石灰石粉改性混凝土力學性能及其應用研究
2023-11-10
石灰石粉改性混凝土力學性能及其應用研究
徐智勇，周宇飛
（武漢三源特種建材有限責任公司，湖北 武漢 430000）
摘 要：研究了石灰石屑的粉磨特性，以及石灰石粉改性混凝土的力學性能，并對其經濟性進行了分析。結果表明，用石灰石粉超量取代一定量的水泥和粉煤灰，并適當提高減水劑用量，在工作性能基本相同的情況下，可明顯降低水膠比，使混凝土強度達到甚至超過不摻石灰石粉的混凝土，石灰石粉改性混凝土具有良好的經濟效益。
關鍵詞：石灰石粉；混凝土；力學性能；應用
1 前言
石灰石屑是采石場破碎石料時產生的副產物，粒徑在4.75mm以下，根據標準《建筑用卵石、碎石》中的定義，4.75mm以下顆粒不屬于碎石的范圍，對這部分石料的應用也成為各采石場的一大難題。目前對石灰石屑的利用方式主要以替代河砂為主，不僅經濟效益不明顯，而且對混凝土的和易性，尤其是泵送性能十分不利。為提高石灰石屑的利用效率，本文嘗試將石灰石屑粉磨成石灰石粉，以礦物摻合料的形式將其用于混凝土中，研究制備石灰石粉改性混凝土，研究結果可為石灰石屑的規模化應用提供有價值的參考。
2 原材料
（1） 水泥：P.O42.5水泥。水泥的物理力學性能見表1。
表1 水泥的物理力學性能 | |||||
凝結時間/min | 抗折強度/MPa | 抗壓強度/MPa | |||
初凝 | 終凝 | 3d | 28d | 3d | 28d |
210 | 260 | 6.8 | 9.4 | 27.5 | 54.3 |
（2） 粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，45μm篩余17%，需水量比99%。
（3） 石灰石屑：粒徑0~4.75mm，含泥量2.3%。
（4） 石灰石粉：由石灰石屑磨細得到，比表面積為600m2/kg。
（5） 細集料：河砂，細度模數2.7，級配Ⅱ區，含泥量1.8%。
（6） 粗集料：石灰石碎石，5~31.5mm連續級配，含泥量0.8%，壓碎指標10%。
（7） 減水劑：萘系減水劑，減水率18%，固含量32.5%。
聚羧酸減水劑，減水率21%，固含量11.0%。
（8） 水：自來水。
3 試驗研究與討論
3.1 石屑的粉磨特性
圖1是石灰石屑的粉磨時間和比表面積的關系。由圖可見，在粉磨時間不超過30min時，石灰石粉的比表面積隨粉磨時間迅速增加，30min時達到600m2/kg左右；繼續粉磨至50min時，其比表面積增加不明顯，僅達到約650m2/kg。從經濟性的角度分析，石灰石粉的比表面積宜控制在600m2/kg左右，繼續粉磨對其比表面積并無明顯提高。
圖2是將4.75mm以下的石灰石屑粉磨6次，每次粉磨30min，石灰石粉的比表面積變化情況。由圖可見，在相同的粉磨時間下，石灰石粉的比表面積相差不大，均保持在500~600m2/kg之間，這表明在投料粒徑和粉磨時間相同的情況下，石灰石粉具有較穩定的出磨細度，有利于石灰石粉的規模化應用。
3.2 石灰石粉改性混凝土的強度增長規律
為設計摻石灰石粉混凝土的配比，先對摻石灰石粉混凝土強度增長規律進行研究。混凝土坍落度為200 mm。
表2 混凝土配合比/( kg/ m3) | ||||||
水泥 | 粉煤灰 | 石灰石粉 | 水 | 砂 | 石 | 減水劑 |
90 | 150 | 90 | 150 | 800 | 1080 | 6.5 |
表3 混凝土強度增長/ MPa | |||||
齡期/d | 3d | 5d | 7d | 21d | 28d |
抗壓強度/MPa | 7.2 | 10.5 | 12.8 | 20.4 | 23.6 |
由表2和表3的數據可知，在低水泥用量下（水泥僅占膠凝材料總量的27.3%），混凝土早期強度較低，但28d強度仍能達到23.6MPa。說明降低水泥用量，摻入部分石灰石粉，同時降低單方用水量，來配制混凝土是可行的，石灰石粉的摻入不會引起混凝土強度嚴重損失。
3.3 混凝土試配及其強度
為研究石灰石粉對混凝土的改性效果，設計了從C20到C60的混凝土配比進行試配。
配合比見表4。所有強度等級混凝土的坍落度均控制在200±20mm范圍內。
表4 石灰石粉混凝土試配方案/( kg/ m3) | |||||||
強度等級 | 石 | 砂 | 水 | 水泥 | 粉煤灰 | 石灰石粉 | 減水劑 |
C20普通 | 1080 | 860 | 180 | 180 | 90 | 0 | 4.6（萘系） |
C20摻石粉 | 150 | 160 | 80 | 60 | 5.4（萘系） | ||
C25普通 | 1070 | 840 | 175 | 220 | 90 | 0 | 5.6（萘系） |
C25摻石粉 | 155 | 200 | 70 | 60 | 6.3（萘系） | ||
C30普通 | 1080 | 800 | 175 | 260 | 90 | 0 | 6.7（萘系） |
C30摻石粉 | 150 | 230 | 75 | 70 | 7.5（萘系） | ||
C35普通 | 1060 | 780 | 175 | 310 | 90 | 0 | 8.0（萘系） |
C35摻石粉 | 150 | 280 | 75 | 70 | 8.9（萘系） | ||
C40普通 | 1090 | 720 | 170 | 360 | 80 | 0 | 9.2（萘系） |
C40摻石粉 | 150 | 320 | 80 | 60 | 10.1（萘系） | ||
C45普通 | 1090 | 700 | 165 | 400 | 70 | 0 | 10.3（萘系） |
C45摻石粉 | 150 | 360 | 65 | 60 | 11.2（萘系） | ||
C50普通 | 1100 | 660 | 165 | 450 | 55 | 0 | 8.6（聚羧酸） |
C50摻石粉 | 150 | 420 | 50 | 50 | 9.4（聚羧酸） | ||
C55普通 | 1120 | 640 | 165 | 470 | 40 | 0 | 9.7（聚羧酸） |
C55摻石粉 | 150 | 430 | 55 | 40 | 10.5（聚羧酸） | ||
C60普通 | 1120 | 630 | 160 | 490 | 40 | 0 | 11.1（聚羧酸） |
C60摻石粉 | 150 | 460 | 50 | 30 | 11.9（聚羧酸） | ||
混凝土強度數據見表5。
表5 試配結果/ MPa | |||
強度等級 | 7d | 28d | 60d |
C20普通 | 18.5 | 24.5 | 28.8 |
C20摻石粉 | 17.2 | 23.7 | 26.5 |
C25普通 | 23.3 | 30.6 | 33.7 |
C25摻石粉 | 22.1 | 28.5 | 31.8 |
C30普通 | 26.2 | 36.4 | 39.8 |
C30摻石粉 | 25.7 | 35.1 | 36.7 |
C35普通 | 32.3 | 41.0 | 44.3 |
C35摻石粉 | 32.8 | 39.6 | 43.4 |
C40普通 | 37.8 | 45.2 | 48.3 |
C40摻石粉 | 38.7 | 47.4 | 49.2 |
C45普通 | 41.2 | 50.1 | 52.2 |
C45摻石粉 | 43.8 | 52.5 | 54.8 |
C50普通 | 48.2 | 56.3 | 58.7 |
C50摻石粉 | 50.5 | 58.2 | 60.1 |
C55普通 | 54.1 | 62.1 | 63.2 |
C55摻石粉 | 57.3 | 64.5 | 65.8 |
C60普通 | 57.2 | 67.2 | 68.9 |
C60摻石粉 | 61.6 | 70.3 | 72.4 |
由表4和表5可見，對于C30以下的中低強度等級混凝土，強度受膠凝材料的活性影響較大，摻入石灰石粉后，混凝土中活性膠凝材料的比例有所降低，各齡期的強度都比不摻石灰石粉的混凝土略有降低。隨著混凝土強度等級的提高，水膠比對混凝土強度的影響逐漸增強，C40~C60的混凝土摻入石灰石粉后，各齡期的強度比不摻石灰石粉的混凝土均有所提高。
4 經濟效益分析
目前，混凝土各主要原材料的市場價格分別為：水泥320元/t，粉煤灰120元/t，萘系減水劑2100元/t，聚羧酸減水劑3500元/t。
石灰石屑是破碎石料的副產物，其成本可忽略。加工費用包括運輸和粉磨費用，經測算約為40元/t。
根據上述資料計算得到普通混凝土和石灰石粉改性混凝土的成本（不包括砂石），列于表6。
表6 石灰石粉改性混凝土成本分析 | |||
混凝土強度等級 | 原材料成本/元 | 節約/元 | 成本降低/% |
C20普通 | 78.04 | 3.50 | 4.48 |
C20摻石粉 | 74.54 | ||
C25普通 | 92.92 | 4.95 | 5.33 |
C25摻石粉 | 87.97 | ||
C30普通 | 107.97 | 6.82 | 6.31 |
C30摻石粉 | 101.15 | ||
C35普通 | 126.80 | 6.66 | 5.25 |
C35摻石粉 | 120.14 | ||
C40普通 | 144.20 | 8.55 | 5.93 |
C40摻石粉 | 135.65 | ||
C45普通 | 158.11 | 9.29 | 5.87 |
C45摻石粉 | 148.83 | ||
C50普通 | 180.65 | 5.49 | 3.04 |
C50摻石粉 | 175.16 | ||
C55普通 | 189.12 | 6.57 | 3.47 |
C55摻石粉 | 182.55 | ||
C60普通 | 200.56 | 4.58 | 2.28 |
C60摻石粉 | 195.98 | ||
由表6可見，混凝土中摻入石灰石粉可明顯降低其成本，尤其是混凝土攪拌站產量最大的C25~C45混凝土，成本可降低約5~9元/m3，經濟效益十分顯著。
5 結論
（1） 從經濟性角度分析，石灰石粉的粉磨細度不宜太大，控制在600m2/kg較為適宜。
（2） 用石灰石粉超量取代部分水泥和粉煤灰，并適當提高減水劑用量，可通過降低水膠比的方式補償混凝土的強度損失，使混凝土強度達到甚至超過不摻石灰石粉的混凝土。
（3） 石灰石粉改性混凝土比普通混凝土的原材料成本可降低約3~9元，具有良好的經濟效益。
參考文獻：
[1] 崔洪濤. 超磨細石灰石粉摻合料混凝土性能的研究[D]. 重慶大學碩士學位論文. 2004
[2] 楊華山，方坤河 等. 石灰石粉在水泥基材料中的作用及其機理[J]. 混凝土. 2006，（6）：32-35
[3] 李悅，丁慶軍，胡曙光. 石灰石礦粉在水泥混凝土中的應用[J]. 武漢理工大學學報. 2007，29（3）：35-37，41
[4] 林鵬，馬燁紅 等. 石灰石粉在水泥與混凝土中應用的研究進展[J]. 商品混凝土. 2007，（2）：19-21，12
作者簡介：徐智勇，男，碩士學歷，工程師，武漢海劍工貿有限責任公司總工程師。
