石灰石粉对清水混凝土性能的影响研究

陈 东 王 玮 胡 洋

（四川华西绿舍建材有限公司）

0 引言

清水混凝土是一种新型建筑材料，在浇筑成型后，其成型面可以直接作为建筑物的装饰面，不需要进行抹灰或者其他装饰处理[1-2]。清水混凝土不仅可以很好地体现建筑物厚重质朴的美感，而且由于其耐久性要优于普通混凝土，同时还可以省去装饰处理的材料以及人工成本，因此清水混凝土也是一种绿色的建筑材料。随着建筑产业的不断发展，现代建筑的要求也越来越高，除力学性能外，也开始注重对建筑物的耐久性以及美感要求。在此背景下，清水混凝土受到越来越多高质量建筑工程的青睐[3]。

石灰石粉是以石灰石为原料，经粉磨至规定细度的粉状材料，石灰石在我国的储量丰富，分布广，价格低廉[4]。在优质粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料普遍稀缺的背景下，石灰石粉作为水泥混凝土的掺合料已获得较广泛的应用。研究发现，石灰石粉在水泥基材料中主要具有物理填充效应和化学活性效应[5]。因此，掺入石灰石粉会影响混凝土的基本性能。首先，石灰石粉可以改善水泥基材料的流变性能。掺入石灰石粉可降低屈服应力和黏度、提高流动速度。其次，在合理的掺量范围内，石灰石粉可提高水泥基材料的早期强度，但是后期强度增长极为缓慢或者略有降低[6]。

结合以上背景，考虑到建筑材料行业的发展趋势，在不久的将来，石灰石粉将作为掺合料的一种应用于清水混凝土中。因此，本试验主要研究了石灰石粉作为一种矿物掺合料应用于清水混凝土中，讨论了其对清水混凝土工作性能、力学性能以及表观质量三个基本性能的影响，并得到了石灰石粉在清水混凝土中的较优掺量。

1 试验原材料及方法

1.1 原材料

水泥：本试验采用峨胜P.O42.5R 级水泥，其基本物化指标如表1 所示。

表1 水泥基本物化指标

矿物掺合料：试验采用S95 级矿粉、Ⅰ级粉煤灰以及高加密硅灰作为矿物掺合料。

石粉：试验用石灰石粉比表面积493m2/kg，烧失量为41.3%，需水量为93%。

细骨料：人工砂，细度模数为2.8。

粗骨料：5～25mm 连续级配碎石。

外加剂：复合型高效减水剂。

脱模剂：市售水性脱模剂。

1.2 试验配合比设计

试验主要研究石灰石粉内掺替代水泥，掺量分别为0、5、10、15、20、25%时，对清水混凝土的工作性能、力学性能以及表观性能的影响。试验基础配合比设计如表2所示。

表2 清水混凝土基础配合比设计 （kg/m3）

1.3 试验方法

清水混凝土工作性能：按照GB/T50080－2016《普通混凝土拌合物性能实验方法标准》中的要求进行测试；

清水混凝土力学性能：按照GB/T50081－2016《普通混凝土力学性能实验方法标准》中的要求进行测试；

清水混凝土表观性能：参照JGJ 169－2009《清水混凝土应用技术规程》中对清水混凝土要求。试验使用Φ=300mm 的塑料水桶作为成型模具，清水混凝土装模前水桶模具内表面均匀涂覆水性脱模剂，待脱模剂晾干成膜后进行浇筑，并利用振动棒进行振捣成型，两天后将试件脱模，待其表面干燥后观测其表观性能。

2 结果与讨论

2.1 工作性能

为研究石灰石粉对混凝土工作性能的影响，试验选择将石灰石粉按照0%、5%、10%、15%、20%、25%的单掺取代水泥，探究混凝土工作性能的变化，试验结果如表3所示。从表3 可以看到，空白组混凝土的粘聚性和保水性较好，混凝土的拌合物状态基本可以满足清水混凝土的要求。随着石灰石粉对水泥的取代量越来越大，混凝土的坍落度和扩展度逐渐增大，粘聚性和保水性变差。当石灰石粉掺量超过20%后，混凝土拌合物的粘聚性较差，并且出现了轻微泌水的现象，这将不利于清水混凝土浇筑成型后表面质量的控制。此外，在试验中还发现，随着石灰石粉掺量的逐渐增大，新拌混凝土容易出现露石的现象，这说明石灰石粉的掺入会导致混凝土中胶凝材料对粗骨料的包裹性变弱。这同样也会影响清水混凝土的表面质量，导致成型面出现砂斑等表面缺陷。

表3 石灰石粉对清水混凝土工作性能的影响

2.2 力学性能

不同掺量石灰石粉对清水混凝土力学性能的影响如图1 所示。从图1 可以看到，随着石灰石粉对水泥的替代量越来越大，混凝土的7d 强度呈现出先增大后减小的趋势，在石灰石粉掺量为10%时，混凝土的7d 强度达到最大，相比基准组提升了2.9%。与此不同的是，混凝土28d 强度随着石灰石粉掺量的增加而逐渐减小，石灰石粉掺量为25%时，混凝土28d 强度下降了22%。首先，由于石灰石粉的比表面积比水泥颗粒大，颗粒尺寸小于水泥的石灰石粉可以填充在水泥颗粒的中间，使得水化产物更加密实。其次，相关研究已经表明，石灰石粉中的CaCO3能够吸附水泥水化过程中产生的Ca2+离子，充当水化硅酸钙的成核基体，在一定程度上促进水泥水化。因此在一定掺量范围内，石灰石粉可以使混凝土的早期强度得到提高。此外，尽管CaCO3可以与水泥中的铝酸盐反应生成水化碳铝酸钙促进混凝土早期强度的发展[7]，但是该活性作用较弱，因此，石灰石粉替代水泥后会对混凝土的28d 强度造成不利影响，并且呈现出掺量越高，强度下降越明显的趋势。

图1 石灰石粉对清水混凝土强度的影响

2.3 表观性能

加入不同掺量石灰石粉后的清水混凝土脱模后的表观质量如图2 所示。从图中可知，少量的石灰石粉用于清水混凝土中可以减少清水混凝土成型后的表面色差，这主要是因为石粉的颗粒尺寸较水泥更细，适当的石灰石粉可以填充在水泥颗粒的中间改善混凝土的流动性，从而使拌合物混合更加均匀。其次，石粉的颗粒填充作用也可以使水化产物更加密实。以上作用都有利于减少清水混凝土表面色差。此外，由于石灰石粉较水泥或者其它掺合料颜色更浅，因此石灰石粉掺入到混凝土中后还可以使清水混凝土表面颜色变浅，对其表观颜色具有一定的提亮效果。

图2 石灰石粉对清水混凝土表观质量的影响

石灰石粉掺量超过10%以后，随着掺量的增加，清水混凝土表面水纹越来越明显，特别是掺量达到25%时，不仅表面水纹严重，而且还出现了一定面积的砂斑。通过上述可知，石灰石粉掺量过高时，新拌混凝土的流动度变大，拌合物的粘聚性和保水性变差，因此导致清水混凝土表面水纹严重。由于掺入石灰石粉后浆体对骨料的包裹性变差，进而导致清水混凝土表面出现砂斑、色差等表面缺陷。

综上可得，石灰石粉替代水泥用于清水混凝土中，其掺量宜控制在10%以内，这对清水混凝土的表观质量具有一定的增益效果。而掺量超过10%后将会对清水混凝土的表观质量造成劣化影响。

3 结论

通过试验研究主要可以得到以下结论：

⑴掺入石灰石粉后，清水混凝土的坍落度以及扩展度变大，混凝土拌合物的粘聚性和保水性变差，石粉掺量越大，对混凝土工作性的影响作用越明显；

⑵石灰石粉掺量为10%时，混凝土的早期强度会有小幅度的增加，但石灰石粉的掺入会导致混凝土长期强度下降；

⑶10%掺量的石灰石粉可以有效改善清水混凝土表面色差问题，并且对清水混凝土表面颜色具有一定的提亮效果，但是掺量过大会导致清水混凝土表面出现水纹、砂斑等表观质量缺陷。