磨細石灰石粉在預(yù)拌混凝土中的研究與應(yīng)用
王如榮 單華鳳 陸建中
［摘要］：本文闡述了摻入磨細石灰石粉多預(yù)拌混凝土性能的影響，以及帶來的經(jīng)濟效益分析。
［關(guān)鍵詞］：石灰石粉
1、 前言
隨著預(yù)拌混凝土產(chǎn)業(yè)及其技術(shù)的發(fā)展，混凝土材料的研究正朝著多元復(fù)合化方向發(fā)展，配制工作性、可泵性號、單方造價低的綠色預(yù)拌混凝土已成為業(yè)界追求目標，一次混凝土組成中第六組分—礦物摻和料的作用在預(yù)拌混凝土行業(yè)倍受重視。在我國，粉煤灰、礦粉等礦物摻和料在預(yù)拌混凝土中已得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)標準亦已制定，而磨細石灰石粉在預(yù)拌混凝土中應(yīng)用幾近空白。在日本、法國等工業(yè)化國家磨細石灰石粉已廣泛應(yīng)用于高流動性預(yù)拌混凝土和高性能噴射混凝土中。
據(jù)相關(guān)文獻報道從1996年-1998年日本研究院（JCJ）指定石灰石粉應(yīng)用技術(shù)委員會整理指定石灰石粉的質(zhì)量標準及應(yīng)用于混凝土中的方法指南，其應(yīng)用原理：一是基于磨細石灰石粉具有的粉體效應(yīng)，使混凝土水泥基材料獲得密實填充結(jié)構(gòu)，在宏觀和微觀各層次使混凝土水泥基材料得到強化，即水泥水化時能進入到水泥水化產(chǎn)生的空隙中，起微集料作用，從而使砼強度有所提升；其次磨細石灰石粉的化學(xué)效應(yīng)，即潛在水硬性，美國在AC1212.1R-81規(guī)程中指出石灰石粉可作為混凝土的礦物外加劑，磨細石灰石粉的加入可以促進C2S的水化，有助于增加混凝土的早期強度，它與鋁酸鹽反應(yīng)生成碳鋁酸鹽代替鈣礬石，降低了膠凝物的需水量。
C3A+3CaSO4+32H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O
C3A+CaCO3+11H2O→3CaO·Al2O3·CaCO3·11H2O
三是由于石灰石粉的親水性，在水泥顆粒水化時，能將使水泥水化時凝聚成團的水泥團打破，將水釋放出來，從而提高砼拌合物的流動性。
試驗以我公司生產(chǎn)C30預(yù)拌混凝土配比為基準，研究分析磨細石灰石粉摻入后對混凝土拌合物性能及強度影響。礦物摻和料以雙摻、三摻為指導(dǎo)原則，充分利用工業(yè)廢渣。
2、 試驗材料
1）水泥：泰州華榮水泥有限公司生產(chǎn)P·O42.5普通硅酸鹽水泥
水泥物理性能（表一）
|
標準稠度% |
密度g/cm3 |
初 凝 |
中 凝 |
安定性 |
抗折強度（MPa） |
抗壓強度（MPa） |
|
28.2 |
3.05 |
2h30min |
3h30min |
合 格 |
3d |
28d |
3d |
28d |
|
4.26 |
7.65 |
21.8 |
51.9 |
2）砂：安徽蕪湖產(chǎn)中砂，細度模數(shù)2.4，表現(xiàn)密度2.66g/cm3,含泥量1.2%
3）碎石：鎮(zhèn)江大港產(chǎn)公稱粒徑5-25mm，壓碎值6.2%，含泥量0.8%
4）水：普通飲用水；
5）粉煤灰：揚州電廠產(chǎn)Ⅱ級灰，0.045mm篩余量14%
6）礦渣微粉：南通恒固產(chǎn)S95級，比表380m2kg
7）外加劑：泰州華港產(chǎn)FDN高效減水劑
泰州瑞安產(chǎn)LS-300高效減水劑
江蘇博特新材料有限公司產(chǎn)JM-10高效減水劑
8）磨細石灰石粉的制備，將5-25mm石灰石碎石風(fēng)干后，用試驗室鍔式破碎機破碎，放入實驗室統(tǒng)一試驗小磨中粉磨，比表525m2/kg，比重2.68g/cm3，CaCO3含量大于90%
3、 試驗程序
1) 試件成型，根據(jù)C30基準配比計算出各組份的質(zhì)量，按順序稱量碎石、砂、水泥、粉煤灰、礦粉、磨細石灰石粉、水、高效減水劑；用HJW60型試驗室混凝土攪拌機，干拌60S，然后將外加劑倒入水中攪拌均勻后，再倒入攪拌機攪拌90S，新拌混凝土從攪拌機中取出后，測定混凝土拌合物工作性能。除基準配比外，通過測定坍落度大小，采用調(diào)整用水量或外加劑摻量的方法以滿足工程施工泵送混凝土常用坍落度控制指標：S=160±10mm要求。試拌坍落度控制指標S=180±20mm，然后將新拌混凝土按標準試塊成型方法，制作150×150×150mm的試塊，測定7d、28d強度
2) 養(yǎng)護：試件成型24h后拆模，放入標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護
3) 測強：到達齡期后，將試塊提前1小時從標準養(yǎng)護室中取出，用WHY-2000C微機控制全自動液壓壓力試驗機測試抗壓強度，加荷速度10kN/s
4、 摻磨細石灰石粉后對混凝土工作性的影響分析
用坍落度測試混凝土拌合物工作性，用初始坍落度表示，以經(jīng)時30min、60min的坍落度損失表示混凝土的工作性損失，同時觀察混凝土拌合物的粘聚性、保水性。
試驗路徑：粉體總量固定，磨細石灰石粉等量取代水泥，高效減水劑按粉體材料總量的質(zhì)量百分比摻入，配比采用統(tǒng)一水粉比和砂率，混凝土配比及坍落度經(jīng)時損失見表二。
三摻（石粉、粉煤灰、礦粉）混凝土配比及工作性試驗結(jié)果(表二)
|
編號 |
粉體材料組成kg/m3 |
水粉比 |
水膠比 |
外加劑（%） |
砂率（%） |
坍落度損失 |
|
水泥 |
石粉 |
煤灰 |
礦粉 |
初始 |
30min |
60min |
|
M1 |
240 |
— |
70 |
50 |
0.47 |
0.47 |
1.6 |
41 |
185 |
176 |
166 |
|
M2 |
195 |
45 |
70 |
50 |
0.47 |
0.51 |
1.6 |
41 |
200 |
191 |
175 |
|
M3 |
190 |
50 |
70 |
50 |
0.47 |
0.52 |
1.6 |
41 |
205 |
195 |
180 |
|
M4 |
185 |
55 |
70 |
50 |
0.47 |
0.53 |
1.6 |
41 |
210 |
198 |
185 |
由表二可知，相對于基準混凝土M1,摻入磨細石灰石粉后混凝土初始坍落度有所提高，初始坍落度隨石粉摻量增大而增大，新拌混凝土經(jīng)時損失1小時后，坍落度均保持在170mm以上，這對于夏季施工及長距離運輸是極為有利的，現(xiàn)場觀察無泌水性現(xiàn)象，粘聚性、保水性良好，而基準混凝土M1存在泌水現(xiàn)象，粘聚性較差。
5、 摻磨細石灰石粉后對混凝土抗壓強度的影響分析
試驗路徑：通過試配調(diào)整調(diào)整確定摻磨細石灰石粉后，在多組分礦物摻和料條件下，混凝土最佳配比，整個試驗共進行了23個批次，制作試塊215組，相關(guān)試驗結(jié)果見表三、表四，其中A1、B1、C1、D1、E1均為每批試驗基準配比。
三摻（石粉、粉煤灰、礦粉）混凝土試驗配比及抗壓強度（表三）
|
編號 |
水 |
水泥 |
砂率 |
粉煤灰 |
礦粉 |
石粉 |
水粉比 |
水膠比 |
外加劑（%） |
S |
R7 |
R28 |
|
A1 |
170 |
220 |
41 |
70 |
70 |
— |
0.47 |
0.47 |
1.5 |
180 |
24.7 |
39.2 |
|
A2 |
170 |
175 |
41 |
70 |
70 |
45 |
0.47 |
0.54 |
1.5 |
200 |
22.9 |
36.9 |
|
A3 |
170 |
165 |
41 |
70 |
70 |
55 |
0.47 |
0.56 |
1.5 |
205 |
21.4 |
34.8 |
|
A4 |
170 |
155 |
41 |
70 |
70 |
65 |
0.47 |
0.58 |
1.5 |
210 |
18.7 |
33.0 |
由表三數(shù)據(jù)可知，當水粉比一定時，隨著石粉取代水泥用量的增加，坍落度增加，單相應(yīng)的7d、28d強度均呈下降趨勢，究其原因：磨細石灰石粉介于活性與惰性之間，它與水化鋁酸鹽反應(yīng)取代蓋礬石生成水化碳鋁酸鹽后，使粉體材料整體需水量降低，雖然水粉比未變，但因水膠比（水灰比）顯著增大，因而強度呈明顯下降趨勢，故滿足強度指標必須對用水量進行調(diào)整。
雙摻或三摻混凝土試驗配比及抗壓強度（表四）
|
編號 |
水（kg） |
水泥（kg） |
砂（kg） |
石（kg） |
礦粉（kg） |
煤灰（kg） |
石粉（kg） |
外加劑（%） |
S(mm) |
R7(MPa) |
R28(MPa) |
|
B1 |
170 |
219 |
782 |
1079 |
70 |
70 |
— |
1.2 |
180 |
24.4 |
41.1 |
|
B2 |
155 |
175 |
782 |
1079 |
70 |
70 |
44 |
1.2 |
170 |
28.1 |
44.6 |
|
B3 |
158 |
245 |
782 |
1079 |
— |
70 |
44 |
1.2 |
175 |
29.4 |
40.4 |
|
C1 |
170 |
220 |
782 |
1089 |
70 |
70 |
— |
1.5 |
190 |
24.3 |
38.1 |
|
C2 |
170 |
220 |
782 |
1089 |
—70 |
70 |
60 |
1.5 |
180 |
22.0 |
34.2 |
|
D1 |
165 |
220 |
782 |
1089 |
70 |
70 |
— |
1.6 |
165 |
31.1 |
46.2 |
|
D2 |
160 |
230 |
782 |
1089 |
70 |
— |
60 |
1.6 |
170 |
32.1 |
46.7 |
|
E1 |
160 |
220 |
782 |
1089 |
70 |
70 |
— |
1.6 |
170 |
28.0 |
40.6 |
|
E2 |
160 |
200 |
790 |
1089 |
50 |
60 |
50 |
1.6 |
180 |
26.0 |
39.2 |
|
F1 |
165 |
240 |
790 |
1090 |
50 |
70 |
— |
1.5 |
185 |
26.0 |
38.1 |
|
F2 |
152 |
195 |
790 |
1090 |
50 |
70 |
45 |
1.6 |
190 |
27.0 |
42.0 |
|
F3 |
155 |
190 |
790 |
1090 |
50 |
70 |
50 |
1.6 |
190 |
27.2 |
42.6 |
|
F4 |
156 |
185 |
790 |
1090 |
50 |
70 |
55 |
1.6 |
180 |
30.1 |
46.3 |
|
F5 |
160 |
200 |
790 |
1090 |
80 |
— |
80 |
1.6 |
180 |
30.1 |
45.1 |
由表四試驗數(shù)據(jù)可知：
（1） 各組混凝土拌合物工作性均滿足試驗設(shè)計要求，通過試驗觀察摻磨細石灰石粉的混凝土拌合物其粘聚性、保水性均優(yōu)于不摻磨細石灰石粉的混凝土拌合物；
（2） 除C組用水量未作調(diào)整外，其余各組7d強度均大于基準配比，28d強度最低值為39.2MPa。大于強度設(shè)計值38.2Mpa，這主要是因為石灰石粉的摻入促進了阿利特的水化，因此摻磨細石灰石粉的混凝土早期強度大于未摻磨細石灰石粉的混凝土；同時，由于磨細石灰石粉的顆粒足夠細，在水泥水化時能進入到水泥水化產(chǎn)物空隙中，起到微集料作用，使硬化混凝土結(jié)構(gòu)更加密實，從而使強度有所提高。（C組試驗結(jié)果與表三試驗結(jié)果一致）
（3） B、D、E、F批次試驗，在三摻法時盡管礦物摻合料總量較大，水泥用量較低，最低水泥用量僅為175kg/m3,仍能滿足C30強度及工作性設(shè)計要求。
（4） B、D、E、F批次試驗中，我們發(fā)現(xiàn)：礦物摻合料以礦粉+石粉組合優(yōu)于粉煤灰+石粉組合，特別是F組增大石粉摻量情況下更為明顯，這可能與礦物摻合料組分間的相互激發(fā)有關(guān)，個中基理尚待進一步研究分析。
根據(jù)C30試驗分析結(jié)論，我們用三摻法同時配制C20、C25、C30、C40、C45共6個強度等級的混凝土進行檢驗，相關(guān)試驗結(jié)果見表五
三摻法（石粉、粉煤灰、礦粉）混凝土試驗配比及抗壓結(jié)果（表五）
|
強度等級 |
粉體材料組成（kg/m3） |
水粉比 |
砂率（%） |
外加劑（%） |
坍落度（mm） |
R7 (MPa) |
R28 (MPa) |
|
水泥 |
石粉 |
煤灰 |
礦粉 |
|
C20 |
145 |
60 |
50 |
65 |
0.49 |
43 |
1.3 |
178 |
17.5 |
34.6 |
|
C25 |
162 |
60 |
53 |
70 |
0.46 |
43 |
1.3 |
175 |
22.1 |
38.4 |
|
C30 |
175 |
55 |
60 |
70 |
0.44 |
42 |
1.6 |
182 |
25.1 |
42.6 |
|
C35 |
225 |
55 |
50 |
65 |
0.43 |
41 |
1.7 |
180 |
28.3 |
43.8 |
|
C40 |
169 |
60 |
60 |
80 |
0.35 |
41 |
1.8 |
190 |
36.8 |
50.1 |
|
C45 |
315 |
70 |
50 |
70 |
0.32 |
41 |
1.9 |
180 |
40.3 |
53.1 |
由表五試驗數(shù)據(jù)可知,在預(yù)拌混凝土中摻入磨細石灰石粉，能夠滿足混凝土工作性及強度要求，實驗觀察無離析泌水現(xiàn)象，粘聚性、保水性良好。該試驗成果我們已應(yīng)用于市農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)某辦公樓混凝土工程，可泵性較未摻磨細石灰石粉的好。
6、 經(jīng)濟效益分析
根據(jù)試驗結(jié)果，用磨細石灰石粉等量替代水泥采用雙摻或三摻法拌制砼時，摻量在44-60kg/m3之間能滿足混凝土工作性及強度等級要求，以每立方混凝土取代水泥用量50Kg計算，生產(chǎn)磨細細石灰石粉造價約為90元/噸，而P·O42.5水泥目前泰州市場價為300元/噸，單方混凝土造價降低300×50÷1000－90×50÷1000=10.5元，一個年產(chǎn)80萬方混凝土攪拌站如有60%的混凝土中摻入磨細石灰石粉將降低成本近500萬元。
7、 結(jié)論與體會
（1） 磨細石灰石粉摻入后能顯著改善新拌混凝土和易性，降低坍損，降低混凝土水化升溫，改善混凝土施工性能，泵送性能良好。
（2） 磨細石灰石粉具有微集料效應(yīng)，能夠促進C、S的水化，提高混凝土早期抗壓強度，其摻量為粉體量的10～15%。
（3） 摻入磨細石灰石粉后單方混凝土用水量需作調(diào)整，約為石粉摻量的10～15%。
（4） 磨細石灰石粉比表必須大于500m2/kg才能起到微集料作用。
（5） 經(jīng)濟效益良好，社會效益顯著，有利節(jié)能環(huán)保，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。
參考文獻資料
1 馮浩 朱清江《混凝土外加劑工程應(yīng)用手冊》中國建筑工業(yè)出版社，2007
2 陳建奎 《混凝土外加劑原理與應(yīng)用》中國計劃出版社，2004
3 丁大鈞《高性能混凝土及其在工程中的應(yīng)用》機械工藝出版社，2007
4 李悅 丁慶軍《石灰石粉在水泥混凝土中的應(yīng)用》武漢理工大學(xué)學(xué)報，2007.3
5 涂成厚《石灰石粉的應(yīng)用》國外建材科技，1999.12 |
