楊如仙 唐凱 施一春 徐勍

(1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司 武漢 430040；2.中交二航武漢港灣新材料有限公司 湖北麻城 438300；3.海工結(jié)構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室(創(chuàng)新平臺) 武漢 430040；4.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室(創(chuàng)新平臺) 武漢 430040；5.寧波富邦公路工程建設有限公司 浙江寧波 315000)

0 引言

我國將石粉作為礦物摻合料用于混凝土的研究和應用起步相對較晚，但發(fā)展迅速。黃丹、汾河二庫、普定、巖灘、江埡等水電工程中，均采用石灰石粉取代部分礦物摻合料配制高流動性混凝土，并取得了良好的效果；漫灣、龍灘等水電工程中，石灰石粉替代其他礦物摻合料成功應用于大體積混凝土、自密實混凝土、水工碾壓混凝土中[1]。石灰石粉在寧夏、西藏等地也得到了應用。

國家住建部發(fā)布實施的《石灰石粉混凝土》(GB/T 30190—2013)對石灰石粉技術要求和石灰石粉混凝土配合比的使用技術作了詳細的規(guī)定，這標志著石灰石粉作為礦物摻合料在混凝土中的應用邁上了新臺階。適量的石灰石粉作為礦物摻合料用于混凝土中，明顯改善了混凝土的工作性能，提高了混凝土的早期強度，具有顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。但是，石灰石粉屬于非活性混合材料，當摻入量超過一定的比例，反而會降低混凝土的強度。石灰石粉作為礦物摻合料，摻量不能準確計算，耐久性不易保證，超細石粉的細度指標尚未統(tǒng)一，實際應用具有一定的局限性。

本文針對目前國內(nèi)石灰石粉研究和應用中存在的問題和不足，展開了石灰石粉細度、摻量對混凝土工作性能、力學性能、耐久性能的影響規(guī)律研究，以期為石粉的應用開辟新的思路和途徑。

1 石粉摻合料對混凝土性能的影響試驗

1.1 原材料

水泥為華新水泥(西藏)有限公司的硅酸鹽水泥P·I 42.5水泥，其3，28 d的抗折強度為3.42，7.25 MPa，抗壓強度為13.5，48.2 MPa。粗集料選用川藏鐵路沿線機制砂連續(xù)級配5～25 mm。細集料選用川藏地區(qū)的機制砂屬II區(qū)砂。石粉選用川藏地區(qū)的石灰石粉，為人工砂干法選粉得到。外加劑選用武漢某新型材料有限公司產(chǎn)聚羧酸高性能減水劑，性能符合《混凝土外加劑》(GB 8076—2008)中相應技術指標要求。石灰石粉化學成分見表1。

表1 石灰石粉化學成分分析 %

1.2 試驗方法

研究石灰石粉摻量為10%，20%，30%時對混凝土性能的影響。試驗選擇比表面積為500，800，1 200 m2/kg的石灰石粉，研究不同細度石灰石粉對混凝土性能的影響。

混凝土的試驗配比見表2和表3，拌合物性能檢測按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)進行測試，力學性能檢測按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行測試，耐久性能檢測按照《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》 (GB/T 50082—2009)進行測試。

表2 試驗用配合比

表3 不同細度石灰石粉混凝土配合比

2 試驗結(jié)果分析

2.1 工作性能

石灰石粉摻入混凝土中，隨著石粉摻量的增加，混凝土坍落度增加，粘度增加，流變性增大，保水性能變好，泌水率減小，坍落度經(jīng)時損失減小，混凝土含氣量略有減少。不同石灰石粉摻量對混凝土工作性能的影響見表4。這主要是因為將石灰石粉加入混凝土中，增加了水泥顆粒的間距使之更加分散，提高了混凝土的流動性能，石灰石粉顆粒對水泥水化過程中形成的絮凝結(jié)構有著解絮作用，有效地降低了混凝土坍落度損失。相同質(zhì)量水泥被石粉替代，膠凝材料漿體體積增大，提高了混凝土拌合物的流動性，同時漿體體系中水泥的用量降低，整個膠凝體系用水量減少。石灰石粉能夠改善混凝土的工作性能，而被廣泛用于自密實混凝土中，并被列入自密實混凝土的相關規(guī)范。

表4 石灰石粉摻量對混凝土工作性能的影響

2.2 力學性能

隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度隨之降低，如圖1所示。多項研究表明，石粉摻量在20%以內(nèi)，混凝土強度隨著石粉摻量的增加而增高，在10%左右達到最高，20%時與標準試樣強度基本相同。這是由于水泥粒度分布的不均勻，凝膠結(jié)構中存在大量>100 μm 的孔隙，屬于不緊密堆積結(jié)構。石灰石粉中的硅質(zhì)、鈣質(zhì)顆粒有粒徑<0.045 mm 的顆粒，而粉煤灰、礦粉中<10 μm的顆粒較少。在混凝土中摻入特定細度的石灰石粉，可與混凝土中其他組分互相補充，充填了混凝土孔隙，改善其孔結(jié)構，使硬化后的混凝土結(jié)構更加密實，形成了細觀層次的緊密堆積體系，改善了混凝土的物理力學性能和耐久性能[2]。石粉摻量達到20%以上，混凝土的強度隨著石粉摻量的增加逐漸降低；同時石粉的加入降低了混凝土的動彈性模量。石灰石粉摻量對混凝土工作性能及力學性能的影響有一個最佳值，但是對于不同的混凝土體系，目前缺乏一個明確的確定方法，實際工程應用上只能依靠現(xiàn)場復配，增加了施工的難度，因此關于這方面還需進一步深入研究。

王雨利等[3]的研究發(fā)現(xiàn)，對于中低強度等級的混凝土，石粉對混凝土的工作性能、力學性能的影響規(guī)律是一致的，都呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律。在最佳石粉含量下，該法則與0.40水粉比具有良好的一致性。水粉比為0.40時，預測最佳石粉含量表達式為

mw/(mc+ms·x)=0.40

式中，mw為用水量，mc為水泥用量，ms為砂用量，x為石粉含量最佳理論估算值。

圖1 石粉摻量對混凝土強度的影響

2.3 耐久性能

對比基準樣石灰石粉混凝土28，56 d的氯離子擴散系數(shù)均增大，并隨石灰石粉摻量的增加而增大，如圖2所示。這表明石灰石粉在一定程度上降低了混凝土抗氯離子擴散的能力。目前關于石灰石粉對混凝土抗氯離子滲透性的影響研究結(jié)論不一，有研究結(jié)果表明石灰石粉能提高混凝土抗氯離子滲透性或影響不大，也有研究結(jié)果表明石灰石粉降低了混凝土抗氯離子滲透性，針對不同的體系、不同強度等級往往存在偏差，還需進一步研究。然而，已有研究證明石灰石粉、礦渣、粉煤灰復摻可提高混凝土的抗氯離子滲透性能。已經(jīng)證實了加入適量的石灰石粉可以使混凝土的抗?jié)B性得到提高，這是因為石灰石粉填充了混凝土內(nèi)部各種材料界面之間的空隙，使混凝土的結(jié)構更加致密，從而阻斷了混凝土內(nèi)部可能形成的滲透通路，改善了混凝土的抗?jié)B性[4]。石粉對混凝土抗凍性的影響結(jié)論不一，主要是因為研究人員、試驗材料及條件的差異引起的，有待進一步系統(tǒng)的研究。

大量研究表明，當石灰石粉等量取代水泥超過20%時，混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力降低，在硫酸鹽環(huán)境下混凝土出現(xiàn)開裂和大的體積膨脹，導致混凝土強度大幅下降[5]，主要因為硫酸鹽可與CaCO3，C3A反應生成碳硫硅鈣石，從而導致混凝土結(jié)構的破壞[2]?！痘炷两Y(jié)構耐久性設計規(guī)范》(GB/T 50476―2008)規(guī)定，在硫酸鹽環(huán)境中，不得使用石灰石粉做礦物摻合料，不得使用加入石灰石粉的水泥。目前，在我國對于含有石灰石粉的混凝土的耐久性還缺乏系統(tǒng)全面的研究，含有石灰石粉的混凝土的配合比設計也缺乏理論指導。石灰石粉作為礦物摻合料應用于混凝土中理論上是可行的，但是在實際工程應用中，需要結(jié)合工程結(jié)構所在的環(huán)境和摻入石灰石粉的原因和目的，才能充分發(fā)揮石灰石粉的經(jīng)濟性和功能性。

圖2 石粉摻量對抗氯離子擴散系數(shù)的影響

2.4 石粉細度對混凝土性能影響

摻石灰石粉混凝土的氯離子擴散系數(shù)高于未摻石灰石粉的混凝土，摻不同細度石灰石粉的混凝土，28 d氯離子擴散系數(shù)基本相同，如表5所示。這表明石灰石粉可以降低混凝土的抗氯離子滲透性能，但試驗范圍的細度變化對混凝土的氯離子擴散系數(shù)影響不大。在相同石粉摻量下，混凝土各齡期的碳化深度隨著石粉細度的增大而減小，如表6所示。這主要是因為隨著石粉細度的增加，進一步改善了混凝土的孔結(jié)構，并降低了孔隙率，從而降低了混凝土的碳化速度。大量研究表明，石灰石粉越細，水灰比越小，加入減水劑、水泥用量越大的條件下，石灰石粉混凝土的抗碳化性能越好[6]。石灰石粉對混凝土抗碳化能力的影響還與混凝土的養(yǎng)護齡期、石粉的摻入量、養(yǎng)護條件有關，隨著石灰石粉摻量的增大，其抗碳化能力降低；隨著石灰石粉細度的增大，其抗碳化能力不斷增強。隨著超細粉磨技術的進步，可以磨出1～ 4 μm的超細微粉，利用超細石灰石粉作為高性能混凝土的摻合料也就具備了成熟的條件。在超細石粉的研究中，要避免只考慮其對混凝土性能的影響而過分增加石粉的細度，卻忽視綜合評價混凝土成本的問題。

表5 不同細度石灰石粉混凝土的氯離子擴散系數(shù)

3 結(jié)論及建議

通過研究國內(nèi)外學者的成果并進行驗證和系統(tǒng)全面的總結(jié)，編制了石粉對混凝土性能影響指導目錄如表7所示，該目錄對石灰石粉作為礦物摻合料在混凝土中的應用具有積極、實際的指導意義，為石灰石粉的綜合利用理清了思路、指明了方向。

表6 不同細度石灰石粉混凝土的碳化深度

表7 石粉對混凝土性能影響指導目錄

根據(jù)以上目錄，同時結(jié)合存在的問題，超細石粉作為礦物摻合料在混凝土中的應用還有很多方面需要進一步研究或完善。

(1)在石粉工程應用過程中，出臺相應的監(jiān)管措施，明確使用的情況、摻量、品種和規(guī)格。

(2)對摻石粉的混凝土的耐久性進行系統(tǒng)全面的研究，為石粉混凝土配合比的設計提供理論指導。

(3)將理論最優(yōu)數(shù)據(jù)和經(jīng)濟最佳數(shù)據(jù)相結(jié)合，確定超細石粉的最佳細度指標。

(4)目前國內(nèi)外對石灰石粉研究的較多，而對其他巖性石粉(如大理石、花崗巖石粉等)的研究較少，需開展不同種類巖性石粉的對比研究，拓展可用石粉的種類及應用范圍。