经专家研究发现,在建设工程中使用石灰石粉混凝土,可以减少水泥的用量,提高混凝土的品质,提升建设工程的质量。石灰石粉作为生产碎石及石屑过程中产生的废料,充当混凝土掺合料,减少污染的同时又能减少资源浪费,促进石灰石资源的高附加值利用,必然成为今后混凝土行业热点和发展趋势。
石灰石粉细度、颗粒级配、反应活性、成分等都直接影响其在混凝土中的使用、配比等,进而影响混凝土的强度、可泵性、防坍塌性等主要性能指标。石灰石粉的质量对混凝土起着举足轻重的作用,因此,要生产优质混凝土用石灰石粉,选择具有优良性能的粉磨装备至关重要。
石灰石粉作为混凝土中的掺合料,是发展绿色混凝土的有效途径。混凝土中掺适量石灰石粉可以改善混凝土结构,增强混凝土和易性,提高低温下混凝土抗硫酸盐侵蚀性,近年来,石灰石粉的研究与开发已逐渐引起了水泥混凝土业界的重视,石灰石粉渗入到混凝土充当掺合料,已成为今后混凝土工业的研究热点和发展趋势。
20世纪30年代以来,混凝土主要以粉煤灰为掺和料,不但减少了水泥用量,而且提高了混凝土的强度,也增强了混凝土的耐久性。然而,近年随着水电建设、工民建等行业的迅猛发展,粉煤灰需求量急速增加,往往是供不应求。在这种情况下,寻求一种容易获取、优质廉价的掺合料势在必行。国内相关研究成果表明,石灰石经机械加工后颗粒小于0.16毫米的微细粉体即石灰石粉,是生产水泥、配制高性能混凝土的理想材料之一。石灰石粉中粒径小于0.045 mm的硅质、钙质颗粒,具有一定强度的水化产物,充填混凝土孔隙,使混凝土的孔隙细化,降低混凝土的孔隙率,改善混凝土的孔隙结构,从而提高混凝土的性能。研究表明,利用15% ~20%的石灰岩、花岗岩及石英岩等石粉配置的混凝土,可提高其抗压强度和抗渗性等。
在混凝土中掺入石灰石粉能提高混凝土的强度,已获得众多从事混凝土研究工作者的认同。普定、岩滩、江垭、汾河二库、白石、黄丹等水电工程中均采用了石粉取代部分细骨料,取得良好的效果。石粉的掺入不仅改善了新拌混凝土的和易性,而且提高了混凝土的强度和抗渗性能。
当前及以后研究趋势主要是石粉掺入量对混凝土抗侵蚀性能的影响。在低温硫酸盐环境下,少量石灰石粉的掺入可改善水泥砂浆的抗侵蚀性能,而掺入较多时反而会加速砂浆的侵蚀破坏过程。
1. 石灰石粉对混凝土工作性能的影响
随着施工技术和高层建筑的发展需要,混凝土的工作性显得至关重要。良好的工作性因操作方便而加快施工进度,改善劳动条件,减小施工噪音,并为高性能混凝土的生产和施工走向全盘机械化、自动化、计算机控制和机器人操作提供可能性。但在混凝土可流动期间,随着时间的增加混凝土的工作性将会降低,这部分损失主要是由硅酸三钙和铝酸三钙的水化引起的,除此之外,由于颗粒表面水化产物的存在而使颗粒之间的相互作用发生改变也是其工作性损失的原因。
初始坍落度基本随石粉掺量的增大而增大,特别是在水泥用量较少的情况下更为明显,这有利于混凝土的泵送施工。随着石灰石粉的掺入,新拌混凝土的坍落度经时损失也明显降低,保水性良好。这对炎热气候条件下混凝土的施工或长距离运输是非常有利的。这是由于石粉取代水泥可补充其间缺少的细颗粒,填充在水泥颗粒间的空隙中,一方面起到“滚珠”的作用,另一方面将填充于水泥空隙中的填充水置换出来,粒子之间的间隔水层加厚,因此,新拌混凝土的流动性增大。石灰石粉具有良好的形态效应和填充效应,表面致密光滑的石灰石粉颗粒分散在水泥粒子之间,起到分散剂的作用,细小的石灰石粉颗粒对水泥水化过程中形成的絮凝结构有着解絮作用。此外,石粉的比重小于水泥的比重,在胶凝材料总量不变的情况下,混凝土的含浆量增加,从而改善了混凝土的和易性,并增加了固体的表面积对你水体积的比例,减少了泌水和离析。在保持混凝土坍落度基本相同的情况下,掺入石粉可减少混凝土用水量,从而降低了胶比,进而影响混凝土的诸多性能。水泥被石粉取代后,其用量降低,加之石粉的活性较低,整个体系的反应速度也随之变缓,因此减少了坍落度的经时损失。
2. 石灰石粉混凝土的特点
2.1 石灰石粉混凝土的水化热和升温
石灰石粉作为一种惰性材料添加在混凝土中能够明显降低混凝土的水化热,从而减少混凝土尤其是大体积混凝土的升温裂痕。此外,石灰石粉在水泥和水混合体系中具有成核作用,能够吸附溶液中的钙离子,在早期促进水化,有利于混凝土的早期强度发展。
2.2 石灰石粉混凝土的强度
不同掺量的石灰石粉对混凝土强度的影响不同。采用石灰石粉等量取代水泥进行对比试验中,随着石灰石粉等量取代水泥量的增加,混凝土强度逐渐下降。且掺量在20%以内时,混凝土的抗压强度下降较少。
石灰石粉与低品质粉煤灰按不同比例复掺时,混凝土强度也不同。如下表所示:
表1石灰石粉与低品质粉煤灰复掺对混凝土强度的影响MPa
组Q-2、Q-3、Q-4为胶材用量相同时不同石粉替代粉煤灰量对混凝土强度的影响。可见,在相同胶凝材料用量时,随着石粉替代粉煤灰量的增加,早期强度并未出现明显变化,而后期强度随着石粉掺量的增加强度增长率略有下降。
3. 石灰石粉对砂浆的影响
石灰石粉掺量对砂浆的影响体现在多方面。包括浆体力学性能、松散堆积密度、需水量、浆体孔隙率、干缩率以及微观结构等。
此外,由高小建等人的试验成果可知,与纯水泥砂浆相比,标准养护28d掺30%石灰石粉砂浆的抗压强度值提高了14%,抗折强度值提高了29%,这一方面是因为砂浆颗粒级配的改变,另一方面则是其晶种作用和化学激发作用使水泥熟料矿物的水化程度得以提高。石灰石粉具有物理紧密填充和化学激活作用,促进了水泥水化并使单硫型水化硫铝酸钙转变为稳定的单碳水化铝酸钙,使掺石灰石粉砂浆的强度较高。在经受短期的低温硫酸盐侵蚀后其强度损失也明显低于纯水泥砂浆。然而,含石灰石骨料的水泥混凝土长期处于低温硫酸盐侵蚀环境中,会发生硅灰石膏型腐蚀破坏。
总之,我国石灰石含量丰富,研究石灰石粉代替粉煤灰有着巨大的经济价值,可以节约资源,降低生产成本,改善产品性能,减少环境污染。
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