石灰石粉改性混凝土力学性能及其应用研究
2023-11-10
石灰石粉改性混凝土力学性能及其应用研究
徐智勇，周宇飞
（武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 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学性能，并对其经济性进行了分析。结果表明，用石灰石粉超量取代一定量的水泥和粉煤灰，并适当提高减水剂用量，在工作性能基本相同的情况下，可明显降低水胶比，使混凝土强度达到甚至超过不掺石灰石粉的混凝土，石灰石粉改性混凝土具有良好的经济效益。
关键词：石灰石粉；混凝土；力学性能；应用
1 前言
石灰石屑是采石场破碎石料时产生的副产物，粒径在4.75mm以下，根据标准《建筑用卵石、碎石》中的定义，4.75mm以下颗粒不属于碎石的范围，对这部分石料的应用也成为各采石场的一大难题。目前对石灰石屑的利用方式主要以替代河砂为主，不仅经济效益不明显，而且对混凝土的和易性，尤其是泵送性能十分不利。为提高石灰石屑的利用效率，本文尝试将石灰石屑粉磨成石灰石粉，以矿物掺合料的形式将其用于混凝土中，研究制备石灰石粉改性混凝土，研究结果可为石灰石屑的规模化应用提供有价值的参考。
2 原材料
（1） 水泥：P.O42.5水泥。水泥的物理力学性能见表1。
表1 水泥的物理力学性能 | |||||
凝结时间/min | 抗折强度/MPa | 抗压强度/MPa | |||
初凝 | 终凝 | 3d | 28d | 3d | 28d |
210 | 260 | 6.8 | 9.4 | 27.5 | 54.3 |
（2） 粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，45μm筛余17%，需水量比99%。
（3） 石灰石屑：粒径0~4.75mm，含泥量2.3%。
（4） 石灰石粉：由石灰石屑磨细得到，比表面积为600m2/kg。
（5） 细集料：河砂，细度模数2.7，级配Ⅱ区，含泥量1.8%。
（6） 粗集料：石灰石碎石，5~31.5mm连续级配，含泥量0.8%，压碎指标10%。
（7） 减水剂：萘系减水剂，减水率18%，固含量32.5%。
聚羧酸减水剂，减水率21%，固含量11.0%。
（8） 水：自来水。
3 试验研究与讨论
3.1 石屑的粉磨特性
图1是石灰石屑的粉磨时间和比表面积的关系。由图可见，在粉磨时间不超过30min时，石灰石粉的比表面积随粉磨时间迅速增加，30min时达到600m2/kg左右；继续粉磨至50min时，其比表面积增加不明显，仅达到约650m2/kg。从经济性的角度分析，石灰石粉的比表面积宜控制在600m2/kg左右，继续粉磨对其比表面积并无明显提高。
图2是将4.75mm以下的石灰石屑粉磨6次，每次粉磨30min，石灰石粉的比表面积变化情况。由图可见，在相同的粉磨时间下，石灰石粉的比表面积相差不大，均保持在500~600m2/kg之间，这表明在投料粒径和粉磨时间相同的情况下，石灰石粉具有较稳定的出磨细度，有利于石灰石粉的规模化应用。
3.2 石灰石粉改性混凝土的强度增长规律
为设计掺石灰石粉混凝土的配比，先对掺石灰石粉混凝土强度增长规律进行研究。混凝土坍落度为200 mm。
表2 混凝土配合比/( kg/ m3) | ||||||
水泥 | 粉煤灰 | 石灰石粉 | 水 | 砂 | 石 | 减水剂 |
90 | 150 | 90 | 150 | 800 | 1080 | 6.5 |
表3 混凝土强度增长/ MPa | |||||
龄期/d | 3d | 5d | 7d | 21d | 28d |
抗压强度/MPa | 7.2 | 10.5 | 12.8 | 20.4 | 23.6 |
由表2和表3的数据可知，在低水泥用量下（水泥仅占胶凝材料总量的27.3%），混凝土早期强度较低，但28d强度仍能达到23.6MPa。说明降低水泥用量，掺入部分石灰石粉，同时降低单方用水量，来配制混凝土是可行的，石灰石粉的掺入不会引起混凝土强度严重损失。
3.3 混凝土试配及其强度
为研究石灰石粉对混凝土的改性效果，设计了从C20到C60的混凝土配比进行试配。
配合比见表4。所有强度等级混凝土的坍落度均控制在200±20mm范围内。
表4 石灰石粉混凝土试配方案/( kg/ m3) | |||||||
强度等级 | 石 | 砂 | 水 | 水泥 | 粉煤灰 | 石灰石粉 | 减水剂 |
C20普通 | 1080 | 860 | 180 | 180 | 90 | 0 | 4.6（萘系） |
C20掺石粉 | 150 | 160 | 80 | 60 | 5.4（萘系） | ||
C25普通 | 1070 | 840 | 175 | 220 | 90 | 0 | 5.6（萘系） |
C25掺石粉 | 155 | 200 | 70 | 60 | 6.3（萘系） | ||
C30普通 | 1080 | 800 | 175 | 260 | 90 | 0 | 6.7（萘系） |
C30掺石粉 | 150 | 230 | 75 | 70 | 7.5（萘系） | ||
C35普通 | 1060 | 780 | 175 | 310 | 90 | 0 | 8.0（萘系） |
C35掺石粉 | 150 | 280 | 75 | 70 | 8.9（萘系） | ||
C40普通 | 1090 | 720 | 170 | 360 | 80 | 0 | 9.2（萘系） |
C40掺石粉 | 150 | 320 | 80 | 60 | 10.1（萘系） | ||
C45普通 | 1090 | 700 | 165 | 400 | 70 | 0 | 10.3（萘系） |
C45掺石粉 | 150 | 360 | 65 | 60 | 11.2（萘系） | ||
C50普通 | 1100 | 660 | 165 | 450 | 55 | 0 | 8.6（聚羧酸） |
C50掺石粉 | 150 | 420 | 50 | 50 | 9.4（聚羧酸） | ||
C55普通 | 1120 | 640 | 165 | 470 | 40 | 0 | 9.7（聚羧酸） |
C55掺石粉 | 150 | 430 | 55 | 40 | 10.5（聚羧酸） | ||
C60普通 | 1120 | 630 | 160 | 490 | 40 | 0 | 11.1（聚羧酸） |
C60掺石粉 | 150 | 460 | 50 | 30 | 11.9（聚羧酸） | ||
混凝土强度数据见表5。
表5 试配结果/ MPa | |||
强度等级 | 7d | 28d | 60d |
C20普通 | 18.5 | 24.5 | 28.8 |
C20掺石粉 | 17.2 | 23.7 | 26.5 |
C25普通 | 23.3 | 30.6 | 33.7 |
C25掺石粉 | 22.1 | 28.5 | 31.8 |
C30普通 | 26.2 | 36.4 | 39.8 |
C30掺石粉 | 25.7 | 35.1 | 36.7 |
C35普通 | 32.3 | 41.0 | 44.3 |
C35掺石粉 | 32.8 | 39.6 | 43.4 |
C40普通 | 37.8 | 45.2 | 48.3 |
C40掺石粉 | 38.7 | 47.4 | 49.2 |
C45普通 | 41.2 | 50.1 | 52.2 |
C45掺石粉 | 43.8 | 52.5 | 54.8 |
C50普通 | 48.2 | 56.3 | 58.7 |
C50掺石粉 | 50.5 | 58.2 | 60.1 |
C55普通 | 54.1 | 62.1 | 63.2 |
C55掺石粉 | 57.3 | 64.5 | 65.8 |
C60普通 | 57.2 | 67.2 | 68.9 |
C60掺石粉 | 61.6 | 70.3 | 72.4 |
由表4和表5可见，对于C30以下的中低强度等级混凝土，强度受胶凝材料的活性影响较大，掺入石灰石粉后，混凝土中活性胶凝材料的比例有所降低，各龄期的强度都比不掺石灰石粉的混凝土略有降低。随着混凝土强度等级的提高，水胶比对混凝土强度的影响逐渐增强，C40~C60的混凝土掺入石灰石粉后，各龄期的强度比不掺石灰石粉的混凝土均有所提高。
4 经济效益分析
目前，混凝土各主要原材料的市场价格分别为：水泥320元/t，粉煤灰120元/t，萘系减水剂2100元/t，聚羧酸减水剂3500元/t。
石灰石屑是破碎石料的副产物，其成本可忽略。加工费用包括运输和粉磨费用，经测算约为40元/t。
根据上述资料计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 | |||
混凝土强度等级 | 原材料成本/元 | 节约/元 | 成本降低/% |
C20普通 | 78.04 | 3.50 | 4.48 |
C20掺石粉 | 74.54 | ||
C25普通 | 92.92 | 4.95 | 5.33 |
C25掺石粉 | 87.97 | ||
C30普通 | 107.97 | 6.82 | 6.31 |
C30掺石粉 | 101.15 | ||
C35普通 | 126.80 | 6.66 | 5.25 |
C35掺石粉 | 120.14 | ||
C40普通 | 144.20 | 8.55 | 5.93 |
C40掺石粉 | 135.65 | ||
C45普通 | 158.11 | 9.29 | 5.87 |
C45掺石粉 | 148.83 | ||
C50普通 | 180.65 | 5.49 | 3.04 |
C50掺石粉 | 175.16 | ||
C55普通 | 189.12 | 6.57 | 3.47 |
C55掺石粉 | 182.55 | ||
C60普通 | 200.56 | 4.58 | 2.28 |
C60掺石粉 | 195.98 | ||
由表6可见，混凝土中掺入石灰石粉可明显降低其成本，尤其是混凝土搅拌站产量最大的C25~C45混凝土，成本可降低约5~9元/m3，经济效益十分显著。
5 结论
（1） 从经济性角度分析，石灰石粉的粉磨细度不宜太大，控制在600m2/kg较为适宜。
（2） 用石灰石粉超量取代部分水泥和粉煤灰，并适当提高减水剂用量，可通过降低水胶比的方式补偿混凝土的强度损失，使混凝土强度达到甚至超过不掺石灰石粉的混凝土。
（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约3~9元，具有良好的经济效益。
参考文献：
[1] 崔洪涛. 超磨细石灰石粉掺合料混凝土性能的研究[D]. 重庆大学硕士学位论文. 2004
[2] 杨华山，方坤河 等. 石灰石粉在水泥基材料中的作用及其机理[J]. 混凝土. 2006，（6）：32-35
[3] 李悦，丁庆军，胡曙光. 石灰石矿粉在水泥混凝土中的应用[J]. 武汉理工大学学报. 2007，29（3）：35-37，41
[4] 林鹏，马烨红 等. 石灰石粉在水泥与混凝土中应用的研究进展[J]. 商品混凝土. 2007，（2）：19-21，12
作者简介：徐智勇，男，硕士学历，工程师，武汉海剑工贸有限责任公司总工程师。
