石灰石粉的特性及对混凝土性能的影响.doc

精诚凝聚 =_= 成就梦想 石灰石粉的特性及对混凝土性能的影响基金项目：国家“十二五”科技支撑计划课题“固体废弃物本地化再生建材利用成套技术”2008BAE61B05。作者简介：周永祥，工学博士，副研究员，中国建筑科学研究院混凝土室主任。主要从事混凝土技术及其标准化研究周永祥1,2，王永海1，王思娅1，王伟1，丁威1，张大朋1（1 中国建筑科学研究院 北京 100013， 2全国混凝土标准化技术委员会 北京 100013）摘要：结合行业标准石灰石粉在混凝土中应用技术规程的制订，系统研究了石灰石粉的吸附特性以及石灰石粉对混凝土性能的影响规律。研究表明，石灰石粉对水和外加剂的吸附性小，但有加速混凝土拌合物坍落度损失的倾向；对于C30混凝土，20%石灰石粉等量取代粉煤灰，不会造成抗压强度、抗碳化性能、抗冻性能下降，适当的含泥量对上述性能影响也不大；掺加石灰石粉会对混凝土的抗氯离子渗透性能和抗硫酸盐侵蚀性能有所降低，但掺量为20%时影响不大；当掺量达到50%时，混凝土抗氯离子渗透性能和抗冻性能显著降低。引气可以有效提高混凝土的抗冻性能，也能在一定程度提高抗硫酸盐侵蚀能力。关键词：石灰石粉；吸附性能；混凝土；耐久性能；工作性The characteristic of limestone powder and its effect on performance of concrete ZHOU Yongxiang1,2, WANG Yonghai2, WANG Siya1 , WANG Wei 1, DING Wei1, ZHANG Dapeng1(1. China Academy of Building Research, Beijing 100013. 2 National Technical Committee 458 on Concrete of Standardization Administration of China, Beijing 100013)Abstract: Combining with the constitution of the Technical Specification for the Application of the Limestone Powder in the Concrete, the adsorption properties of the limestone powder and its effect on the performance of concrete are studied systematically. It can be learned from the research that the limestone powder accelerates the slump loss of concrete mixture although the adsorption properties of the limestone powder to water and admixture are less. Replacing 20% of the fly ash by limestone powder in C30 concrete as well as appropriate sediment percentage will not reduce the compressive strength, the property of anti-carbonate and frost resistance. Adding limestone powder can reduce the ability of anti-chloride ion penetration, however, 20% content just affects the performance of the concrete slightly and 50% limestone powder adding will reduce the ability of Chloride resistance and frost resistance obviously. Air-entraining will increase the property of freeze resistance significantly and improve the ability of resisting sulfate attack in a certain extend. Keywords：limestone powder; adsorption properties; concrete; durability; workablity由于我国持续以较高速度进行基本建设，粉煤灰、矿渣粉这类优质的混凝土掺合料日益紧缺，有的地区甚至出现脱销的现象。立足当地资源，寻找一种容易获取、优质廉价的新型掺合料势在必行。石灰石粉是一种易于粉磨、价格低廉、运输方便的材料。国内外的研究和工程应用表明1-3，混凝土掺加石灰石粉需水量小，具有明显的减水效应，合理掺用可以有效降低混凝土的用水量，改善混凝土的流动性与和易性。近来的研究4显示，石灰石粉不但可以发挥微细填料的作用，显著改善混凝土体系的微细颗粒体系的级配组成，而且石灰石粉也具有一定的水化活性，对胶凝材料体系的早期水化具有促进作用。在发达国家中，石灰石粉己被广泛用作混凝土惰性矿物掺合料，已有很多大型工程应用石灰石粉混凝土。例如，日本明石大桥、法国的西瓦克斯核电站II号反应堆等，美国、瑞典等国家还采用石灰石粉配制自密实混凝土和高流动性混凝土5。石灰石粉的应用，一方面作为替代性资源，可以有效缓解混凝土掺合料资源紧缺的局面；另一方面还可以充分消纳利用机制砂和碎石生产过程中产生的石灰岩石屑、石粉，减少污染和浪费；而且，石灰石粉可以替代部分水泥，提高混凝土性能，满足节能、环保和可持续发展的战略要求。因此，石灰石粉在混凝土中的应用，是近年来我国混凝土技术的一个新兴领域和发展方向。石灰石粉有别于粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料，也有别于花岗岩石粉、凝灰岩石粉、沸石粉等其他天然岩石粉，有其自身的特点和应用规律。国内外对石灰石粉的研究已有相当的基础，本研究结合行业工程标准石灰石粉在混凝土中应用技术规程的制订，考虑到国内当前混凝土技术的主流水平，着眼于把握标准制订所要求的广泛性和基本性，系统研究了石灰石粉的基本特性及其对混凝土性能的影响。1 原材料分别采用冀东P.O 42.5水泥及金隅复合硅酸盐P.C 32.5水泥，水泥的胶砂强度见表1。石灰石粉主要选用8#浙江金华样品，1#、7#仅作为吸附性能试验的对比样品，具体性能见表2。粉煤灰采用级粉煤灰。细骨料采用河砂（区中砂）。碎石为525mm级配碎石。外加剂采用巴斯夫聚羧酸减水剂（含固量20%）。表1 水泥的胶砂强度项目抗压强度(MPa)抗折强度(MPa)3d28d3d28dP.O42.536.65P.C32.522.0表2 石灰石粉的基本性能编号产地细度（45m筛余）/%需水量比/%流动度比/%含水量/%7d活性指数/%28d活性指数/%1山东济宁4.0971030.163.464.27陕西咸阳81.5971010.271.869.58浙江金华17.81001020.276.469.02 石灰石粉的吸附特性三种石粉的MB值测试结果见表3。从表中看到，花岗岩石粉的MB值甚至可以比石灰石粉低，但采用水泥胶砂测试的流动度比结果则显示花岗岩石粉对砂浆流动性的贡献是负值（表4）。所以，MB值虽然可以反映石粉的吸附特性，但往往与其所含的粘土质含量相关。也可以说，低MB值是石粉改善砂浆和混凝土流动性能的必要而非充分条件。表3 石粉的MB值项目类别测试试样的配比组成MB值石灰石粉（8#）200g石粉50g石粉+150g标准砂0.5花岗岩石粉200g石粉0.7550g石粉+150g标准砂0.35机制砂石粉200g石粉9.550g石粉+150g标准砂2.5注：花岗岩石粉为碎石破碎，通过0.075mm筛子筛分而得。 机制砂石粉为机制砂通过0.075mm筛子筛分而得。表4 按标准方法（不掺减水剂剂）测试的石粉流动性胶砂种类基准水泥（g）石粉（g）标准砂（g）加水量（g）流动度（mm）流动度比基准胶砂4501350225197/石灰石粉（8#）3151351350225201102%花岗岩石粉315135135022518694%机制砂石粉315135135022516885%表5显示了掺加减水剂测试的石粉流动性结果。与表4对比可以发现，在减水剂作用下，石灰石粉比花岗岩石粉、机制砂石粉在改善流动性方面表现更加突出。三种石灰石粉的流动度比显著增加，而采用花岗岩石粉、机制砂石粉的胶砂流动度比则呈减小趋势，这种现象可以解释为是石灰石粉对外加剂吸附作用小的结果。表5 掺加减水剂测试的石粉流动性胶砂种类基准水泥（g）石粉（g）标准砂（g）加水量（g）聚羧酸外加剂（g）流动度流动度比基准胶砂4501350175.54.5187/1#石灰石粉（山东）3151351350175.54.5205110%7#石灰石粉（陕西）3151351350175.54.5224120%8#石灰石粉（浙江）3151351350175.54.5219117%花岗岩石粉3151351350175.54.514879%机制砂石粉3151351350175.54.515281%石灰石粉与其他岩石粉相比，最重要特性之一是其吸附性能。第一是它对水的吸附性小，表现为需水量比小或具有减水效应；第二是它对化学外加剂的吸附小，表现为掺用外加剂的情况下流动度比大大增加或达到相同流动性可以节约外加剂用量。正因为具有了这个特性，石灰石粉用于混凝土才具备了技术和经济上的优势。3 石灰石粉混凝土的配合比鉴于我国混凝土目前的强度等级主体为C30，且普遍使用P.O42.5水泥。因此，研究以C30混凝土为主，并将石灰石粉与普遍使用的II级粉煤灰对比，同时考虑泥粉含量以及引气对混凝土性能的影响。采用P.O42.5水泥的石灰石粉混凝土配合比见表6。表6 采用P.O42.5水泥的石灰石粉混凝土配合比编号水胶比砂率胶材/kgP.O42.5水泥/kg粉煤灰/kg石灰石粉/kg泥粉掺量/kg砂/kg碎石/kg减水剂/kg引气剂/kg水/kgSH160.510.42350210140/79911033.5（1.0%）/175.7SH170.510.423502107070/79911033.5（1.0%）/175.7SH180.510.423502107065.14.979911033.5（1.0%）/175.7SH190.510.423502107065.14.979911033.5（1.0%）0.07(0.02%)175.7SH230.510.42350350/79911034.55（1.3%）174.9SH240.510.42350245/105/79911033.33（0.95%）175.8SH250.510.42350245/94.510.579911033.50（1.0%）175.7SH260.510.42350245105/79911033.33（0.95%）175.8SH270.510.423501758（0.8%）176.3SH280.510.42350175/157.517.579911033.85（1.1%）175.4注：混凝土设计强度为C30，设计容重为2430kg/m3，单方用水量扣除了减水剂中的含水量。石灰石粉如未特别注明，均为8#样品，下同。同时，考虑到石灰石粉应用中可能存在较为不利的工程情况，需要验证低限情况下的性能，以便把握偏于安全的界限。因此，试验采用P.C32.5水泥，混凝土设计强度为C20，同时也考虑了含泥量和引气对混凝土性能的影响。混凝土配合比如表7所示。表7 采用P.C32.5水泥的石灰石粉混凝土配合比编号水胶比砂率胶材/kgP.C32.5水泥/kg石灰石粉/kg泥粉掺量/kg砂/kg碎石/kg减水剂/kg引气剂/kg水/kgSH200.570.4431024862/83410602.33(0.75%)/175.1SH210.570.4431024857.74.383410603.1(1.0%)/174.5SH220.540.4431024857.74.383810663.1(1.0%)0.062(0.02%)164.5注：C20混凝土设计容重为2380kg/m3，单方用水量扣除了减水剂中的含水量。4 石灰石粉对混凝土工作性能的影响固定水胶比，石灰石粉掺量分别为30%、50%，通过调整减水剂用量将混凝土初始坍落度调为一致，测试石灰石粉对混凝土工作性的影响，结果见表8。表8 石灰石粉混凝土的拌合物性能编号配合比特征坍落度/扩展度（mm）初始0.5h1.0hSH23空白样180/4009540SH24内掺30%石灰石粉180/3707520SH25内掺30%石灰石粉（含泥）180/360400SH26内掺30%粉煤灰190/46010550SH27内掺50%石灰石粉190/440500SH28内掺50%石灰石粉（含泥）180/415400结果表明，在相同初始坍落度下，掺石灰石粉的混凝土减水剂用量少于空白样混凝土，说明石灰石粉具有一定的减水作用。如果在相同减水剂掺量下，石灰石粉的初始坍落度要大于空白样混凝土。在相同初始坍落度情况下，随着石灰石粉掺量的增加，在0.5h和1.0h时间点，混凝土坍落度损失逐渐增大。石灰石粉中掺加泥粉则会进一步加大混凝土坍落度损失，而粉煤灰对混凝土具有较好的保坍作用。石灰石粉的减水作用是对混凝土工作性有利的一面，坍落度损失大则是对其不利的一面，需要在实际应用中综合考虑。5 石灰石粉对混凝土抗压强度的影响跟踪测试了SH16、SH17、SH18三组配合比7d、28d及150d的抗压强度（见图1）。从图1可以看出，掺加40%粉煤灰与掺加20%粉煤灰、20%石灰石粉的混凝土，7d和28d抗压强度基本相当。石灰石粉内掺7%的泥粉，对混凝土强度影响不大。图1 石灰石粉掺量及含泥量对混凝土抗压强度的影响6 石灰石粉对混凝土耐久性的影响6.1对混凝土碳化的影响测试了SH16、SH17、SH18三组配合比的碳化深度（表9）。结果表明，石灰石粉和粉煤灰各复掺20%的混凝土，其抗碳化能力与40%粉煤灰掺量的混凝土基本相当。并且当石灰石粉中含7%泥粉的情况下，对混凝土的抗碳化能力影响不大。表9 石灰石粉混凝土的碳化深度编号配合比特征碳化深度（mm）3d7d14d28dSH1640%粉煤灰0349SH1720%粉煤灰+20%石灰石粉0358SH1820%粉煤灰+20%石灰石粉（石灰石粉内掺7%泥粉）00696.2 对混凝土抗氯离子性能的影响按普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB/T50082-2009）分别测试了SH16、SH17、SH18、SH27、SH28、SH20、SH21几组混凝土28d电通量（见表10）。表10 石灰石粉混凝土配合比及对电通量的影响编号配合比特征28d电通量（C）水胶比水泥品种掺合料组成SH160.51P.O42.5水泥40%粉煤灰1389SH1720%粉煤灰+20%石灰石粉1856SH1820%粉煤灰+20%石灰石粉（石灰石粉内掺7%泥粉）1796SH2750%石灰石粉4419SH2850%石灰石粉（石灰石粉内掺10%泥粉）5004SH200.57P.C32.5水泥20%石灰石粉1871SH2120%石灰石粉（石灰石粉内掺7%泥粉）1827结果表明，用20%石灰石粉等量取代粉煤灰，混凝土电通量有所增加。即掺加石灰石粉对混凝土抗氯离子渗透性能不如掺加粉煤灰，掺加7%的泥粉对电通量测试结果影响不大。石灰石粉掺量达到50%时，混凝土抗氯离子渗透性能明显下降，且石灰石粉中掺加10%的泥粉对电通量也产生一定影响。6.3 对混凝土抗冻融性能的影响混凝土抗冻试验结果见表11。结果表明，SH16和SH17抗冻等级均为F100，即在粉煤灰40%掺量下，用20%石灰石粉等量取代20%粉煤灰，两者混凝土抗冻性能差别不大。SH17和SH18的抗冻等级均为F100，SH20和SH21的抗冻等级均为F50，说明在石灰石粉内掺7%泥粉时，对混凝土的抗冻性能影响不大。SH19和SH22的抗冻等级明显高于SH18和SH21，说明引气仍然是改善石灰石粉混凝土抗冻性能的有效手段。SH27及SH28的最大抗冻次数均为25次，说明大掺量石灰石粉显著降低混凝土的抗冻性能。表11 石灰石粉混凝土抗冻融试验结果编号配合比特征抗冻等级SH16P.O42.5水泥40%粉煤灰F100SH1720%粉煤灰+20%石灰石粉F100SH1820%粉煤灰+20%石灰石粉（石灰石粉掺7%泥粉）F100SH1920%粉煤灰+20%石灰石粉（石灰石粉掺7%泥粉），掺引气剂，含气量（3.0%）F250SH2750%石灰石粉F25SH2850%石灰石粉（石灰石粉掺10%泥粉）F25SH20P.C32.5水泥20%石灰石粉F75SH2120%石灰石粉（石灰石粉掺7%泥粉）F50SH2220%石灰石粉（石灰石粉掺7%泥粉），掺引气剂，含气量（8.0%）F1006.4 对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响石灰石粉混凝土抗硫酸盐侵蚀试验结果见表12。结果表明，SH17的抗压强度耐蚀系数要低于SH16，即在石灰石粉在取代20%粉煤灰的情况下，对混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能有一定的降低作用。对比SH17和SH18的150d标养强度及抗压强度耐蚀系数，发现在石灰石粉中掺加7%泥粉的情况下，对混凝土的长期强度及抗硫酸盐侵蚀能力基本无影响。对比SH18和SH20的150d标养强度及抗压强度耐蚀系数，引气对混凝土的长期强度仍有一定的影响，但可以提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。表中各组混凝土的抗压强度耐蚀系数均高于75%，抗硫酸盐等级均不小于KS120级。表12 石灰石粉混凝土硫酸盐侵蚀试验结果编号配合比特征同龄期标准养护强度（MPa）120次硫酸盐干湿循环后强度（MPa）抗压强度耐蚀系数SH1640%粉煤灰54.251.595%SH1720%粉煤灰+20%石灰石粉48.239.682%SH1820%粉煤灰+20%石灰石粉（石灰石粉掺7%泥粉）48.640.082%SH1920%粉煤灰+20%石灰石粉（石灰石粉掺7%泥粉），掺引气剂，含气量（3.0%）45.441.692%7 结论（1） 石灰石粉对水的吸附性小，表现为需水量比小或具有减水效应；同时它对化学外加剂的吸附小