石灰石粉对混凝土性能影响的试验研究

梅松奇，范 进

(南京理工大学 理学院，江苏 南京 210094)

目前，混凝土作为最重要的建筑材料，在房屋建筑和公路建设中的需求量均巨大。中国的石灰石矿产资源丰富、价格低廉，是一种重要的用于混凝土生产的材料。石灰石粉作为石灰石生产加工中的副产品，若对其处理不当，不仅造成资源的浪费，还会引发环境污染。如何在混凝土生产中掺入石灰石粉已成为混凝土研究的重要课题。

对于石灰石粉在混凝土中的应用，一些学者做了大量研究，得出许多值得借鉴的结论。武会强[1]将石灰石粉用于自密实混凝土中，研究其对砂浆强度、流动性及孔结构的影响。马烨红[2]等人研究了部分水泥被石灰石粉取代后混凝土的工作性能。在混凝土中掺加适量的石灰石粉，可以使混凝土的泌水率降低，且坍落度损失也随之降低。曹鹏飞[3]等人发现，石灰石粉取代水泥5%～15%时能明显提高混凝土的早期强度、保水性和粘聚性。黄汉洋[4]等人指出，石灰石粉具有很好的孔隙填充作用，能够降低混凝土的干燥收缩，对混凝土抗冻十分有利。Tsivilis[5]等人的研究结果表明：石灰石粉在掺量为5%～15%时会降低混凝土的抗渗透性，提高混凝土抗冻性能。邓德华[6]等人开展了在常温下水泥胶砂试件中掺入石灰石粉抗硫酸盐侵蚀的试验。试验结果表明：在砂浆或混凝土中掺入石灰石粉，在温度不高时会生成石膏，硫酸盐环境会导致混凝土体积膨胀和开裂，使其抗压性能降低。

石灰石粉的相关研究集中于结构混凝土，鲜有道路混凝土方面的应用研究。水泥混凝土路面作为中国主要的路面结构形式，应用极为广泛。道路混凝土需具备良好的抵抗干湿、冻融循环作用的能力。若将石灰石粉应用于道路混凝土中，对提高水泥路面的耐久性和抗冻性有利，对于其在道路混凝土的推广应用具有重要意义。作者拟通过石灰石粉对混凝土多项性能的一系列试验研究，掌握其对混凝土的影响规律，为进一步研究和应用提供科学依据。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料性能

水泥为P.O42.5级普通硅酸盐水泥，其物理性能指标见表1。粗骨料选用5～25 mm连续级配碎石，压碎指标5%，含泥量0.44%，针片状含量3.6%，表观密度1.83 g/cm3。细骨料为细度模数2.6的中砂，级配良好，含泥量1.9%，堆积密度1.475 g/cm3，表观密度2.550 g/cm3。石灰石粉性能指标：细度12%，45 μm筛余量16.30%，比表面积10.3 m2/g，表观密度2.56 g/cm3，烧失量4.97%。外加剂使用PCA聚羧酸系高性能减水剂，减水率26.7%，含气量2.3%；水采用自来水。

表1 水泥物理性能Table 1 Physical properties of the cement

1.2 配合比设计

本试验采用C35混凝土的配合比，石灰石粉掺量为0%,5%,10%,15%和20%。按相关规范要求，制备混凝土试件，混凝土配合比设计见表2。每组制备3个试件，并在标准条件下养护。

表2 混凝土配合比设计Table 2 Mix proportion design of the concrete

2 混凝土强度试验

2.1 石灰石粉对混凝土抗压强度的影响

依据《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T50081-2002)》[7]，探究不同石灰石粉掺量对不同龄期混凝土抗压强度的影响。采用混凝土强度试验测量混凝土试件立方体抗压强度，本试验中采用不同掺量的石灰石粉等量取代水泥，研究掺量对混凝土3,7,28和56 d抗压强度的影响。石灰石粉掺量为0%,5%,10%,15%和20%，测量各组试件的立方体抗压强度，试验结果如图1所示。

图1 混凝土抗压强度随石灰石粉掺量的变化Fig.1 The change of compression strength with content of lime stone powder)

从图1中可以看出，石灰石粉掺量对混凝土的抗压强度有着直接的影响。石灰石粉对混凝土早期强度的增长有利。石灰石粉掺量由0%增加至10%的过程中，混凝土的3 d抗压强度由25.6 MPa增加至35.7 MPa，混凝土的7 d抗压强度由32.2 MPa提高到45.0 MPa。但石灰石粉掺量超过10%后，混凝土的3 d和7 d抗压强度增幅很小。混凝土的28 d抗压强度与56 d抗压强度变化规律一致。随着石灰石粉掺量的增加，混凝土的抗压强度呈现单峰变化规律。石灰石粉掺量由0%增加至10%的过程中，混凝土的强度得到了提高。其28 d抗压强度由37.9 MPa增加至52.9 MPa，增幅达39.6%；其56 d抗压强度也增加了14%。但石灰石粉掺量超过10%再继续增加时，混凝土的抗压强度则开始下降。其28 d抗压强度由52.9 MPa减小至37.5 MPa；其56 d抗压强度由56.9 MPa减小至46.2 MPa。

从表1中可以看出，石灰石粉的细度比水泥的小。当石灰石粉掺量较低时，起到一定的填充骨架作用，有利于提高混凝土的密实度，改善级配的同时加速了早期水化，提高了混凝土早期抗压强度；但如果石灰石粉掺量过多，则导致参与水化反应的水泥量减少，也使得混凝土级配不合理，减弱了骨架的作用，混凝土的强度会有所降低。因此，石灰石粉取代水泥量在约10%时，对混凝土早期强度的提高较明显，其28 d和56 d抗压强度也最高。表明：从抗压强度方面考虑，石灰石粉的掺量约10%为最佳。

2.2 石灰石粉对混凝土抗折强度的影响

抗折强度是水泥混凝土路面的重要设计指标，本试验采用不同掺量的石灰石粉替代水泥，研究石灰石粉掺量对混凝土抗折强度的影响。试验结果见表3。

表3 混凝土抗折强度Table 3 Rupture strength of the concrete

从表3中可以看出，随着石灰石粉掺量的增加，混凝土的抗折强度略有增加后开始不断下降。石灰石掺量为5%时，混凝土的抗折强度最高；石灰石掺量为10%时，混凝土的抗折强度无明显变化；石灰石掺量超过10%后，混凝土的抗折强度不断降低。对于混凝土这种抗拉性能弱的脆性材料，加入了石灰石粉后，由于石粉的颗粒较细，起到了填充孔隙、改善其配比及降低孔隙率的作用，从而提高了混凝土的抗折强度。但是掺入了过多的石灰石粉后，则会削弱界面的粘结性，进而降低混凝土的抗折强度。因此，掺量小的石灰石粉不会明显改善混凝土的抗折强度，而掺量大的石灰石粉则对混凝土的抗折强度不利。

3 混凝土抗冻试验

混凝土的抗冻性是混凝土在饱和水的情况下能够接受的冻融循环的极限能力，可反映混凝土抵抗环境水浸入和抵抗冰晶压力的能力，是混凝土耐久性的一项重要指标。水泥路面对混凝土的抗冻性要求更高[8]。本次抗冻试验根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 50082-2009)》[9]进行快速冻融循环试验，试件龄期为28 d，以混凝土的质量损失和相对动弹性模量作为评价指标，分析石灰石粉掺量对混凝土抗冻性的影响。

3.1 混凝土的质量损失

造成混凝土试件质量损失的原因是混凝土在冻融循环过程中的表面剥落。在冻融循环过程中，混凝土的质量损失越大，抗冻性能越差。在试验过程中，冻融循环每进行25次测量一次试件的质量，最后，计算试件的质量损失。试验结果如图2所示。

图2 质量损失随冻融次数的变化Fig.2 The change of mass loss with freeze-thaw cycles

从图2中可以看出，混凝土的质量损失随冻融循环次数的增加逐渐增加。石灰石粉掺量为5%和10%时，混凝土的质量损失随冻融次数的变化曲线位于标准试件以下，表明质量损失相对较少，它的抗冻性能提高了。石灰石粉掺量为5%时的混凝土抗冻性最好。混凝土的抗冻性能与其内部孔结构有着密切的关系。在较小的石灰石粉掺量范围内，混凝土的抗冻性能得到了提高。其原因是：石灰石粉具有较好的填充作用，使得硬化后的混凝土孔结构发生改变，混凝土内部更为密实，结构更加稳定。但当石灰石粉掺量增加到15%和20%时，混凝土的质量损失随冻融次数的变化曲线位于标准试件以上，其质量损失的增加比标准试件的大得多。表明：该石灰石粉掺量下混凝土的抗冻性能明显降低。石灰石粉掺量为20%时，抗冻性能是最差的。可见，石灰石粉掺量较大对混凝土的抗冻性是有害的。

3.2 混凝土动弹性模量的变化

采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 50082-2009)》中的共振法进行动弹性模量测量。将不同冻融次数下的动弹性模量与混凝土试件的初始动弹性模量的比值作为相对动弹性模量。不同石灰石粉掺量的混凝土相对动弹性模量随冻融次数的变化如图3所示。

图3 相对动弹性模量随冻融次数的变化Fig.3 The change of relative elastic dynamic modulus with freeze-thaw cycles

从图3中可以看出，石灰石粉掺量对混凝土的相对动弹性模量有影响。随着冻融次数的增加，石灰石粉各掺量试件的相对动弹性模量均逐渐降低。石灰石粉掺量为0%,5%和10%试件的相对动弹性模量的变化幅度较小，石灰石粉掺量为5%的降低幅度最小，石灰石粉掺量为10%试件的降低幅度略小于标准试件的。三者冻融循环200次后，混凝土的相对动弹性模量仍能保持93%以上。而石灰石掺量为15%和20%时，试件的相对动弹性模量的降低幅度较大。石灰石粉掺量为20%的试件在冻融循环200次后，其相对动弹性模量仅为87.40%。从动弹性模量变化来看，其抗冻性能最差。因此，石灰石粉的加入改善了混凝土的密实性。在石灰石粉掺量小的情况下，提高了混凝土的抗冻性，较大石灰石粉掺量(超过10%)对混凝土的抗冻性是有害的。

4 混凝土工作性和耐磨性试验

4.1 对混凝土工作性的影响

混凝土质量在很大程度上取决于其工作性，同时，优良的工作性能可加快施工进度、改善作业条件[10]。本试验测定了不同石灰石粉掺量混凝土的坍落度，以探究其对混凝土工作性的影响，试验结果见表4。

从表4中可以看出，没有掺加石灰石粉的混凝土拌合物坍落度初值为160 mm，而掺加5%,10%,15%和20%石灰石粉时，坍落度的增幅分别为15.6%,30.6%,37.5%和40.6%。可见，坍落度的增幅随着石灰石粉掺量的增加而减小。即当石灰石粉掺量达到一定值时，坍落度随着石灰石粉掺量增加的幅度不明显。同时，观察混凝土的粘聚性和保水性发现：随着石灰石粉掺量的增加，混凝土的质量没有明显的改善；且随着石灰石粉取代水泥掺量的增加，混凝土的质量有变差的趋势。表明：在一定的范围内，掺入石灰石粉可以改善混凝土的工作性能。但随着石灰石粉掺量的增加，对混凝土的工作性能改善作用不明显。

表4 坍落度随石灰石粉掺量的变化Table 4 The change of slump with the content of limestone powder

石灰石粉提高了混凝土拌合物的坍落度，增加了其流动性，其原因是石灰石粉密度小、比表面积大、表面光滑，能在水泥浆中均匀地分布，有助于混凝土流动性的增加，改善了混凝土的和易性。随着石灰石粉掺量的增加，混凝土的流动性不再明显增加，其原因是随着石灰石粉掺量的增加，导致包括其所需用水量的增加，从而降低了混凝土拌合物的流变性，影响其工作性能的提高。

4.2 对混凝土耐磨性的影响

对于路面材料而言，其耐磨性也是使用性能的一个重要方面。按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程(JTGE30-2005)》测试耐磨性，研究石灰石粉掺量对混凝土耐磨性的影响。混凝土在养护28 d后进行耐磨性测试，试验结果如图4所示。

从图4中可以看出，随着石灰石粉掺量的增加，混凝土耐磨性先增加后减小。表明：掺入适量的石灰石粉有利于混凝土耐磨性能的提高。耐磨性在石灰石粉掺量为10%时最好；石灰石粉掺量高于15%后，耐磨性有劣化趋势。表明：最佳石灰石粉掺量宜为10%，且不要超过15%。石灰石粉本身表面致密、耐磨性较好，掺入混凝土后，充分发挥了微集料填充和微晶核效应[8]，改善了混凝土孔结构。其磨耗值高于同龄期下普通混凝土的。石灰石粉掺量较大时，会导致混凝土级配变化。混凝土表面构造细化不利于耐磨性的提高。

图4 石灰石粉对混凝土耐磨性的影响Fig.4 Effect of limestone powder on the abrasion resistance)

5 结论

将石灰石粉掺入混凝土用于水泥路面的施工，研究石灰石粉掺量为0%,5%,10%,15%和20%的混凝土分别对混凝土的强度、抗冻耐久性及工作性等性能的影响。通过对试验结果的分析，得出的结论为：

1) 石灰石粉的细度比水泥的小。当石灰石粉掺量较低时，起到一定的填充骨架作用，有利于提高混凝土的密实度；但如果石灰石粉掺量过多，则导致参与水化反应的水泥量减少，混凝土的强度有所下降。

2) 混凝土的抗压强度随着石灰石粉掺量呈现单峰变化规律。石灰石粉对混凝土早期强度的增长有利。石灰石粉取代水泥量在约10%时，混凝土的28 d和56 d抗压强度最高。石灰石粉掺量小时，不会明显改善混凝土的抗折强度；而石灰石粉掺量大时，则对混凝土的抗折强度不利。石灰石粉掺量在强度方面以约10%为最佳。

3) 合理的石灰石粉掺量能有效地提高混凝土的抗冻性能。综合混凝土的质量损失和相对动弹性模量指标来分析抗冻性能。石灰石粉取代水泥量为5%～10%时，其抗冻性能得到提高，具有良好的抗冻耐久性。

4) 掺入石灰石粉可以增加混凝土的流动性，改善混凝土的工作性能。但随着石灰石粉掺量的增加，对工作性能的提高作用不明显。掺入适量的石灰石粉有利于混凝土耐磨性的提高。从工作性和耐磨性角度考虑，最佳石灰石粉掺量宜为10%，且不宜超过15%。

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