沈乾洲

（永善縣富江混凝土有限公司，云南昭通 657300）

0 引言

目前，我國(guó)建筑業(yè)規(guī)模宏大且發(fā)展迅速，混凝土礦物摻合料如粉煤灰、礦渣粉、硅灰等材料日益短缺，不能滿足建設(shè)市場(chǎng)的正常需要。 因此，混凝土市場(chǎng)更渴望一種或多種能就地取材的、可替代摻合料的材料，石灰石粉以易獲取、價(jià)格低、產(chǎn)量大等優(yōu)勢(shì)被廣泛關(guān)注。 其細(xì)顆粒填充、易于泵送等多方面特點(diǎn)，對(duì)于解決混凝土企業(yè)資源分布不均、提高建設(shè)工程速度、響應(yīng)國(guó)家環(huán)保要求等方面意義重大。 因此，本文為研究石灰石粉作為摻合料合理運(yùn)用到混凝土中進(jìn)行了一系列試驗(yàn)， 并得出其替代其他摻合料的可行性。

1 石灰石粉的使用方向和效應(yīng)

1.1 石灰石粉的使用方向

本文主要驗(yàn)證了石灰石粉替代粉煤灰用作混凝土摻合料的可行性，在0、33%、50%、100%等不同替代比例時(shí)的各方面性能數(shù)據(jù)，還驗(yàn)證了石灰石粉作為機(jī)制砂填充料使用，可彌補(bǔ)機(jī)制中砂顆粒級(jí)配指標(biāo)，細(xì)顆粒篩余不足。 根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55—2011）7.4 泵送混凝土3，細(xì)骨料宜采用中砂，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定其通過(guò)公稱直徑為315μm 篩孔的顆粒含量不宜少于15%，經(jīng)細(xì)度模數(shù)試驗(yàn)后， 通過(guò)摻入石灰石粉來(lái)彌補(bǔ)315μm 篩孔篩余量不足的填補(bǔ)，達(dá)到改善的效果且滿足規(guī)定要求，得到易于泵送的結(jié)果。 目前對(duì)石灰石粉用作水泥混合材料的研究主要涉及兩個(gè)方面：一是將石灰石粉部分取代細(xì)骨料，二是將石灰石粉作為摻合料使用[1]。

1.2 石灰石粉的效應(yīng)

石灰石粉的主要化學(xué)成分是CaCO3，而研究發(fā)現(xiàn)CaCO3可加速C3A、C4AF 反應(yīng)，生成碳鋁酸鹽。 同時(shí)，碳酸鈣顆粒對(duì)C3S 水化起晶核作用，加速C3S 的水化[2]。 其作為摻合料在混凝土中還具有微集料填充效應(yīng)、微晶核效應(yīng)、比重效應(yīng)和分散效應(yīng)[3]。 通過(guò)以上文獻(xiàn)研究可知， 石灰石粉作為摻合料摻入在混凝土拌合物中，既改善了混凝土的工作性能，提高了密實(shí)性，也更易于泵送。

2 原材料及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)用原材料說(shuō)明

試驗(yàn)使用P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥， 其物理性能指標(biāo)詳見表1。

表1 水泥物理性能指標(biāo)

試驗(yàn)使用F 類Ⅱ級(jí)粉煤灰，其性能指標(biāo)詳見表2。

表2 粉煤灰性能指標(biāo)

試驗(yàn)使用B 型石灰石粉，其性能指標(biāo)詳見表3。

表3 石灰石粉的性能參數(shù)

試驗(yàn)使用的機(jī)制砂，其主要性能參數(shù)詳見表4。

表4 機(jī)制砂的主要性能參數(shù)

試驗(yàn)使用的碎石，其顆粒級(jí)配符合5～25mm 連續(xù)粒級(jí)，主要參數(shù)詳見表5。

表5 碎石主要性能參數(shù)

試驗(yàn)使用的聚羧酸減水劑，其性能詳見表6。

表6 聚羧酸減水劑性能指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30 和C50 兩個(gè)標(biāo)號(hào)，通過(guò)摻入不同比例量的石灰石粉來(lái)替代粉煤灰， 替代比例分別為33%、50%、70%、100%，38%和62.5%與其基準(zhǔn)混凝土進(jìn)行性能比較，研究石灰石粉不同摻入量對(duì)混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度等各項(xiàng)指標(biāo)的影響情況。

混凝土配合比設(shè)計(jì)按照 《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55—2011）進(jìn)行；混凝土工作性試驗(yàn)按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）進(jìn)行；混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照 《普通混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）進(jìn)行；石灰石粉細(xì)度篩分和MB 值檢測(cè)按照《用于水泥、砂漿和混凝土中的石灰石粉》（GB/T 35164—2017）進(jìn)行。

不同取代率的混凝土配合比及材料用量參數(shù)詳見表7。

表7 混凝土配合比

不同取代率的混凝土配合比工作性及抗壓強(qiáng)度的各項(xiàng)參數(shù)詳見表8。

表8 混凝土拌合物的和易性、抗壓強(qiáng)度、評(píng)價(jià)參數(shù)

由表7 和表8 可知，石灰石粉可由0—100%的摻配比例分別替代粉煤灰作為摻合料使用，工作性和抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，也驗(yàn)證了其抗壓強(qiáng)度先增加，后逐漸降低的論點(diǎn)[4-5]。且石灰石粉與粉煤灰兩者復(fù)摻的抗壓強(qiáng)度比單摻的高。雖然試配D 和E 強(qiáng)度未滿足JGJ 55—2011 普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定中的配制強(qiáng)度115%的要求，但從拌合物狀態(tài)可知，通過(guò)減少用水量得以解決，經(jīng)過(guò)試配F、H 和I 等試驗(yàn)均得到了驗(yàn)證，也滿足了工作性和抗壓強(qiáng)度的要求。 由此得出：隨著摻入量的增加，混凝土的單方用水量減少，水膠比降低，粘聚性、保水性增加，工作性更優(yōu)，抗壓強(qiáng)度得以保障。

3 石灰石粉可改善機(jī)制砂顆粒級(jí)配的作用

3.1 機(jī)制砂的生產(chǎn)現(xiàn)狀

從李勇等人[1]以石灰石粉部分取代細(xì)骨料的研究得知，我國(guó)機(jī)制砂品質(zhì)差、不達(dá)標(biāo)的主要原因有生產(chǎn)設(shè)備普遍落后，工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單。 經(jīng)過(guò)實(shí)地考察得出不能改進(jìn)的因素如下：（1） 資金投入量大；（2） 設(shè)備原因；（3） 環(huán)保原因；（4） 軟件原因。 致使在簡(jiǎn)易設(shè)備下只能采取簡(jiǎn)單的篩分， 環(huán)節(jié)中缺少了塑形和預(yù)濕環(huán)節(jié)，生產(chǎn)出來(lái)的機(jī)砂質(zhì)量波動(dòng)較大，多棱角外形，級(jí)配斷檔嚴(yán)重，石粉含量忽多忽少，豆石含量較多（篩網(wǎng)磨損原因），堆積過(guò)程中極易出現(xiàn)離析（粗顆粒裸漏在表面）等現(xiàn)象，最終會(huì)導(dǎo)致混凝土的質(zhì)量波動(dòng)較大。 因此，研究石灰石粉摻入機(jī)制砂中的應(yīng)用，顯得更有價(jià)值。

3.2 機(jī)制砂篩分?jǐn)?shù)據(jù)

基準(zhǔn)機(jī)制砂的顆粒級(jí)配項(xiàng)目、細(xì)度模數(shù)詳見表9。

表9 基準(zhǔn)機(jī)制砂顆粒繼配篩分表

摻入10%石灰石粉的機(jī)制砂顆粒級(jí)配項(xiàng)目、 細(xì)度模數(shù)詳見表10。

表10 摻入10%石灰石粉后的機(jī)制砂顆粒繼配篩分表

分記篩余/% 0 12.6 25.2 13 6 11.6 13.4 18.2累計(jì)篩余/% 0 13 38 51 57 69 82 100篩余量/g 0 56 120 70 35 55 72 92分記篩余/% 0 11.2 24 14 7 11 14.4 18.4累計(jì)篩余/% 0 11 35 49 56 67 81 99累計(jì)篩余平均值/% 0 12 36 50 56 68 82 100細(xì)度模數(shù)μf1= 2.67 μf2= 2.62 μf=（μf1+μf2）/2= 2.6備注 摻10%石灰石粉

試驗(yàn)比對(duì)了摻與不摻石灰石粉機(jī)制砂的篩分曲線，詳見圖1。

圖1 砂子篩分級(jí)配曲線圖

由圖1 可知， 經(jīng)摻入10%的石灰石粉作為細(xì)顆粒填充后，顆粒級(jí)配得到了一定的改善。充分驗(yàn)證了石灰石粉作為填充細(xì)顆粒使用是有效的， 能改善顆粒級(jí)配中細(xì)顆粒150μm 部分不足的空缺。

4 混凝土拌合物流變性能的主要影響因素

液體的流動(dòng)是由于外部推力大于其內(nèi)部摩擦力，而產(chǎn)生的一種特殊的連續(xù)性變形形式， 45μm 篩余為24% 的石灰石粉（摻量0～80%）可以同時(shí)降低屈服應(yīng)力和塑性黏度[6]。 影響新拌混凝土屈服值的主要因素有用水量和化學(xué)外加劑等，混凝土的每平方米用水量或減水劑的摻量越大，屈服值和塑性黏度越小。

在工程現(xiàn)場(chǎng)澆筑時(shí)， 采用ICAR 流變儀檢測(cè)流變參數(shù)見表11。

表11 56m泵送混凝土施工數(shù)據(jù)與流變參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

五層梁板柱墻入泵 166.4 72.0 24 32 11 18出泵 185.8 35.5九層梁板柱墻入泵 159.1 71.8 36 20 10 21出泵 173.7 39.2

不同的礦渣粉對(duì)黏度的影響也不同，這可能與礦渣粉的質(zhì)量及其組成的整個(gè)粉體顆粒級(jí)配有關(guān)。 不同摻合料對(duì)混凝土流變參數(shù)的影響如圖2 所示。

圖2 不同摻合料對(duì)新拌混凝土流變參數(shù)的影響

由表11 和圖2 可知， 當(dāng)摻入50%石灰石粉替代礦物摻合料時(shí)，對(duì)新拌混凝土的流變性能沒(méi)有任何影響；有利于降低混凝土泵送黏性，與其它礦物摻合料復(fù)摻使用時(shí)，也有著很好的兼容性，更利于泵送。

5 摻入石灰石粉在混凝土中的形態(tài)分析

根據(jù)余成行[7]等人的研究，從宏觀角度看，混凝土可以被認(rèn)為是由骨料和水泥漿兩部分組成，骨料和水泥漿由大小不同的顆粒組成。 中粒徑顆粒能填充大粒徑顆粒之間的空隙，而小粒徑顆粒又能填充中粒徑顆粒之間的空隙，各粒徑大小如此連續(xù)的填隙作用能有效減少空隙的體積，增大整個(gè)骨料部分的填充密度。 混凝土拌合料流動(dòng)的條件是， 水泥漿需要先填充骨料部分的空隙，填隙以外的水泥漿才能用于潤(rùn)滑、帶動(dòng)骨料流動(dòng)，所以在水泥漿體積一定時(shí)，提高骨料填充密度能增加混凝土工作性，或在流動(dòng)性要求相同時(shí)減少水泥漿的體積。

從微觀角度看，水泥漿由水泥及摻合料（石灰石粉）等凝膠微料和水兩部分組成。 在凝膠微料中，固體顆粒的粒徑范圍包括小于1μm 至75μm，和宏觀觀察到的骨料顆粒填充效應(yīng)一樣，由較小粒徑顆粒產(chǎn)生的連續(xù)、系列填隙作用，同樣能有效減少凝膠微料中空隙的體積，增加填充密度。 因?yàn)樾枰忍畛淠z微料部分的空隙，填隙以外的水才能用于潤(rùn)滑、帶動(dòng)整個(gè)水泥漿流動(dòng)，所以在水體積一定時(shí)， 提高凝膠微料填充密度能增加混凝土工作性，或在流動(dòng)性要求相同時(shí)減少水的體積。

骨料填充密度可用干測(cè)量法來(lái)測(cè)量，而膠凝材料填充密度由于材料間的凝聚現(xiàn)象， 很難同樣用干測(cè)量法進(jìn)行有效準(zhǔn)確測(cè)量。對(duì)于漿體部分摻入石灰石粉可采用檢測(cè)凈漿流動(dòng)度的方法，間接反映膠凝材料間的填充情況。

6 結(jié)語(yǔ)

石灰石粉作為摻合料，具有資源提取便利、有利環(huán)境保護(hù)、價(jià)格低廉、有效替代和可改善填充等優(yōu)勢(shì)。 基于以上試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：

（1） 石灰石粉作為可替代摻合料產(chǎn)品，對(duì)新拌混凝土的工作性能有改善作用。 摻入量在50%時(shí)效果最佳， 當(dāng)摻入量在100%時(shí)，工作性相對(duì)較差，但通過(guò)減少用水量后，混凝土強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求。

（2） 石灰石粉可用于機(jī)制砂顆粒級(jí)配的填充，提高可泵性。

（3） 石灰石粉作為摻合料的多元化組合使用，通過(guò)填充效應(yīng)原理優(yōu)化級(jí)配，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。