李可壽 韋波 楊天山 文娟 鄧麗娟*

（1 廣西華宏混凝土有限公司；2 廣西建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司）

礦物摻合料作為混凝土重要組成部分，隨著綠色高性能混凝土發(fā)展得到更廣泛的應(yīng)用，以活性氧化硅、氧化鋁和其他有效礦物為主要成分的礦粉、粉煤灰需求量越來越大。然而，隨著我國(guó)“碳達(dá)峰碳中和”政策的實(shí)施，煤燃燒發(fā)電企業(yè)排放的工業(yè)“廢渣”——粉煤灰逐漸成為稀缺資源，優(yōu)質(zhì)粉煤灰供需關(guān)系嚴(yán)重失衡，市場(chǎng)出現(xiàn)“假粉煤灰”以次充好，給混凝土質(zhì)量控制帶來不少的困擾。因此，探討應(yīng)用來源更充足、質(zhì)量穩(wěn)定且具有規(guī)模產(chǎn)業(yè)的非傳統(tǒng)礦物摻合料代替粉煤灰成為了行業(yè)技術(shù)人員研究的方向。

石灰石粉是指以一定純度的石灰石為原料，經(jīng)磨細(xì)至規(guī)定細(xì)度的粉狀材料[1]。石灰石粉作為水泥惰性混合材在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。近年來，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者開始把石灰石粉作為混凝土的混凝土摻合料進(jìn)行了研究。潘明南等對(duì)配制高強(qiáng)高性能混凝土摻入超細(xì)石灰石粉的混凝土性能進(jìn)行了研究[2]，發(fā)現(xiàn)磨細(xì)石灰石粉以較小的吸水率及非活性混合材的特性對(duì)混凝土膠凝材料體系具有良好的分散作用，降低混凝土漿體黏稠度，減少擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失，提高保坍性能，改善高強(qiáng)高性能混凝土拌合物的工作性能。王雨利等研究了石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響[3]，揭示了石灰石粉在特定摻量下取代活性膠凝材料對(duì)混凝土不同齡期強(qiáng)度作用不同，可以提高早期強(qiáng)度但后期略為偏低。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于石灰石粉在混凝土中的應(yīng)用研究已有些基礎(chǔ)，但基于廣西材料特征的磨細(xì)石灰石粉及其在高性能混凝土性能的影響研究尚未報(bào)道。本文主要研究廣西磨細(xì)石灰石粉不同取代粉煤灰對(duì)高性能混凝土流變性能、力學(xué)性能、耐久性能的影響，分析磨細(xì)石灰石粉在混凝土中的作用機(jī)理，提出在一定細(xì)度下石灰石粉的最佳摻入量，為研究磨細(xì)石灰石粉高性能混凝土提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

符合《南寧市高性能混凝土生產(chǎn)企業(yè)評(píng)定細(xì)則》規(guī)定要求，主要技術(shù)指標(biāo)：①水泥（C），華宏P(guān)·O42.5 水泥，比表面積≤360m2/kg；②粉煤灰（FA），來賓F 類Ⅱ級(jí)粉煤灰，需水量比≤105%、45μm 篩余≤25%；③磨細(xì)石灰石粉（LP），武鳴磨細(xì)石灰石粉，CaCO3≥80%，比表面積520m2/kg，MB 值0.4；④礦粉（GGBS），防城S95 級(jí)礦粉，28 天活性指數(shù)98%；⑤砂（S），中砂（偏粗）河卵石機(jī)制砂，堅(jiān)固性≤8%，Mx=3.0；⑥碎石（G），武鳴5～25 連續(xù)粒級(jí)碎石，堅(jiān)固性≤8%；⑦減水劑（SP），聚羧酸高性能減水劑，減水率≥25%。

1.2 配合比

磨細(xì)石灰石粉按膠凝材料總量0、5%、10%、15%、20%不同摻量取代粉煤灰用量，分別以相同水膠比進(jìn)行對(duì)比研究。磨細(xì)石灰石粉配合比見表1。

表1 磨細(xì)石灰石粉混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土拌合物性能按GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，混凝土抗壓強(qiáng)度按GB/T50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，電通量試驗(yàn)按GB/T50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，試件尺寸為Φ 100mm×50mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 磨細(xì)石灰石粉對(duì)混凝土拌合物性能的影響

試驗(yàn)通過改變磨細(xì)石灰石粉摻量，研究磨細(xì)石灰石粉對(duì)高性能混凝土拌合物性能的影響，試驗(yàn)項(xiàng)目分別為倒坍落度流空時(shí)間、坍落度、擴(kuò)展度及1h 經(jīng)時(shí)損失試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 磨細(xì)石灰石粉混凝土工作性能

從表2 可見，磨細(xì)石灰石粉混凝土坍落度、擴(kuò)展度隨石灰石粉摻量增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，1h 經(jīng)時(shí)損失試驗(yàn)呈現(xiàn)同樣趨勢(shì)，初始倒坍落度流空時(shí)間呈先降低后增加的趨勢(shì)，1h 經(jīng)時(shí)損失不同程度的減小，當(dāng)磨細(xì)石灰石粉取代量占膠凝材料總量的15%時(shí)，混凝土坍落度、擴(kuò)展度最大，初始倒坍落度流空時(shí)間最小。這說明在相同水膠比、相同減水劑用量情況下，磨細(xì)石灰石粉具有減水作用，可有效改善混凝土流動(dòng)性，同時(shí)具有良好的保水、保塑效果。換言之，隨著石灰石粉取代比例的增加，在相同流變性能下可以降低單方混凝土用水量或減水劑用量。當(dāng)石灰石粉取代比例達(dá)到膠凝材料總量的20%時(shí)，受混凝土黏聚性增大以及粉煤灰0摻量，混凝土失去粉煤灰的“滾珠效應(yīng)”的影響，混凝土初始倒坍落度筒流空時(shí)間有所延長(zhǎng)，混凝土坍落度、擴(kuò)展度有所減小。

2.2 磨細(xì)石灰石粉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖1、圖2 分別顯示了不同摻量磨細(xì)石灰石粉混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下3d、7d、28d、56d 混凝土抗壓強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 磨細(xì)石灰石粉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 磨細(xì)石灰石粉不同齡期抗壓強(qiáng)度比

由圖可知，摻磨細(xì)石灰石粉高性能混凝土在齡期為3d、7d 時(shí)，抗壓強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度比隨磨細(xì)石灰石粉摻量增加而增加，28d、56d 隨磨細(xì)石灰石粉摻量增加而降低。這說明在磨細(xì)石灰石粉影響高性能混凝土早齡期力學(xué)性能，比較同等摻量的粉煤灰早期水化速率明顯加快而后期緩慢。當(dāng)摻量為20%時(shí)3d、7d抗壓強(qiáng)度比分別達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的81%、106%，同比純摻粉煤灰提高13%、15%；28d、56d 抗壓強(qiáng)度比分別為設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的126%、130%，同比純摻粉煤灰下降1%、10%，同樣說明磨細(xì)石灰石粉中部分超細(xì)粉參與水化反應(yīng)而影響混凝土早齡期力學(xué)性能。磨細(xì)石灰石粉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響與對(duì)水化速率影響基本一致，當(dāng)摻量為20%時(shí)3d、7d 抗壓強(qiáng)度高于純粉煤灰混凝土，28d 抗壓強(qiáng)度值基本相當(dāng)，56d抗壓強(qiáng)度下降的趨勢(shì)較為明顯。

2.3 磨細(xì)石灰石粉對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，磨細(xì)石灰石粉混凝土28d 齡期抗氯離子滲透電通量試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 磨細(xì)石灰石粉對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響

從圖3 可見，在相同水膠比、相同減水劑條件下，混凝土電通量隨著磨細(xì)石灰石粉摻量增加呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，磨細(xì)石灰石粉混凝土28 d 電通量均低于基準(zhǔn)配合比。當(dāng)摻量在15%時(shí)，混凝土電通量最低，相比基準(zhǔn)單摻粉煤灰下降約30%，說明磨細(xì)石灰石粉具有良好的填充效應(yīng)，利于抑制混凝土氯離子擴(kuò)散；當(dāng)磨細(xì)石灰石粉摻量超過15%時(shí)混凝土28 d電通量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這可能是磨細(xì)石灰石粉與粉煤灰的顆粒填充效應(yīng)，以及粉煤灰的火山灰活性效應(yīng)共同作用，導(dǎo)致無粉煤灰混凝土?xí)r，混凝土電通量增大。

3 作用機(jī)理

3.1 磨細(xì)石灰石粉對(duì)混凝土工作性能的影響機(jī)理

磨細(xì)石灰石粉比表面積為520m2/kg，具有比水泥、礦粉、粉煤灰更小的顆粒，具備良好的填充效應(yīng)從而改善膠凝材料體系的顆粒級(jí)配，降低膠凝材料體系空隙率，減少用水量；其次，磨細(xì)石灰石粉與粉煤灰相比致密性更高具有低吸附水和減水劑的特性，在相同水膠比情況下，混凝土流動(dòng)性更好；再次，磨細(xì)石灰石顆粒填充在活性膠凝材料顆粒之間，不參與初期水泥反應(yīng)起到分散的作用，對(duì)水泥的“絮凝結(jié)構(gòu)”有著解絮作用。同時(shí)，磨細(xì)石灰石粉以石灰?guī)r作為原材料以CaCO3為主要成分，而CaCO3的表面能僅為230×10-7J/cm2，有利于顆粒的分散和填充[4]。磨細(xì)石灰石粉填充效應(yīng)、低吸附特性、分散作用是其具有減水和降低黏性作用的主要原因之一。

3.2 磨細(xì)石灰石粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響機(jī)理

在原材料品種、規(guī)格及技術(shù)指標(biāo)相同條件下，混凝土強(qiáng)度取決于水膠比，用水量越低強(qiáng)度越高。磨細(xì)石灰石粉中部分超細(xì)顆粒填充在混凝土粉體顆粒級(jí)配體系中，優(yōu)化膠凝材料粉體的顆粒級(jí)配，降低空隙率，減少混凝土用水量，提高混凝土漿體密實(shí)性，相對(duì)粉煤灰而言，對(duì)減水劑吸附較少，有利于提高混凝土漿體流動(dòng)性。換言之在相同混凝土拌合物流動(dòng)性情況下，磨細(xì)石灰石粉混凝土用水量更低從而獲得較高的混凝土抗壓強(qiáng)度。另一方面，磨細(xì)石灰石粉在水泥水化時(shí)起到微晶核效應(yīng)，可為水泥漿體提供大量的成核基體，主要是增加水泥漿體中水化硅酸鈣（C-S-H）的成核基體，降低水泥漿體形成晶體的過飽和濃度，促進(jìn)水化產(chǎn)物不斷向溶液中遷移，誘導(dǎo)水泥的水化產(chǎn)物析晶，這種加速效應(yīng)在水化早期尤其明顯[5-6]。值得說明的是，石灰石粉并非完全惰性，石灰石粉部分可以與水泥熟料中CA 反應(yīng)生成碳鋁酸鈣水化物并能穩(wěn)定存在[7]。磨細(xì)石灰石粉的填充效應(yīng)、活性效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)以及低吸附效應(yīng)是對(duì)混凝土強(qiáng)度影響的主要作用機(jī)理。

3.3 磨細(xì)石灰石粉對(duì)混凝土抗氯離子滲透的影響機(jī)理

磨細(xì)石灰石粉摻入改善了膠凝材料體系的顆粒級(jí)配，提高混凝土材料體系的有效堆積，降低膠凝材料體系空隙率，在水泥水化過程中阻止毛細(xì)孔的形成，改善混凝土的抗?jié)B性能，降低混凝土電通量。磨細(xì)石灰石粉相對(duì)粉煤灰具有低吸附效應(yīng)，在相同混凝土拌合物工作性能下可以減少單方混凝土用水量，降低水膠比、改善漿體流動(dòng)性同樣利于降低連通空隙率，進(jìn)而抑制混凝土氯離子滲透。

4 結(jié)論

⑴磨細(xì)石灰石粉等量取代粉煤灰，相同水膠比情況下，混凝土拌合物坍落度、擴(kuò)展度隨摻量增加呈先增大后降低，倒坍落度流空時(shí)間隨著摻量增加先降低后增加趨勢(shì)，磨細(xì)石灰石粉對(duì)減水劑、拌合水具有低的吸附特性，可以減少混凝土用水量，降低混凝土拌合物粘性。

⑵摻磨細(xì)石灰石粉混凝土在齡期為3d、7d 時(shí)，抗壓強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度比隨磨細(xì)石灰石粉摻量增加而增加，28d、56d 隨磨細(xì)石灰石粉摻量增加而降低。磨細(xì)石灰石粉在水泥水化時(shí)起到微晶核效應(yīng)，影響混凝土早臨期水化、硬化。

⑶磨細(xì)石灰石粉等量取代粉煤灰對(duì)混凝土28d 電通量隨著摻量的增加呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，但氯離子滲透性能仍處于較低水平。

⑷綜合考慮混凝土拌合物流變性能、力學(xué)性能和耐久性能，磨細(xì)石灰石粉最佳取代量為15%左右。但磨細(xì)石灰石粉早期水化速率較快不利于水化熱控制，因此在大體積混凝土使用石灰石粉應(yīng)加強(qiáng)混凝土早期養(yǎng)護(hù)。