摘要：該文利用人工砂生產中產生的石灰巖石粉與大理石粉、花崗巖石粉以及粉煤灰作為混凝土摻合料，對各種摻合料拌制的混凝土進行性能比較研究。試驗結果表明：石灰巖石粉能提高混凝土拌合物的擴展度、塌落度，降低泌水率，改善混凝土工作性能，可提高混凝土的早期強度，且后期強度也與粉煤灰混凝土相近，有利于提高混凝土的抗碳化性能，但其混凝土的抗氯離子滲透性能差于粉煤灰混凝土。
關鍵詞：石灰巖石粉，摻合料，強度，抗碳化性能，抗氯離子滲透性能
混凝土是現代土木工程中用量最大、用途最廣的一種建筑材料，隨著我國水利水電基礎設施、交通運輸及工業與民用建筑的大力發展，對于混凝土的性能要求越來越高，為了改善混凝土的性能，加入摻合料提高混凝土性能是有效措施之一，國內已有很多關于石粉加入混凝土中作摻合料以改善混凝土性能的研究。
水利工程通常地處邊遠山區，交通不便，從外地運砂，成本過高，所以必須在當地生產人工砂，既可以降低工程費用，又可以保證砂的品質穩定性，從而取得較好的經濟效益和社會效益。在生產人工砂的同時，因為工藝原因，產生較多的多余石粉，這些石粉加入人工砂中，會對人工砂的品質及混凝土性能產生影響。為此，本文開展了人工砂生產中獲得的石灰巖石粉作為混凝土摻合料的再利用研究，利用人工砂生產中多余石粉與大理石粉、花崗巖粉以及粉煤灰作為混凝土摻合料，對各種摻合料拌制的混凝土進行性能比較分析，為利用石灰巖石粉的有效提供參考。
1 試驗材料及試驗方法
1.1 試驗材料及性能
試驗用水泥為P042.5R硅酸鹽水泥， 物理力學性能見表1。
試驗用減水劑為萘系FDN—440T緩凝高效減水劑，其各項性能指標如表2所示，品質指標滿足GB 8076—2008標準要求。
表1 水泥的物理力學性能
表2 減水劑物理力學性能
石灰巖石粉是從人工砂生產過程中經過水洗后脫水的細小顆粒，為小粒徑的石灰巖石粉，烘干并混合均勻，同時篩去其中的塊狀物，經測定得其密度為2.64g/cm3，比表面積為623m2/kg。大理石、花崗巖取自某石材加工廠，3種石粉及粉煤灰的化學成分分析結果見表3。
表3 各種摻合料的化學成分分析
為了研究石灰巖石粉對混凝土性能的影響及其影響機理，除了將石灰巖石粉和粉煤灰作為摻合料之外，還分別將大理石和花崗巖磨細制成石粉，考慮到目前混凝土中各種摻合料比表面積控制現狀，各試樣比表面積粉磨至4302/kg左右，不同石粉的粒徑分布如表4。
表4 4種摻合料的粒徑分布
1.2 試驗方法
混凝土拌合與取樣、混凝土工作性能及泌水性參考GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行，強度及抗碳化性能實驗參考GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》、GBJ 82—85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行，抗氯離子滲透性能參考美國標準ASTMC1202的試驗方法進行。
混凝土基準配合比按C30強度等級，控制坍落度140±20mm，混凝土配合比見表5。
表5 混凝土配合比
2 試驗結果與分析
2.1 不同摻合料對混凝土拌合物性能的影響
不同摻合料混凝土拌合物的工作性能及泌水率見表6。
表6 不同摻合料混凝土的工作性能及泌水性
由表6可以看出：石灰巖石粉是人工砂生產過程中經過水洗后脫水的細小顆粒，比表面積很高，但相對于粉煤灰混凝土，石灰巖石粉混凝土不僅擴展度高、塌落度大，而且泌水率低，大理石粉與花崗巖粉作摻合料時，混凝土工作性能均差于石灰巖石粉混凝土，但各種摻合料的影響互有差異，其中花崗巖粉效果最差。
2.2 不同摻合料對混凝土抗壓強度的影響
以石灰巖石粉混凝土為基準，分別研究了不同摻合料對混凝土抗壓強度性能的影響，不同摻合料混凝土的各齡期抗壓強度結果如圖1。
圖1 不同摻合料混凝土的抗壓強度
由圖1結果可見，不同摻合料混凝土的28d抗壓強度均能達到C30。就7d強度而言，石灰巖石粉混凝土強度要高于粉煤灰、石灰巖石粉及花崗巖粉混凝土強度，但比大理石粉混凝土略低；石灰石石粉混凝土7d強度與粉煤灰混凝土相當，而花崗巖粉混凝土的7d強度則較粉煤灰混凝土低。有關研究證明：CaCO3的摻入，可使C3S水化放熱速率明顯增加，第一放熱峰升高，第二峰出現時間提前，水化誘導期則縮短[1]，從而提高了混凝土的早期強度。大理石粉由于其CaCO3含量最高，故其7d強度最高；石灰巖石粉中的CaCO3含量雖不高，但由于其比表面積很高，CaCO3顆粒反應活性大，故其7d強度僅次于大理石粉混凝土；花崗巖粉及粉煤灰由于早期反應活性較低，故其早期強度較低。
就28d強度而言，石灰巖石粉混凝土與粉煤灰混凝土及花崗巖粉混凝土相當，但大理石粉混凝土及人造石粉混凝土后期強度發展緩慢，遠低于前3者。對于混凝土后期強度，其高低不僅與水化程度及水化產物種類有關，而且與混凝土結構的致密性有關；粉煤灰混凝土后期強度之所以最高， 與其中含有較多的活性SiO2及Al2O3有關，花崗巖中主要成分也是以SiO2及Al2O3為主，經磨細后也可能有一定水化活性，由于活性SiO2及Al2O3會與Ca(OH)2反應形成水化硅酸鈣及鋁酸鈣，有利于混凝土強度的發展；此外，粉煤灰及花崗巖粉粒徑分布較廣，也有利于集料在混凝土中的填充，從而有利于混凝土結構的密實，故粉煤灰混凝土及花崗巖粉混凝土后期強度較高；對于石灰巖石粉混凝土，由于石灰巖石粉比表面積很高， 達623m2/kg，顆粒十分細小，這種細小顆粒相對于其它摻合料而言，對混凝土中的空隙具有更好的填充作用，從而使得混凝土結構更為致密，因此，雖然石灰巖石粉中活性SiO2及Al2O3含量較少，但由于結構較為致密，其后期強度僅次于粉煤灰混凝土及花崗巖粉混凝土；對于大理石粉混凝土及石灰巖石粉混凝土，由于其不含有對混凝土后期強度有利的活性SiO2及Al2O3等物質，且比表面積遠比石灰巖石粉低，故其后期強度增幅較少。
2.3 不同摻合料對混凝土抗碳化性能的影響
混凝土的碳化過程主要是空氣中的CO2與混凝土中的Ca(OH)2， C—S—H等反應生成CaCO3，從而降低了混凝土耐久性。為了研究石灰巖石粉對混凝土抗碳化性能的影響，測定了不同摻合料混凝土28d的抗碳化性能，結果如圖2。
圖2 不同摻合料對混凝土的抗碳化性能
從圖2 中結果可以看出，混凝土28d抗碳化性能優劣順序為：石灰巖石粉混凝土>大理石粉混凝土>花崗巖粉混凝土>粉煤灰混凝土?；炷量固蓟阅懿粌H與混凝土的孔隙率及孔徑大小有關，還與混凝土中含有的與CO2反應的成分含量有關。大理石粉主要成分為CaCO3，不會與CO2或Ca(OH)2發生反應，故其抗碳化性能較好；對于石灰巖石粉，雖然其CaCO3含量比大理石粉少，但由于其比表面積很高，顆粒細小，相對于其它摻合料而言，對混凝土中的孔隙具有更好的填充作用，從而使得混凝土結構更為致密，阻隔CO2的傳輸通道，提高了混凝土的抗碳化性能，因此，石灰巖石粉混凝土抗碳化性能最好。至于粉煤灰及花崗巖粉，由于含有較多活性SiO2、Al2O3，它們會與水化產物Ca(OH)2發生二次水化反應，消耗了Ca(OH)2，使混凝土的碳化過程縮短，碳化深度增加，碳化速度加快， 混凝土的抗碳化性能下降。
2.4 不同摻合料對混凝土抗氯離子滲透性能的影響
不同摻合料對混凝土的抗氯離子滲透性能的影響，結果見圖3。
圖3 不同摻合料對混凝土的抗氯離子滲透性能
從圖3中結果可知， 粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透性能最好， 氯離子滲透性“低”， 其次是花崗巖石粉混凝土， 而大理巖石粉混凝土及石灰巖石粉混凝土抗氯離子滲透性能最差， 它們的電通量均在2000—3000 C之間， 屬于氯離子滲透性“中等”。
混凝土抗氯離子滲透性能主要與混凝土中的孔隙率及孔徑大小有關。粉煤灰混凝土由于其含有較多的活性SiO2及Al2O3，這些活性物質參加了二次水化反應，除使混凝土孔徑細化從而阻止氯離子滲透外，還生成較多的水化鋁酸鹽相及其衍生物，能夠結合更多的Cl-[3]，導致其抗氯離子滲透能力遠高于其它混凝土。花崗巖粉顆粒分布較廣，填充孔隙的作用較好，混凝土致密性較好，且其含有的部分活性SiO2及Al2O3參與了二次水化反應，故其抗氯離子滲透性能較好。石灰巖石粉和大理石粉中含有一定量的CaCO3 ，會與對氯離子有吸附作用的鋁酸鹽礦物反應[4]，故其抗氯離子滲透能力較差。
3 結論
石灰巖石粉作混凝土摻合料，有利于提高混凝土拌合物的擴展度、塌落度，降低泌水率，從而改善混凝土的工作性能，可提高混凝土的早期強度，且后期強度也與粉煤灰混凝土相近，有利于提高混凝土的抗碳化性能，但作為混凝土摻合料，其混凝土的抗氯離子滲透性能差于粉煤灰混凝土。
參考文獻：
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[4]馬燁紅.石灰石粉作混凝土礦物摻合料的研究[D].廣州：華南理工大學，2007.
作者：楊永民1，2，李嘉琳1，尹新龍1（1. 廣東省水利水電科學研究院，廣東廣州；2. 華南理工大學，廣東廣州）
編輯：金哲
