王章力，張全貴

(1.北京恒坤混凝土有限公司,北京 100102；2.北京金隅混凝土有限公司,北京 100165)

前言

石灰石作為重要的建筑材料有著悠久的開采歷史,在現代工業(yè)中是制造水泥、石灰、機制砂的主要原料,是冶金工業(yè)中不可缺少的熔劑灰?guī)r,優(yōu)質石灰石經超細粉磨后,被廣泛應用于造紙、橡膠、油漆、涂料、醫(yī)藥、化妝品、飼料、密封、粘結、拋光等產品的制造中。

石灰石粉最主要的應用是在水泥生產領域,在水泥熟料的生產過程中石灰石粉是不可或缺的原料之一；在熟料燒成后,粉磨成水泥的過程中,往往要加入一定量的石灰石粉,這時石灰石粉是作為一種水泥混合材使用的。這在水泥生產中為水泥工業(yè)增加產量,降低消耗,節(jié)約資源和能源,減少環(huán)境污染等方面均發(fā)揮了積極作用。

不僅如此,石灰石粉還是優(yōu)良的混凝土礦物摻合料,石灰石粉細度很小不但能補充混凝土的細顆粒,而且能增大固體的比表面積對水體積的比例,從而減少泌水和離析。更為重要的是,石灰石粉能與水泥和水形成柔軟的漿體,即增加混凝土的漿量,從而改變了混凝土和易性。如果要保持相同的坍落度,則摻石灰石粉的用水量可減少,從而改善了混凝土的諸多性能。

我國國家標準GB175-2007《硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥》中也允許加入一定量的石灰石粉作為非活性混合材。北京市地方標準DB11/T1029-2013《混凝土礦物摻和料引用技術規(guī)程》將石灰石粉作為混凝土摻合料的納入標準中,在一定程度推動了石灰石粉在混凝土領域的應用。我國一些石灰石、機制砂的生產地,產生了大量的石灰石粉,將這些廢棄的石灰石粉摻入混凝土中可改善混凝土的各項性能,但石灰石粉資源不定量或無限制使用,會對其強度、施工性和耐久性帶來不良影響。因此,研究石灰石粉作為混凝土摻合料的有效利用和利用方法是非常重要的。系統(tǒng)研究其在水泥混凝土中對強度、施工性和耐久性能的影響,有助于實現石灰石粉資源的有效利用,有助于解決石灰石粉產地周邊的環(huán)境問題,有助于混凝土生產單位經濟效益提高。為此,國內外許多專家學者對石灰石粉作混凝土摻合料的物理、化學性能進行了大量的研究。

本文采用兩種不同細度的石灰石粉進行了石灰石粉在混凝土中應用的工作性能和力學性能的應用研究。

1 試驗用原材料

1.1 水泥

唐山冀東水泥有限公司P.O42.5R水泥,水泥的物理力學物理性能指標見表1-1。

表1-1 水泥的物理力學性能指標

1.2 粉煤灰

從采用大唐同舟電廠Ⅱ級粉煤灰,細度18.1%,燒失量4.02%,需水量比104%。

1.3 礦粉

采用唐山唐龍S95級礦渣粉,比表面積在455m2/kg之間,流動度比103%,7d活性指數90%,28d活性指數105%。

1.4 天然砂

淶水天然砂,細度模數2.8,含泥量3.6%,泥塊含量0.4%。

1.5 碎石

北京首云礦業(yè)有限公司碎石,公稱粒徑5.00-25.0mm,含泥量0.6%、泥塊含量0.3、針片狀顆粒含量5.0%、壓碎指標4.9%,符合5.00-25.0mm連續(xù)級配要求。

1.6 外加劑

北京冶建特種材料有限公司聚羧酸高性能減水劑JG-2H,,PH值4.4,含固量12.1%,密度1.037g/cm3,減水率27.0%,坍落度1小時經時變化35mm。

1.7 石灰石粉

本文所用的兩種石灰石粉(簡寫為G)具有不同細度,一種常用的比表面積430m2/kg(簡寫為G1)的石灰石粉(以下試驗中未說明石灰石粉的比表面積的均為該石灰石粉),一種比表面積800m2/kg(簡寫為G2)。

表1-2 石灰石粉的物理特性指標

2 含石灰石粉混凝土的工作性能和力學性能

2.1 不同摻量石粉石粉的性能試驗

本文采用混凝土生產企業(yè)常用的C40混凝土作為試驗研究對象,使用膠凝材料用量440kg/m3,砂率42%,水膠比0.39的基本配比。而實際應用中,可根據這一基本配比,改變石灰石粉的摻量,得到各種工作性能等級和強度等級的混凝土。本節(jié)在這一基本配合比的基礎上,改變石灰石粉摻量,分別從0-60%,其中摻量0%的試樣為對比樣G0。研究不同石灰石粉摻量對混凝土性能的影響。具體配比組成見表2-1。測得各種組分配比混凝土的坍落度、擴展度、流空時間、表觀密度,以及3d、7d、28d、60d、90d齡期的抗壓強度,如表2-2所示。

表2-1 石灰石粉混凝土配合比

表2-2 含石灰石粉混凝土的性能

從表2-2中可以看出,含石灰石粉混凝土拌合物其坍落度均在235-250mm的范圍之中,屬于大坍落度混凝土,其中G50的坍落度最大250mm。坍落度最小的G10和G20都達到了235mm。

圖2-1 摻石灰石粉0-60%混凝土的工作性能

圖2-1為混凝土拌合物工作性能參數。如圖所示,隨著石灰石粉摻量的增加拌合物擴展度呈現逐漸增加的趨勢,其中G0和G10擴展度最小,僅615mm,G50和G60擴展度較大,分別達到了695mm和665mm。從拌合物的流空時間看,隨著石灰石粉摻量的增加,拌合物的流空時間呈現先增加后減小再增加的走勢,其中試樣G10的流空時間最長,達到29.1s,而G50的流空時間最短,僅8.8s。試樣G10-G50的流空時間隨著摻量的增加逐漸減小,石灰石粉摻量30%以上的試樣,拌合物的流空時間在20s以內。

綜合分析坍落度、擴展度和流空時間可知,石灰石粉可以提高混凝土拌合物的工作性能,且一定范圍內隨著其摻量的增加,拌合物的工作性能越來越好。達到最佳工作性能的石灰石粉摻量為50%,摻量再增加則混凝土拌合物的工作性能有所降低。

圖2-2 摻石灰石粉0-60%混凝土的力學性能

圖2-2是以G0在28d齡期的強度作基準強度所作的強度增長率圖。圖中可以看出,隨著石灰石粉摻量的增加,混凝土的抗壓強度呈現先增加后減小的走勢,其中石灰石粉摻量10%和20%的混凝土強度均高于對比樣的強度,而石灰石粉摻量30-60%的混凝土強度都小于對比樣的強度。3d齡期的混凝土試樣中石灰石粉摻量10%的強度最高,而其它齡期的混凝土試樣中均是石灰石粉摻量20%的強度最高。石灰石粉摻量在30%-60%范圍內,隨著石灰石粉摻量的增加混凝土的強度逐漸下降。從表中的強度數據看,所配制的混凝土中,對比樣的強度等級為C40,而石灰石粉摻量10-20%的強度等級可以達到C50,石灰石粉摻量30%和40%強度等級為C40,石灰石粉摻量50%和60%仍能達到C30的強度等級。

石灰石粉摻量10-20%在混凝土中表現出很好的增強作用,可增加混凝土強度近10MPa,而在混凝土體系中,材料更為復雜,各種骨料的存在更有利于發(fā)揮石灰石粉的“填充效應”。因此,石灰石粉作為混凝土摻合料能夠提高混凝土的工作性能和力學性能。

2.2 含不同摻合料混凝土的工作性能和力學性能

石灰石粉可以作為混凝土的摻合料使用,為了與常見的摻合料對比,本節(jié)選用了石灰石粉、粉煤灰、礦渣,進行了摻量同為30%的試驗對比,也對不同細度石灰石粉進行了試驗對比。仍采用膠凝材料440kg/m3,砂率42%,水灰比0.39的基本配比,混凝土配比組成如表2-3。含不同摻合料混凝土的工作性能和力學性能試驗結果見表2-4。

表2-3 含不同摻合料的混凝土配比

*2G表示石灰石粉的比表面積為800m2/kg。

表2-4 含不同摻合料混凝土的性能

從表2-4中可以看出,含不同摻合料混凝土拌合物的工作性能有所差別,其中從坍落度性能指標看,坍落度均在240-255mm之間,屬于大坍落度混凝土。配比中試樣S30的坍落度最小240mm,試樣C和試樣2G30的坍落度最大255mm。

圖2-3 含不同摻合料混凝土拌合物的工作性能

圖2-3為含不同摻合料混凝土拌合物的工作性能參數。配比組成2G30的擴展度最大720mm,S30的擴展度最小575mm。從流空時間的性能指標看,配比組成2G30的流空時間最小僅10.5s,S30的流空時間最大為35.9s。綜合分析各種配比組成混凝土拌合物的工作性能,可以發(fā)現含比表面積800m2/kg石灰石粉混凝土的工作性能最佳,而含礦渣混凝土的工作性能最差。

以試樣G0的28d齡期強度作為基準強度,作強度比例圖,如圖2-4所示。

圖2-4 含不同摻合料混凝土的力學性能

由圖可知,3d齡期混凝土的強度大小順序依次為：2G30>C>S30>G30>F30。3d齡期,試樣G30和S30的強度大致相當,30.3MPa和30.5MPa,而2G30的強度最大為34.1MPa,試樣F30的強度最小,僅27.9MPa。28d齡期,混凝土的強度大小順序依次為：S30>C>2G30>G30>F30。含礦渣混凝土的強度最大為57.4MPa,而其它混凝土的強度在50-51MPa之間；90d齡期,混凝土的強度大小順序依次為：S30>F30>C>2G30>G30。含粉煤灰試樣強度有較大幅度增長,已超過含石灰石粉試樣。

從中可以看出,不同摻合料之間相比,含石灰石粉混凝土的力學性能主要體現在混凝土的早齡期。7d齡期之前,其早期強度優(yōu)于含粉煤灰混凝土的強度,而后期強度發(fā)展不如含粉煤灰、礦渣的混凝土試樣。不同石灰石粉之間的對比,含比表面積大石灰石粉的混凝土試樣的力學性能優(yōu)于含比表面積小的混凝土試樣,配比組成2G30的3d和7d強度高于對比樣C。這一點與砂漿試驗是相一致的,比表面積大的石灰石粉對水泥的增強效果更為明顯。

2.3 石灰石粉與摻合料復摻混凝土的工作性能和力學性能

實際工程的應用中,混凝土摻合料往往是復合搭配使用的。為此,本節(jié)選用了石灰石粉與粉煤灰,石灰石粉與礦渣的兩種復摻形式。基本配比組成仍然是膠凝材料440kg/m3,砂率42%,水灰比0.39。摻合料摻量逐漸增加,分別取20%、40%、60%,復摻的兩種摻合料各取一半。即編號G10F10中石灰石粉摻量10%,粉煤灰摻量10%,G20F20中石灰石粉摻量20%,粉煤灰摻量20%,如此類推,具體配比組成見表2-5。各種工作性能指標和各個齡期的抗壓強度的試驗結果如表2-6所示。

表2-5 石灰石粉復摻混凝土配比

表2-6 石灰石粉復摻混凝土的性能

圖2-5 石灰石粉復摻混凝土的工作性能

從表2-6中可以看出,不同復摻形式混凝土拌合物的坍落度均在230-260mm的范圍之中,屬于大坍落度混凝土?；炷恋臄U展度和流空時間如圖2-5所示,從中可知,石灰石粉與粉煤灰的復摻中G20F20的坍落度最大,260mm,擴展度最大,675mm；石灰石粉與礦渣的復摻中G30F30的坍落度最大,260mm,擴展度最大,640mm。從拌合物的流空時間參數上看,可以得到一些規(guī)律,隨著復合摻合料總摻量的增加,拌合物的流空時間呈現逐漸減小的趨勢,其中石灰石粉與粉煤灰的復摻形式中,G10F10配比組成的流空時間最長32.3s,G30F30配比組成的流空時間最短15.2s；而石灰石粉與礦渣的復摻形式中,G10S10配比組成的流空時間最長47.3s,G30S30配比組成的流空時間最短,只有9.4s。綜合分析可知,兩種復摻形式中石灰石粉與粉煤灰的復摻G20F20的工作性能最佳,而石灰石粉與礦渣的復摻G30S30的工作性能最佳。

圖2-6 石灰石粉復摻混凝土的力學性能

在復摻形式的力學性能圖2-6中,可以看出,隨著復合摻合料摻量的增加,混凝土的抗壓強度呈現逐漸減小的趨勢,但兩種復摻形式摻量40%的配比試樣,即G20F20和G20S20的長齡期強度發(fā)展較快,其中G20S20的90d強度甚至要高于較低摻量配比G10S10。從表中的強度數據看,所配制的混凝土中,28d齡期G10F10、G20F20、G30F30的強度等級分別為C50、C40、C30；G10S10、G20S20、G30S30的強度等級分別為C60、C50、C40。而到了長齡期90d,則發(fā)生了明顯變化,G10F10和G20F20的強度基本相同,強度等級同為C55,G30F30的強度等級為C40；G10S10和G20S20的強度基本相同,甚至強度G20S20的強度高于G10S10,其等級同為C65,G30S30的強度等級為C45。所以,石灰石粉可以與粉煤灰或者礦渣復摻形成復合摻合料,復合摻合料的摻入總量40%為宜,復摻20%和40%的混凝土強度相差不大,而摻入60%則混凝土的強度下降較明顯。

3 小結

(1)在混凝土的配合比中,隨著石灰石粉的加入,可以提高混凝土拌合物的工作性能,且一定范圍內隨著其摻量的增加,混凝土拌合物的工作性能越來越好。達到最佳工作性能的石灰石粉摻量為50%。同時,石灰石粉的摻入能夠提高混凝土的強度,就摻入比表面積430m2/kg的石灰石粉而言,石灰石粉摻量10%-20%可以明顯提高混凝土的抗壓強度。

(2)選用比表面積等級同為400m2/kg的石灰石粉、粉煤灰、礦渣三種摻合料進行混凝土試驗對比研究,發(fā)現含石灰石粉混凝土的工作性能優(yōu)于含礦渣混凝土,而早期力學性能優(yōu)于含粉煤灰混凝土。比表面積等級400m2/kg和800m2/kg的石灰石粉之間對比,明顯含比表面積大的石灰石粉的混凝土性能更優(yōu)越,其早齡期3d和7d強度甚至高于對比樣。

(3)兩種復摻形式中石灰石粉與粉煤灰各摻20%配比組成的工作性能最佳,而石灰石粉與礦渣各摻30%配比組成的工作性能最佳。力學性能分析,兩種復摻形式摻量40%配比混凝土的長齡期強度發(fā)展較快,90d齡期,G10F10和G20F20的強度基本相同,強度等級同為C55；G10S10和G20S20的強度基本相同,等級同為C65,甚至G20S20的強度高出G10S10近2MPa。所以,石灰石粉可以與粉煤灰或者礦渣等摻合料進行復配,復合摻合料的摻入總量40%為宜。

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