摘要：該文利用人工砂生產(chǎn)中產(chǎn)生的石灰?guī)r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(duì)各種摻合料拌制的混凝土進(jìn)行性能比較研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：石灰?guī)r石粉能提高混凝土拌合物的擴(kuò)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(qiáng)度，且后期強(qiáng)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(guān)鍵詞：石灰?guī)r石粉，摻合料，強(qiáng)度，抗碳化性能，抗氯離子滲透性能
混凝土是現(xiàn)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(guó)水利水電基礎(chǔ)設(shè)施、交通運(yùn)輸及工業(yè)與民用建筑的大力發(fā)展，對(duì)于混凝土的性能要求越來(lái)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(guó)內(nèi)已有很多關(guān)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(yuǎn)山區(qū)，交通不便，從外地運(yùn)砂，成本過(guò)高，所以必須在當(dāng)?shù)厣a(chǎn)人工砂，既可以降低工程費(fèi)用，又可以保證砂的品質(zhì)穩(wěn)定性，從而取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在生產(chǎn)人工砂的同時(shí)，因?yàn)楣に囋颍a(chǎn)生較多的多余石粉，這些石粉加入人工砂中，會(huì)對(duì)人工砂的品質(zhì)及混凝土性能產(chǎn)生影響。為此，本文開(kāi)展了人工砂生產(chǎn)中獲得的石灰?guī)r石粉作為混凝土摻合料的再利用研究，利用人工砂生產(chǎn)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(duì)各種摻合料拌制的混凝土進(jìn)行性能比較分析，為利用石灰?guī)r石粉的有效提供參考。
1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法
1.1 試驗(yàn)材料及性能
試驗(yàn)用水泥為P042.5R硅酸鹽水泥， 物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。
試驗(yàn)用減水劑為萘系FDN—440T緩凝高效減水劑，其各項(xiàng)性能指標(biāo)如表2所示，品質(zhì)指標(biāo)滿(mǎn)足GB 8076—2008標(biāo)準(zhǔn)要求。
表1 水泥的物理力學(xué)性能
表2 減水劑物理力學(xué)性能
石灰?guī)r石粉是從人工砂生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)水洗后脫水的細(xì)小顆粒，為小粒徑的石灰?guī)r石粉，烘干并混合均勻，同時(shí)篩去其中的塊狀物，經(jīng)測(cè)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(chǎng)，3種石粉及粉煤灰的化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 各種摻合料的化學(xué)成分分析
為了研究石灰?guī)r石粉對(duì)混凝土性能的影響及其影響機(jī)理，除了將石灰?guī)r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(xì)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(xiàn)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(yàn)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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，強(qiáng)度及抗碳化性能實(shí)驗(yàn)參考GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GBJ 82—85《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，抗氯離子滲透性能參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTMC1202的試驗(yàn)方法進(jìn)行。
混凝土基準(zhǔn)配合比按C30強(qiáng)度等級(jí)，控制坍落度140±20mm，混凝土配合比見(jiàn)表5。
表5 混凝土配合比
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 不同摻合料對(duì)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(jiàn)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?guī)r石粉是人工砂生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)水洗后脫水的細(xì)小顆粒，比表面積很高，但相對(duì)于粉煤灰混凝土，石灰?guī)r石粉混凝土不僅擴(kuò)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(shí)，混凝土工作性能均差于石灰?guī)r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(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響
以石灰?guī)r石粉混凝土為基準(zhǔn)，分別研究了不同摻合料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度性能的影響，不同摻合料混凝土的各齡期抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖1。
圖1 不同摻合料混凝土的抗壓強(qiáng)度
由圖1結(jié)果可見(jiàn)，不同摻合料混凝土的28d抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到C30。就7d強(qiáng)度而言，石灰?guī)r石粉混凝土強(qiáng)度要高于粉煤灰、石灰?guī)r石粉及花崗巖粉混凝土強(qiáng)度，但比大理石粉混凝土略低；石灰石石粉混凝土7d強(qiáng)度與粉煤灰混凝土相當(dāng)，而花崗巖粉混凝土的7d強(qiáng)度則較粉煤灰混凝土低。有關(guān)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(xiàn)時(shí)間提前，水化誘導(dǎo)期則縮短[1]，從而提高了混凝土的早期強(qiáng)度。大理石粉由于其CaCO3含量最高，故其7d強(qiáng)度最高；石灰?guī)r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(yīng)活性大，故其7d強(qiáng)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(yīng)活性較低，故其早期強(qiáng)度較低。
就28d強(qiáng)度而言，石灰?guī)r石粉混凝土與粉煤灰混凝土及花崗巖粉混凝土相當(dāng)，但大理石粉混凝土及人造石粉混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展緩慢，遠(yuǎn)低于前3者。對(duì)于混凝土后期強(qiáng)度，其高低不僅與水化程度及水化產(chǎn)物種類(lèi)有關(guān)，而且與混凝土結(jié)構(gòu)的致密性有關(guān)；粉煤灰混凝土后期強(qiáng)度之所以最高， 與其中含有較多的活性SiO2及Al2O3有關(guān)，花崗巖中主要成分也是以SiO2及Al2O3為主，經(jīng)磨細(xì)后也可能有一定水化活性，由于活性SiO2及Al2O3會(huì)與Ca(OH)2反應(yīng)形成水化硅酸鈣及鋁酸鈣，有利于混凝土強(qiáng)度的發(fā)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(jié)構(gòu)的密實(shí)，故粉煤灰混凝土及花崗巖粉混凝土后期強(qiáng)度較高；對(duì)于石灰?guī)r石粉混凝土，由于石灰?guī)r石粉比表面積很高， 達(dá)623m2/kg，顆粒十分細(xì)小，這種細(xì)小顆粒相對(duì)于其它摻合料而言，對(duì)混凝土中的空隙具有更好的填充作用，從而使得混凝土結(jié)構(gòu)更為致密，因此，雖然石灰?guī)r石粉中活性SiO2及Al2O3含量較少，但由于結(jié)構(gòu)較為致密，其后期強(qiáng)度僅次于粉煤灰混凝土及花崗巖粉混凝土；對(duì)于大理石粉混凝土及石灰?guī)r石粉混凝土，由于其不含有對(duì)混凝土后期強(qiáng)度有利的活性SiO2及Al2O3等物質(zhì)，且比表面積遠(yuǎn)比石灰?guī)r石粉低，故其后期強(qiáng)度增幅較少。
2.3 不同摻合料對(duì)混凝土抗碳化性能的影響
混凝土的碳化過(guò)程主要是空氣中的CO2與混凝土中的Ca(OH)2， C—S—H等反應(yīng)生成CaCO3，從而降低了混凝土耐久性。為了研究石灰?guī)r石粉對(duì)混凝土抗碳化性能的影響，測(cè)定了不同摻合料混凝土28d的抗碳化性能，結(jié)果如圖2。
圖2 不同摻合料對(duì)混凝土的抗碳化性能
從圖2 中結(jié)果可以看出，混凝土28d抗碳化性能優(yōu)劣順序?yàn)椋菏規(guī)r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。混凝土抗碳化性能不僅與混凝土的孔隙率及孔徑大小有關(guān)，還與混凝土中含有的與CO2反應(yīng)的成分含量有關(guān)。大理石粉主要成分為CaCO3，不會(huì)與CO2或Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，故其抗碳化性能較好；對(duì)于石灰?guī)r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(xì)小，相對(duì)于其它摻合料而言，對(duì)混凝土中的孔隙具有更好的填充作用，從而使得混凝土結(jié)構(gòu)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?guī)r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(huì)與水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，消耗了Ca(OH)2，使混凝土的碳化過(guò)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(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響
不同摻合料對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 不同摻合料對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性能
從圖3中結(jié)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?guī)r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(guān)。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(zhì)參加了二次水化反應(yīng)，除使混凝土孔徑細(xì)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(jié)合更多的Cl-[3]，導(dǎo)致其抗氯離子滲透能力遠(yuǎn)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(yīng)，故其抗氯離子滲透性能較好。石灰?guī)r石粉和大理石粉中含有一定量的CaCO3 ，會(huì)與對(duì)氯離子有吸附作用的鋁酸鹽礦物反應(yīng)[4]，故其抗氯離子滲透能力較差。
3 結(jié)論
石灰?guī)r石粉作混凝土摻合料，有利于提高混凝土拌合物的擴(kuò)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(qiáng)度，且后期強(qiáng)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(xiàn)：
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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(xué)研究院，廣東廣州；2. 華南理工大學(xué)，廣東廣州）
編輯：金哲
