较大，28 d 抗压强度下降特别大。

表1

表2

4）综合分析，如果石灰石粉的掺量合适，不仅混凝土的3 d、7 d 抗压强度均大于基准混凝土，28 d 抗压强度也基本上与基准混凝土相当。

3 石灰石粉在混凝土中的作用机理

3.1 石灰石粉的活性效应

石灰石粉中的CaCO3与水泥熟料中的铝酸盐矿物、Ca(OH)2反应，随着水化反应的不断进行，石灰石粉和铝酸三钙发生反应，生成具有一定胶凝能力的碳铝酸盐复合物，这种水化产物与其他水化产物相互搭接，增加混凝土的密实度，从而提高混凝土的强度和耐久性。 碳酸钙颗粒具有明显的晶核效应，使Ca(OH)2晶体生长在碳酸钙颗粒表面，而不是在水泥石和集料界面生长成大晶体，从而增强了界面黏结度，有助于提高混凝土的强度。 CaCO3与铝酸盐、 硅酸盐矿物所形成的新相晶体迅速增大，并且转化为牢固连生的结晶体，增强了石灰石与硬化水泥浆体的界面，使水泥石结构致密，强度提高。 同时石灰石粉的细度对混凝土力学性能影响明显，细度越细，越能发挥其活性效应，混凝土的强度特别是早期强度越高。

3.2 石灰石粉的形态效应

试验结果表明，随着石灰石粉掺量的增加，混凝土初始坍落度不断增加，且坍落度经时损失减小。这正是石灰石粉在混凝土中起到的“滚珠”作用，从而增加混凝土的流动性。 表面光滑的石灰石粉颗粒分散在水泥颗粒之间，起到分散作用，促使水泥颗粒的解絮，整个体系的反应速度也随之减缓，因此工作性能得到改善，减小了坍落度的损失。 此外，石灰石粉可改善混凝土的和易性和抗冻性，减少泌水和离析现象的发生。

3.3 石灰石粉的填充效应

由于石灰石粉的粒径很小，能与水泥熟料及其他矿物掺合料形成良好的级配，具有良好的填充效果。 同时石灰石粉填充在水泥浆基体和界面过渡区的空隙中，使水泥石结构和界面结构更为致密，减小孔隙率和孔径直径，改善孔结构，从而提高水泥石强度和界面强度。

3.4 石灰石粉对混凝土耐久性能的影响

石灰石粉用作矿物掺和料，可以提高混凝土的抗氯离子渗透性，减少钢筋的锈蚀程度，且石灰石粉的颗粒越细，其作用越明显。 石灰石粉能提高混凝土的抗氯离子渗透性的主要原因是: 石灰石粉能改善孔结构，减少混凝土中大孔比例，对界面有一定的改善作用；同时石灰石粉可以降低混凝土的收缩， 降低碳化深度, 使混凝土拌和物的含气量和泌水率都在减少，而这些对硬化混凝土浆体是有利的。掺石灰石粉的混凝土的抗渗性比较高，干缩、徐变都在正常范围。 石灰石粉早期对水泥水化的加速及其增加水化体系的实际有效水灰比两方面的共同作用，使水化程度得到提高，抗压强度增加，然而实际有效水灰比的升高也增加了水化体系的毛细孔，使后期强度有所降低。

4 结论

1）混凝土中掺入适量比例的石灰石粉，可以在保持后期强度基本不变的情况下提高混凝土早期强度。

2）石灰石粉可以改善混凝土拌合物的工作性能，混凝土拌合物坍落度增幅较大，坍落度经时损失减小，和易性变好。

3）从实验看，在配制普通混凝土，特别是双掺粉煤灰和矿粉时，石灰石粉可以替代70%甚至100%的粉煤灰，而矿粉最多只能用30%的石灰石粉替代。

4）石灰石粉是一种新型廉价的绿色矿物掺合料，能够很好地破解混凝土用粉煤灰资源短缺和价格上涨的局面。

5）优质石灰石粉对混凝土的物理化学性能及耐久性有较大的改善作用。

可以预见，在混凝土行业中，石灰石粉的应用将会越来越多，这就要求我们在用石灰石粉配制混凝土方面进行大量实验研究，以对其性能进行充分了解。