梅松奇，范 進

(南京理工大學 理學院，江蘇 南京 210094)

目前，混凝土作為最重要的建筑材料，在房屋建筑和公路建設中的需求量均巨大。中國的石灰石礦產資源豐富、價格低廉，是一種重要的用于混凝土生產的材料。石灰石粉作為石灰石生產加工中的副產品，若對其處理不當，不僅造成資源的浪費，還會引發(fā)環(huán)境污染。如何在混凝土生產中摻入石灰石粉已成為混凝土研究的重要課題。

對于石灰石粉在混凝土中的應用，一些學者做了大量研究，得出許多值得借鑒的結論。武會強[1]將石灰石粉用于自密實混凝土中，研究其對砂漿強度、流動性及孔結構的影響。馬燁紅[2]等人研究了部分水泥被石灰石粉取代后混凝土的工作性能。在混凝土中摻加適量的石灰石粉，可以使混凝土的泌水率降低，且坍落度損失也隨之降低。曹鵬飛[3]等人發(fā)現(xiàn)，石灰石粉取代水泥5%～15%時能明顯提高混凝土的早期強度、保水性和粘聚性。黃漢洋[4]等人指出，石灰石粉具有很好的孔隙填充作用，能夠降低混凝土的干燥收縮，對混凝土抗凍十分有利。Tsivilis[5]等人的研究結果表明：石灰石粉在摻量為5%～15%時會降低混凝土的抗?jié)B透性，提高混凝土抗凍性能。鄧德華[6]等人開展了在常溫下水泥膠砂試件中摻入石灰石粉抗硫酸鹽侵蝕的試驗。試驗結果表明：在砂漿或混凝土中摻入石灰石粉，在溫度不高時會生成石膏，硫酸鹽環(huán)境會導致混凝土體積膨脹和開裂，使其抗壓性能降低。

石灰石粉的相關研究集中于結構混凝土，鮮有道路混凝土方面的應用研究。水泥混凝土路面作為中國主要的路面結構形式，應用極為廣泛。道路混凝土需具備良好的抵抗干濕、凍融循環(huán)作用的能力。若將石灰石粉應用于道路混凝土中，對提高水泥路面的耐久性和抗凍性有利，對于其在道路混凝土的推廣應用具有重要意義。作者擬通過石灰石粉對混凝土多項性能的一系列試驗研究，掌握其對混凝土的影響規(guī)律，為進一步研究和應用提供科學依據(jù)。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料性能

水泥為P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理性能指標見表1。粗骨料選用5～25 mm連續(xù)級配碎石，壓碎指標5%，含泥量0.44%，針片狀含量3.6%，表觀密度1.83 g/cm3。細骨料為細度模數(shù)2.6的中砂，級配良好，含泥量1.9%，堆積密度1.475 g/cm3，表觀密度2.550 g/cm3。石灰石粉性能指標：細度12%，45 μm篩余量16.30%，比表面積10.3 m2/g，表觀密度2.56 g/cm3，燒失量4.97%。外加劑使用PCA聚羧酸系高性能減水劑，減水率26.7%，含氣量2.3%；水采用自來水。

表1 水泥物理性能Table 1 Physical properties of the cement

1.2 配合比設計

本試驗采用C35混凝土的配合比，石灰石粉摻量為0%,5%,10%,15%和20%。按相關規(guī)范要求，制備混凝土試件，混凝土配合比設計見表2。每組制備3個試件，并在標準條件下養(yǎng)護。

表2 混凝土配合比設計Table 2 Mix proportion design of the concrete

2 混凝土強度試驗

2.1 石灰石粉對混凝土抗壓強度的影響

依據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB/T50081-2002)》[7]，探究不同石灰石粉摻量對不同齡期混凝土抗壓強度的影響。采用混凝土強度試驗測量混凝土試件立方體抗壓強度，本試驗中采用不同摻量的石灰石粉等量取代水泥，研究摻量對混凝土3,7,28和56 d抗壓強度的影響。石灰石粉摻量為0%,5%,10%,15%和20%，測量各組試件的立方體抗壓強度，試驗結果如圖1所示。

圖1 混凝土抗壓強度隨石灰石粉摻量的變化Fig.1 The change of compression strength with content of lime stone powder)

從圖1中可以看出，石灰石粉摻量對混凝土的抗壓強度有著直接的影響。石灰石粉對混凝土早期強度的增長有利。石灰石粉摻量由0%增加至10%的過程中，混凝土的3 d抗壓強度由25.6 MPa增加至35.7 MPa，混凝土的7 d抗壓強度由32.2 MPa提高到45.0 MPa。但石灰石粉摻量超過10%后，混凝土的3 d和7 d抗壓強度增幅很小?；炷恋?8 d抗壓強度與56 d抗壓強度變化規(guī)律一致。隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)單峰變化規(guī)律。石灰石粉摻量由0%增加至10%的過程中，混凝土的強度得到了提高。其28 d抗壓強度由37.9 MPa增加至52.9 MPa，增幅達39.6%；其56 d抗壓強度也增加了14%。但石灰石粉摻量超過10%再繼續(xù)增加時，混凝土的抗壓強度則開始下降。其28 d抗壓強度由52.9 MPa減小至37.5 MPa；其56 d抗壓強度由56.9 MPa減小至46.2 MPa。

從表1中可以看出，石灰石粉的細度比水泥的小。當石灰石粉摻量較低時，起到一定的填充骨架作用，有利于提高混凝土的密實度，改善級配的同時加速了早期水化，提高了混凝土早期抗壓強度；但如果石灰石粉摻量過多，則導致參與水化反應的水泥量減少，也使得混凝土級配不合理，減弱了骨架的作用，混凝土的強度會有所降低。因此，石灰石粉取代水泥量在約10%時，對混凝土早期強度的提高較明顯，其28 d和56 d抗壓強度也最高。表明：從抗壓強度方面考慮，石灰石粉的摻量約10%為最佳。

2.2 石灰石粉對混凝土抗折強度的影響

抗折強度是水泥混凝土路面的重要設計指標，本試驗采用不同摻量的石灰石粉替代水泥，研究石灰石粉摻量對混凝土抗折強度的影響。試驗結果見表3。

表3 混凝土抗折強度Table 3 Rupture strength of the concrete

從表3中可以看出，隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的抗折強度略有增加后開始不斷下降。石灰石摻量為5%時，混凝土的抗折強度最高；石灰石摻量為10%時，混凝土的抗折強度無明顯變化；石灰石摻量超過10%后，混凝土的抗折強度不斷降低。對于混凝土這種抗拉性能弱的脆性材料，加入了石灰石粉后，由于石粉的顆粒較細，起到了填充孔隙、改善其配比及降低孔隙率的作用，從而提高了混凝土的抗折強度。但是摻入了過多的石灰石粉后，則會削弱界面的粘結性，進而降低混凝土的抗折強度。因此，摻量小的石灰石粉不會明顯改善混凝土的抗折強度，而摻量大的石灰石粉則對混凝土的抗折強度不利。

3 混凝土抗凍試驗

混凝土的抗凍性是混凝土在飽和水的情況下能夠接受的凍融循環(huán)的極限能力，可反映混凝土抵抗環(huán)境水浸入和抵抗冰晶壓力的能力，是混凝土耐久性的一項重要指標。水泥路面對混凝土的抗凍性要求更高[8]。本次抗凍試驗根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準(GB/T 50082-2009)》[9]進行快速凍融循環(huán)試驗，試件齡期為28 d，以混凝土的質量損失和相對動彈性模量作為評價指標，分析石灰石粉摻量對混凝土抗凍性的影響。

3.1 混凝土的質量損失

造成混凝土試件質量損失的原因是混凝土在凍融循環(huán)過程中的表面剝落。在凍融循環(huán)過程中，混凝土的質量損失越大，抗凍性能越差。在試驗過程中，凍融循環(huán)每進行25次測量一次試件的質量，最后，計算試件的質量損失。試驗結果如圖2所示。

圖2 質量損失隨凍融次數(shù)的變化Fig.2 The change of mass loss with freeze-thaw cycles

從圖2中可以看出，混凝土的質量損失隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增加。石灰石粉摻量為5%和10%時，混凝土的質量損失隨凍融次數(shù)的變化曲線位于標準試件以下，表明質量損失相對較少，它的抗凍性能提高了。石灰石粉摻量為5%時的混凝土抗凍性最好。混凝土的抗凍性能與其內部孔結構有著密切的關系。在較小的石灰石粉摻量范圍內，混凝土的抗凍性能得到了提高。其原因是：石灰石粉具有較好的填充作用，使得硬化后的混凝土孔結構發(fā)生改變，混凝土內部更為密實，結構更加穩(wěn)定。但當石灰石粉摻量增加到15%和20%時，混凝土的質量損失隨凍融次數(shù)的變化曲線位于標準試件以上，其質量損失的增加比標準試件的大得多。表明：該石灰石粉摻量下混凝土的抗凍性能明顯降低。石灰石粉摻量為20%時，抗凍性能是最差的?？梢?，石灰石粉摻量較大對混凝土的抗凍性是有害的。

3.2 混凝土動彈性模量的變化

采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準(GB/T 50082-2009)》中的共振法進行動彈性模量測量。將不同凍融次數(shù)下的動彈性模量與混凝土試件的初始動彈性模量的比值作為相對動彈性模量。不同石灰石粉摻量的混凝土相對動彈性模量隨凍融次數(shù)的變化如圖3所示。

圖3 相對動彈性模量隨凍融次數(shù)的變化Fig.3 The change of relative elastic dynamic modulus with freeze-thaw cycles

從圖3中可以看出，石灰石粉摻量對混凝土的相對動彈性模量有影響。隨著凍融次數(shù)的增加，石灰石粉各摻量試件的相對動彈性模量均逐漸降低。石灰石粉摻量為0%,5%和10%試件的相對動彈性模量的變化幅度較小，石灰石粉摻量為5%的降低幅度最小，石灰石粉摻量為10%試件的降低幅度略小于標準試件的。三者凍融循環(huán)200次后，混凝土的相對動彈性模量仍能保持93%以上。而石灰石摻量為15%和20%時，試件的相對動彈性模量的降低幅度較大。石灰石粉摻量為20%的試件在凍融循環(huán)200次后，其相對動彈性模量僅為87.40%。從動彈性模量變化來看，其抗凍性能最差。因此，石灰石粉的加入改善了混凝土的密實性。在石灰石粉摻量小的情況下，提高了混凝土的抗凍性，較大石灰石粉摻量(超過10%)對混凝土的抗凍性是有害的。

4 混凝土工作性和耐磨性試驗

4.1 對混凝土工作性的影響

混凝土質量在很大程度上取決于其工作性，同時，優(yōu)良的工作性能可加快施工進度、改善作業(yè)條件[10]。本試驗測定了不同石灰石粉摻量混凝土的坍落度，以探究其對混凝土工作性的影響，試驗結果見表4。

從表4中可以看出，沒有摻加石灰石粉的混凝土拌合物坍落度初值為160 mm，而摻加5%,10%,15%和20%石灰石粉時，坍落度的增幅分別為15.6%,30.6%,37.5%和40.6%?？梢姡涠鹊脑龇S著石灰石粉摻量的增加而減小。即當石灰石粉摻量達到一定值時，坍落度隨著石灰石粉摻量增加的幅度不明顯。同時，觀察混凝土的粘聚性和保水性發(fā)現(xiàn)：隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的質量沒有明顯的改善；且隨著石灰石粉取代水泥摻量的增加，混凝土的質量有變差的趨勢。表明：在一定的范圍內，摻入石灰石粉可以改善混凝土的工作性能。但隨著石灰石粉摻量的增加，對混凝土的工作性能改善作用不明顯。

表4 坍落度隨石灰石粉摻量的變化Table 4 The change of slump with the content of limestone powder

石灰石粉提高了混凝土拌合物的坍落度，增加了其流動性，其原因是石灰石粉密度小、比表面積大、表面光滑，能在水泥漿中均勻地分布，有助于混凝土流動性的增加，改善了混凝土的和易性。隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的流動性不再明顯增加，其原因是隨著石灰石粉摻量的增加，導致包括其所需用水量的增加，從而降低了混凝土拌合物的流變性，影響其工作性能的提高。

4.2 對混凝土耐磨性的影響

對于路面材料而言，其耐磨性也是使用性能的一個重要方面。按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程(JTGE30-2005)》測試耐磨性，研究石灰石粉摻量對混凝土耐磨性的影響?；炷猎陴B(yǎng)護28 d后進行耐磨性測試，試驗結果如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土耐磨性先增加后減小。表明：摻入適量的石灰石粉有利于混凝土耐磨性能的提高。耐磨性在石灰石粉摻量為10%時最好；石灰石粉摻量高于15%后，耐磨性有劣化趨勢。表明：最佳石灰石粉摻量宜為10%，且不要超過15%。石灰石粉本身表面致密、耐磨性較好，摻入混凝土后，充分發(fā)揮了微集料填充和微晶核效應[8]，改善了混凝土孔結構。其磨耗值高于同齡期下普通混凝土的。石灰石粉摻量較大時，會導致混凝土級配變化?；炷帘砻鏄嬙旒毣焕谀湍バ缘奶岣?。

圖4 石灰石粉對混凝土耐磨性的影響Fig.4 Effect of limestone powder on the abrasion resistance)

5 結論

將石灰石粉摻入混凝土用于水泥路面的施工，研究石灰石粉摻量為0%,5%,10%,15%和20%的混凝土分別對混凝土的強度、抗凍耐久性及工作性等性能的影響。通過對試驗結果的分析，得出的結論為：

1) 石灰石粉的細度比水泥的小。當石灰石粉摻量較低時，起到一定的填充骨架作用，有利于提高混凝土的密實度；但如果石灰石粉摻量過多，則導致參與水化反應的水泥量減少，混凝土的強度有所下降。

2) 混凝土的抗壓強度隨著石灰石粉摻量呈現(xiàn)單峰變化規(guī)律。石灰石粉對混凝土早期強度的增長有利。石灰石粉取代水泥量在約10%時，混凝土的28 d和56 d抗壓強度最高。石灰石粉摻量小時，不會明顯改善混凝土的抗折強度；而石灰石粉摻量大時，則對混凝土的抗折強度不利。石灰石粉摻量在強度方面以約10%為最佳。

3) 合理的石灰石粉摻量能有效地提高混凝土的抗凍性能。綜合混凝土的質量損失和相對動彈性模量指標來分析抗凍性能。石灰石粉取代水泥量為5%～10%時，其抗凍性能得到提高，具有良好的抗凍耐久性。

4) 摻入石灰石粉可以增加混凝土的流動性，改善混凝土的工作性能。但隨著石灰石粉摻量的增加，對工作性能的提高作用不明顯。摻入適量的石灰石粉有利于混凝土耐磨性的提高。從工作性和耐磨性角度考慮，最佳石灰石粉摻量宜為10%，且不宜超過15%。

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