技術 | 石灰石粉在混凝土中的應用現狀

石灰石粉在混凝土中的應用現狀

趙凱月1，董振平2，張金團1，許勝才1

（1 賀州學院，賀州 542800；2 西安建築科技大學，西安，710055）

摘要：

石灰石粉於20世紀90年代由日本首次應用於混凝土，隨後因其優異的力學效能和更合理的經濟效果蓬勃發展。目前，石灰石粉混凝土在道路、橋樑、水工混凝土等實際工程中擁有廣闊應用前景。本文主要綜述了石灰石粉混凝土基本工作效能和力學效能，並對其幹縮效能、抗碳化效能、抗氯離子侵蝕效能、抗凍效能和抗硫酸鹽侵蝕等耐久效能研究進行了相關介紹。最後，結合目前石灰石粉混凝土研究現狀，進一步提出了其研究方向。

關鍵詞：

石灰石粉混凝土；工作效能；力學效能；耐久效能

引言

隨著混凝土行業越來越多地使用礦渣和粉煤灰，其需求量越來越大，而我國粉煤灰和礦渣資源分佈不均勻，部分地區甚至出現脫銷現象。我國石灰石資源分佈廣泛，且其價格低廉、易於粉磨、運輸方便。將石灰石粉（以下簡稱石粉）作為礦物摻合料取代水泥應用於混凝土可以彌補粉煤灰供應的不足，具有良好的應用前景。

目前石粉在混凝土中的摻加方式基本分為兩種：一是石粉部分取代細骨料，即機制砂中石粉含量相對較高；二是石粉作為混凝土的礦物摻合料部分取代水泥［1］。石粉的不同摻加方式、不同摻量以及不同細度對混凝土效能的影響不盡相同，在參考其它文獻時應注意其研究條件。

一般認為，石粉在水泥基材料中的作用可歸結為加速效應、活性效應和顆粒形貌效應。加速效應是指石粉顆粒可以作為水化矽酸鈣的成核基體，降低成核位壘，加速水泥水化。活性效應是指石粉並非完全惰性，其後期和水泥中的鋁相反應生成具有一定膠凝能力的三碳水化鋁酸鈣和單碳水化鋁酸鈣。顆粒形貌效應包括形態效應和填充效應，其中形態效應是指光滑緻密的石粉顆粒分散在水泥顆粒之間，能改善水化初期水泥的絮凝狀態從而改善混凝土效能；填充效應是指細度更小的石粉顆粒填充在水泥顆粒之間，使基體更為緻密［2］。石粉的這些效應對混凝土的孔隙率和孔結構都會產生影響，進而影響了混凝土的強度和耐久性。研究石粉的基本效能，石粉對混凝土各方面效能的影響，在混凝土中如何有效地利用石粉對實現混凝土行業的可持續發展有重要意義。

目前，石粉混凝土因其優異的力學效能及合理的經濟效果，且在工程應用的廣闊前景，已成為國內外研究熱點［3-11］。

1 石粉對於混凝土工作效能的影響

1.1 石粉摻入方式對混凝土工作效能的影響

郭育霞［12］等研究發現石粉對混凝土工作效能的影響與其摻入方式有關，石粉外摻的情況下，混凝土坍落度隨石粉摻量增加而減小，而其黏聚性、保水性和泌水情況則得到明顯改善；石粉內摻的情況下，混凝土坍落度隨石粉摻量增加而變大，其黏聚性、保水性和泌水情況則沒有明顯改善，陳劍雄［13］等人取得了相似結論。對此作者解釋外摻時石粉表面積遠高於砂子，因此隨石粉摻量增加，必然導致包裹石粉所需要的用水量增加，但其摻入增加了漿體的黏性；內摻的情況下，由於石粉顆粒小於水泥顆粒尺寸，填充了水泥顆粒之間的空隙，使顆粒間空隙減小，自由水含量增加，坍落度增大，但其密度和水泥無明顯差異，體系的含漿量無明顯變化。

周永祥［14］等研究卻發現，石粉有一定的減水作用，但在相同初始坍落度的情況下，石粉（以下未特意說明的石粉摻入方式均為內摻）混凝土的坍落度損失較大，石粉中含泥量增加時將進一步加速混凝土坍落度經時損失，粉煤灰則對混凝土具有較好的保坍作用。楊柳、宋少民［15］將石粉和粉煤灰複合摻入混凝土中則發現，在石粉和粉煤灰總摻量為膠凝材料的50%時，隨石粉摻量比例增加，混凝土坍落度經時損失明顯減少，對比分析文獻［14］可以發現，石粉和粉煤灰復摻可明顯改善單摻石粉時混凝土坍落度的經時損失。文獻［16］得到了相似的結論，石粉和粉煤灰復摻可改善混凝土和易性，增大混凝土流動度，減少坍落度和擴充套件度損失，並且可稍微提高含氣量。

1.2石粉細度對混凝土工作效能的影響

袁航［17］等人研究發現石粉細度對混凝土工作效能有一定影響，且坍落度隨著所摻石粉細度的減小而增大。出現這種情況可以從兩方面分析，一是石粉活性相比水泥熟料要弱得多，石粉部分取代水泥後，初期參與水化的水泥熟料減小，水膠比增大，坍落度增大；二是細度更小的石粉填充效應更好，體系自由水含量相對更多。

蔡基偉［18］研究了石粉對泵送混凝土的工作效能影響，發現石粉一方面可增加水泥漿體含量提高流動性，另一方面石粉的潤滑作用可以減少砂與砂之間的摩擦，改善混凝土的和易性。南峰［19］等人在研究石粉對自密實泵送混凝土效能影響時發現，相同水灰比下，單摻石粉比單摻粉煤灰的混凝土流動性和黏聚性要好，適量摻入細度較小的石粉可以明顯改善自密實泵送混凝土的流動性、保水性和抗離析性。

總結目前研究結論，普遍認為石粉對混凝土工作效能的影響在於提高其流動性。對於低強混凝土而言，主要是減小其離析、泌水現象。對於高強混凝土而言，主要是降低其黏性。由於石粉能夠提高混凝土的流動性，對於膠凝材料用量較多的自密實混凝土，將石粉作為礦物摻合料加以應用將是其研究方向之一。

2 石粉對於混凝土力學效能的影響

2.1 石粉摻入方式對混凝土力學效能的影響

曹鵬飛等人［20］分別研究了單摻等量的石粉或者粉煤灰的混凝土強度，二者28d強度相差並不大，但是摻石粉的混凝土抗拉強度和彈性模量皆有一定下降。張迪［21］在研究時發現，單摻石粉的混凝土後期抗壓強度降低，且低於單摻粉煤灰的混凝土抗壓強度，這可能與石粉的活性較差，對混凝土後期強度增長有限有關。陳劍雄［13］在研究石粉和鈦礦渣復摻時得到的最優摻量是石粉10%、鈦礦渣20%，此時混凝土的抗壓強度高於基準混凝土；而在保證混凝土各項效能的前提下，石粉和鈦礦渣取代矽灰和礦渣粉的比例甚至可達40%。Shams MA［22］等研究發現石粉和粉煤灰復摻、石粉和粒化高爐礦渣復摻往往比單摻粉煤灰或者粒化高爐礦渣得到更高的混凝土後期強度。周雲虎［23］用石粉替代25%的粉煤灰摻入混凝土發現，二者復摻能夠保證混凝土的抗壓強度和劈拉強度。

朱柯［24］研究了石粉摻量為0%、15%和30%的條件下混凝土的3d、7d和28d抗壓強度，發現在三個齡期條件下，混凝土抗壓強度均明顯降低，當石粉摻量為15時，其3d抗壓強度損失並不明顯，28d齡期時仍能保持較好的抗壓強度，作者透過掃描電鏡分析出現這種原因是因為石粉的加入在水化後期會引起混凝土內部鈣礬石的增加而導致混凝土抗壓強度降低。這與文獻［20］認為適當的摻加石粉可以增加混凝土強度的結論不同，原因可能有兩方面，一是石粉對普通混凝土和輕骨料混凝土增益效果的區別；二是石粉的不同摻加方式，內摻和外摻會影響其作用機理。高矗［25］以天然浮石作為粗骨料，透過內摻0%、10%、20%、30%和40%質量分數的石粉替代水泥製作浮石混凝土，研究發現內摻10%的石粉可以顯著提高混凝土抗壓強度，這一強度提高關係與混凝土的養護齡期有關係，即隨齡期增長抗壓強度先增加後降低。

2.2石粉細度對混凝土力學效能的影響

陳劍雄［13］等人研究摻加超細石粉的高強混凝土時發現，混凝土抗折強度隨著石粉摻量增加而明顯提高，石粉對混凝土抗折強度的影響大於對其抗壓強度的影響。而V。Bonavetti等人［26］卻得出了與之相反的結論，他們發現隨石粉摻量增加，混凝土強度下降，作者認為出現這種現象是因為石粉是一種低活性材料。文獻［17］針對不同細度的石粉進行混凝土試驗，證明石粉粒徑越細，對混凝土力學效能的益化作用越大，文獻［21］取得相似的結論，在一定摻量範圍內，石粉對混凝土有微弱的增強作用，當石粉磨得更細時，增強作用更明顯，對此可以解釋文獻［13］和［26］得到的不同結論。熊遠柱［27］將511m2/kg、619m2/kg和779m2/kg三種不同比表面積的石粉以不同摻量分別摻入混凝土中，發現當石粉比表面積達到779m2/kg，摻量為10%時，摻加石粉的混凝土強度明顯增加。在S。Takami［28］的文章中提到，用比表面積和水泥接近的石粉等量替代水泥，混凝土抗壓強度隨石粉摻量增加而降低；在水泥用量不變的情況下，混凝土抗壓強度隨石粉摻量增加而提高。

將石粉外摻替代砂子配製輕骨料混凝土，張通等人［29］發現輕骨料混凝土隨石粉取代砂含量的增加，其抗壓強度和劈拉強度呈現先增加後降低的趨勢，最優石粉摻量均為30%；石粉取代砂後，輕骨料混凝土後期強度仍有較大增長空間，在其120d時的強度已經超過了普通混凝土，石粉對輕骨料混凝土後期強度有貢獻。對此作者解釋石粉的活性與其粒徑大小有關，較細的石粉可以填充混凝土內部空隙，使輕骨料混凝土強度提高，這與文獻［17］中對普通混凝土得到的結論是一致的，不論是輕骨料混凝土還是普通混凝土，石粉作用的發揮均與其細度有關，細度越小，其填充效果越好，對強度益化效果越顯著。

總結目前研究結論，關於石粉對混凝土力學效能的影響尚未達成統一認識。有的研究者認為石粉的摻入能提高混凝土強度，這是由於其“顆粒形貌效應”和“微集料效應”的發揮。也有研究者認為石粉替代水泥時會降低混凝土強度，這是由於石粉的活性很低，隨替代水泥量增加，水泥含量減小。石粉對混凝土力學強度影響結果不同主要體現在石粉細度不同、石粉摻量不同、石粉摻加方式不同和比較齡期不同。而石粉與其它礦物摻合料復摻往往會彌補強度損失，石粉和其它礦物摻合料復摻加入混凝土將是重要研究方向之一。

3 石粉對於混凝土耐久效能的影響

3.1石粉對混凝土幹縮效能的影響

劉春［30］等人將15%的稻殼灰和適量石粉摻入混凝土，發現混凝土乾燥收縮得到有效控制，且隨石粉摻量增加，乾燥收縮值不斷增大，石粉的摻量不宜超過25%，對此作者透過分析砂漿保水性解釋，雙摻稻殼灰和石粉可以有效提高砂漿保水性，這是由於稻殼灰的內孔隙結構可以起到內養護作用，適量石粉可以發揮其“微集料填充效應”改善混凝土內部結構，從而阻礙水分內部流通，而摻入過量的石粉則會相對降低水泥用量，較少的水化產物難以激稻殼灰的活性，劣化了混凝土孔結構。袁航［17］等人發現石粉細度對混凝土幹縮效能有顯著影響，石粉細度越小，混凝土乾燥收縮值越小，這是由於石粉細度減小，其拌制的混凝土孔隙率減小，小孔含量越低，文獻［31］取得了與之相似的結論。劉牧天［32］等人分別研究了石粉對普通混凝土和高強混凝土的收縮效能影響，發現對普通強度混凝土而言，摻入石粉的混凝土乾燥收縮值小於同等強度的純水泥混凝土，對於高強混凝土而言，摻入石粉的混凝土的自生收縮變小，且石粉摻量越大，自生收縮越小。

3.2石粉對混凝土抗碳化效能的影響

周永祥［14］等人研究發現，雙摻石粉和粉煤灰，當二者摻量均為20%時，混凝土抗碳化能力與單摻40%粉煤灰的混凝土基本相當，並且石粉中內摻泥粉對混凝土抗碳化能力影響不大。文獻［16］發現石粉對混凝土抗碳化能力的影響與石粉摻量、混凝土養護齡期和養護條件有關，隨石粉摻量增加，混凝土抗碳化能力降低；標準養護齡期的增加可以減小混凝土碳化深度；室外灑水養護的混凝土抗碳化能力優於室內標準養護的混凝土，文獻［33］取得了類似結論，並發現隨石粉比表面積增大，混凝土抗碳化能力增強，這是由於對於比表面積大的石粉，適量替代石粉可以提高混凝土密實度，與水化產物中鹼性物質含量減小相抵消。韓方暉［34］等人研究結果顯示單摻鋼渣或者復摻石粉與鋼渣均會降低混凝土抗碳化能力，其中復摻鋼渣和石粉的混凝土不利影響相對較小。

3.3石粉對混凝土抗氯離子滲透效能的影響

文俊強［35］等研究表明單摻石粉混凝土抗氯離子滲透效能與養護齡期有關，混凝土抗氯離子滲透效能隨養護齡期的增長得到提高，並且石粉和粉煤灰復摻可以提高混凝土抗氯離子滲透效能。石粉的摻入完全能滿足一般抗滲要求的混凝土工程［16］，S。 Tsivilis［36］等人得到了相似的結論，石粉摻入可以提高混凝土抗水滲透效能力，但降低了混凝土抗氯離子滲透性。周永祥［14］等人研究了大摻量石粉或者石粉和粉煤灰雙摻時混凝土抗氯離子滲透性情況，發現石粉摻量低於20%時對混凝土抗氯離子滲透效能影響不大，而石粉摻量達到50%時，混凝土抗氯離子滲透效能顯著降低。

3.4石粉對混凝土抗凍效能的影響

孔祥之［37］研究表明，養護28d的石粉混凝土抗凍性可以滿足大壩內部碾壓混凝土的耐久性設計要求。周永祥［14］研究發現單摻40%粉煤灰和復摻20%粉煤灰、20%石粉，混凝土抗凍性差別不大，大摻量的石粉（50%）會顯著降低混凝土抗凍效能。而何智海［38］在研究石粉單摻以及和粉煤灰復摻加入混凝土時則發現，石粉無論單摻還是和粉煤灰復摻，均對混凝土抗凍性不利，石粉細度對混凝土抗凍性影響不大。文俊強［35］等研究表明凍融迴圈次數較少時，石粉對混凝土抗凍性影響不大，但是隨凍融迴圈次數增加，含石粉混凝土抗凍性降低，粉煤灰復摻入石粉混凝土則能改善這一情況。謝慧東［16］等人得到了不同的結論，石粉分別取代粉煤灰0%、20%、40%、60%、80%和100%，混凝土總體抗凍性得到提高，全部滿足F100抗凍等級要求，對此作者解釋是石粉的摻入可以稍微提高混凝土的含氣量。王稷良［39］等的研究表明了石粉對普通混凝土和高強混凝土抗凍性影響有所差距，對普通混凝土而言，石粉明顯降低了低強度機制砂混凝土的抗凍性，而對高強度機制砂混凝土抗凍性影響則相對較小。霍俊芳［40］等人研究了粉煤灰、矽粉和石粉復摻的情況混凝土抗凍性，發現當粉煤灰摻量5%，矽粉摻量10%，石粉摻量在5%~10%時，混凝土抗凍性高於基準混凝土。李林峰［41］的研究結果表明，單摻石粉摻量適宜時，混凝土抗凍性不會明顯降低，甚至高於基準混凝土。

3.5石粉對混凝土抗硫酸鹽侵蝕效能的影響

鄧德華［42］等人研究表明，在硫酸鹽環境中，石粉的摻入會導致水泥基材料強度急劇下降，且材料本身產生較大膨脹，對此作者解釋，摻加石粉的水泥基材料主要因行成較大尺寸的石膏晶體而膨脹開裂。高小建［43］等研究了摻30%石粉的砂漿在低溫環境中的硫酸鹽侵蝕破壞情況，並分析了不同侵蝕時間下的試件表層礦物成分變化，根據其力學效能來評價其抗硫酸鹽侵蝕效能，得出結論，在短期低溫硫酸鹽侵蝕作用下，石粉的摻入使水泥水化產物中的單硫型水化硫鋁酸鈣轉變為穩定的單碳水化鋁酸鈣，水泥石的結構變得更加緊密，此時石粉砂漿試塊比純水泥砂漿試塊表現出更好的耐腐蝕性；在長期低溫硫酸鹽侵蝕作用下，摻石粉的水泥砂漿試塊侵蝕產物除了有石膏和鈣礬石外，還有少量的矽灰石膏生成，說明水泥石的主要強度組分C-S-H凝膠體也遭到破壞。文獻［44-52］得出了同樣的結論，石灰石粉對水泥石在低溫（<15°C）條件下抗硫酸侵蝕有不利作用。

石粉對混凝土的耐久效能指標影響不一。總體來說，足夠細度的石粉可以降低混凝土收縮，提高其抗碳化能力。石粉對混凝土抗氯離子滲透性的影響研究結果並不一致有的學者認為會降低混凝土抗氯離子滲透性，有的學者認為石粉會提高混凝土抗氯離子滲透性或者影響不大，但石粉和粉煤灰和礦渣等礦物摻合料復摻肯定能提高抗氯離子滲透效能。石粉對混凝土抗凍性的影響結論也不統一，大多數學者認為石粉的摻入對混凝土抗凍性有積極作用，但也有部分學者認為石粉對混凝土抗凍性不利。石粉在短期低溫硫酸鹽侵蝕環境下，對水泥基材料抵抗硫酸鹽侵蝕破壞有積極作用，但在長期低溫環境作用下，石粉對水泥基材料抵抗硫酸鹽侵蝕不利。

4 結語

（1）由於石粉能夠提高混凝土的流動性，對於膠凝材料用量較多的自密實混凝土，採用石粉作為其礦物摻合料是自密實混凝土研究方向之一。

（2）石粉可以作為混凝土礦物摻合料的一個品種，以彌補礦渣和粉煤灰的供應不足。

（3）石粉在硫酸鹽環境中發生碳硫鈣石腐蝕應該高度重視，慎重使用。

（4）石粉在應用時可以和其它礦物摻合料復摻，充分發揮不同礦物摻合料的協同效應。

（5）石粉具有減水效應，同時它對化學外加劑的吸附小，石粉混凝土在摻有外加劑時其流動度大大增加，這是石粉與其它岩石粉相比重要特性之一，也是石粉應用於混凝土具有技術和經濟上優勢的主要原因。

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