摘要：该文利用人工砂生产中产生的石灰岩石粉与大理石粉、花岗岩石粉以及粉煤灰作为混凝土掺合料，对各种掺合料拌制的混凝土进行性能比较研究。试验结果表明：石灰岩石粉能提高混凝土拌合物的扩展度、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强度，且后期强度也与粉煤灰混凝土相近，有利于提高混凝土的抗碳化性能，但其混凝土的抗氯离子渗透性能差于粉煤灰混凝土。
关键词：石灰岩石粉，掺合料，强度，抗碳化性能，抗氯离子渗透性能
混凝土是现代土木工程中用量最大、用途最广的一种建筑材料，随着我国水利水电基础设施、交通运输及工业与民用建筑的大力发展，对于混凝土的性能要求越来越高，为了改善混凝土的性能，加入掺合料提高混凝土性能是有效措施之一，国内已有很多关于石粉加入混凝土中作掺合料以改善混凝土性能的研究。
水利工程通常地处边远山区，交通不便，从外地运砂，成本过高，所以必须在当地生产人工砂，既可以降低工程费用，又可以保证砂的品质稳定性，从而取得较好的经济效益和社会效益。在生产人工砂的同时，因为工艺原因，产生较多的多余石粉，这些石粉加入人工砂中，会对人工砂的品质及混凝土性能产生影响。为此，本文开展了人工砂生产中获得的石灰岩石粉作为混凝土掺合料的再利用研究，利用人工砂生产中多余石粉与大理石粉、花岗岩粉以及粉煤灰作为混凝土掺合料，对各种掺合料拌制的混凝土进行性能比较分析，为利用石灰岩石粉的有效提供参考。
1 试验材料及试验方法
1.1 试验材料及性能
试验用水泥为P042.5R硅酸盐水泥， 物理力学性能见表1。
试验用减水剂为萘系FDN—440T缓凝高效减水剂，其各项性能指标如表2所示，品质指标满足GB 8076—2008标准要求。
表1 水泥的物理力学性能
表2 减水剂物理力学性能
石灰岩石粉是从人工砂生产过程中经过水洗后脱水的细小颗粒，为小粒径的石灰岩石粉，烘干并混合均匀，同时筛去其中的块状物，经测定得其密度为2.64g/cm3，比表面积为623m2/kg。大理石、花岗岩取自某石材加工厂，3种石粉及粉煤灰的化学成分分析结果见表3。
表3 各种掺合料的化学成分分析
为了研究石灰岩石粉对混凝土性能的影响及其影响机理，除了将石灰岩石粉和粉煤灰作为掺合料之外，还分别将大理石和花岗岩磨细制成石粉，考虑到目前混凝土中各种掺合料比表面积控制现状，各试样比表面积粉磨至4302/kg左右，不同石粉的粒径分布如表4。
表4 4种掺合料的粒径分布
1.2 试验方法
混凝土拌合与取样、混凝土工作性能及泌水性参考GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行，强度及抗碳化性能实验参考GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》、GBJ 82—85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行，抗氯离子渗透性能参考美国标准ASTMC1202的试验方法进行。
混凝土基准配合比按C30强度等级，控制坍落度140±20mm，混凝土配合比见表5。
表5 混凝土配合比
2 试验结果与分析
2.1 不同掺合料对混凝土拌合物性能的影响
不同掺合料混凝土拌合物的工作性能及泌水率见表6。
表6 不同掺合料混凝土的工作性能及泌水性
由表6可以看出：石灰岩石粉是人工砂生产过程中经过水洗后脱水的细小颗粒，比表面积很高，但相对于粉煤灰混凝土，石灰岩石粉混凝土不仅扩展度高、塌落度大，而且泌水率低，大理石粉与花岗岩粉作掺合料时，混凝土工作性能均差于石灰岩石粉混凝土，但各种掺合料的影响互有差异，其中花岗岩粉效果最差。
2.2 不同掺合料对混凝土抗压强度的影响
以石灰岩石粉混凝土为基准，分别研究了不同掺合料对混凝土抗压强度性能的影响，不同掺合料混凝土的各龄期抗压强度结果如图1。
图1 不同掺合料混凝土的抗压强度
由图1结果可见，不同掺合料混凝土的28d抗压强度均能达到C30。就7d强度而言，石灰岩石粉混凝土强度要高于粉煤灰、石灰岩石粉及花岗岩粉混凝土强度，但比大理石粉混凝土略低；石灰石石粉混凝土7d强度与粉煤灰混凝土相当，而花岗岩粉混凝土的7d强度则较粉煤灰混凝土低。有关研究证明：CaCO3的掺入，可使C3S水化放热速率明显增加，第一放热峰升高，第二峰出现时间提前，水化诱导期则缩短[1]，从而提高了混凝土的早期强度。大理石粉由于其CaCO3含量最高，故其7d强度最高；石灰岩石粉中的CaCO3含量虽不高，但由于其比表面积很高，CaCO3颗粒反应活性大，故其7d强度仅次于大理石粉混凝土；花岗岩粉及粉煤灰由于早期反应活性较低，故其早期强度较低。
就28d强度而言，石灰岩石粉混凝土与粉煤灰混凝土及花岗岩粉混凝土相当，但大理石粉混凝土及人造石粉混凝土后期强度发展缓慢，远低于前3者。对于混凝土后期强度，其高低不仅与水化程度及水化产物种类有关，而且与混凝土结构的致密性有关；粉煤灰混凝土后期强度之所以最高， 与其中含有较多的活性SiO2及Al2O3有关，花岗岩中主要成分也是以SiO2及Al2O3为主，经磨细后也可能有一定水化活性，由于活性SiO2及Al2O3会与Ca(OH)2反应形成水化硅酸钙及铝酸钙，有利于混凝土强度的发展；此外，粉煤灰及花岗岩粉粒径分布较广，也有利于集料在混凝土中的填充，从而有利于混凝土结构的密实，故粉煤灰混凝土及花岗岩粉混凝土后期强度较高；对于石灰岩石粉混凝土，由于石灰岩石粉比表面积很高， 达623m2/kg，颗粒十分细小，这种细小颗粒相对于其它掺合料而言，对混凝土中的空隙具有更好的填充作用，从而使得混凝土结构更为致密，因此，虽然石灰岩石粉中活性SiO2及Al2O3含量较少，但由于结构较为致密，其后期强度仅次于粉煤灰混凝土及花岗岩粉混凝土；对于大理石粉混凝土及石灰岩石粉混凝土，由于其不含有对混凝土后期强度有利的活性SiO2及Al2O3等物质，且比表面积远比石灰岩石粉低，故其后期强度增幅较少。
2.3 不同掺合料对混凝土抗碳化性能的影响
混凝土的碳化过程主要是空气中的CO2与混凝土中的Ca(OH)2， C—S—H等反应生成CaCO3，从而降低了混凝土耐久性。为了研究石灰岩石粉对混凝土抗碳化性能的影响，测定了不同掺合料混凝土28d的抗碳化性能，结果如图2。
图2 不同掺合料对混凝土的抗碳化性能
从图2 中结果可以看出，混凝土28d抗碳化性能优劣顺序为：石灰岩石粉混凝土>大理石粉混凝土>花岗岩粉混凝土>粉煤灰混凝土。混凝土抗碳化性能不仅与混凝土的孔隙率及孔径大小有关，还与混凝土中含有的与CO2反应的成分含量有关。大理石粉主要成分为CaCO3，不会与CO2或Ca(OH)2发生反应，故其抗碳化性能较好；对于石灰岩石粉，虽然其CaCO3含量比大理石粉少，但由于其比表面积很高，颗粒细小，相对于其它掺合料而言，对混凝土中的孔隙具有更好的填充作用，从而使得混凝土结构更为致密，阻隔CO2的传输通道，提高了混凝土的抗碳化性能，因此，石灰岩石粉混凝土抗碳化性能最好。至于粉煤灰及花岗岩粉，由于含有较多活性SiO2、Al2O3，它们会与水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应，消耗了Ca(OH)2，使混凝土的碳化过程缩短，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 不同掺合料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响
不同掺合料对混凝土的抗氯离子渗透性能的影响，结果见图3。
图3 不同掺合料对混凝土的抗氯离子渗透性能
从图3中结果可知， 粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性能最好， 氯离子渗透性“低”， 其次是花岗岩石粉混凝土， 而大理岩石粉混凝土及石灰岩石粉混凝土抗氯离子渗透性能最差， 它们的电通量均在2000—3000 C之间， 属于氯离子渗透性“中等”。
混凝土抗氯离子渗透性能主要与混凝土中的孔隙率及孔径大小有关。粉煤灰混凝土由于其含有较多的活性SiO2及Al2O3，这些活性物质参加了二次水化反应，除使混凝土孔径细化从而阻止氯离子渗透外，还生成较多的水化铝酸盐相及其衍生物，能够结合更多的Cl-[3]，导致其抗氯离子渗透能力远高于其它混凝土。花岗岩粉颗粒分布较广，填充孔隙的作用较好，混凝土致密性较好，且其含有的部分活性SiO2及Al2O3参与了二次水化反应，故其抗氯离子渗透性能较好。石灰岩石粉和大理石粉中含有一定量的CaCO3 ，会与对氯离子有吸附作用的铝酸盐矿物反应[4]，故其抗氯离子渗透能力较差。
3 结论
石灰岩石粉作混凝土掺合料，有利于提高混凝土拌合物的扩展度、塌落度，降低泌水率，从而改善混凝土的工作性能，可提高混凝土的早期强度，且后期强度也与粉煤灰混凝土相近，有利于提高混凝土的抗碳化性能，但作为混凝土掺合料，其混凝土的抗氯离子渗透性能差于粉煤灰混凝土。
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[4]马烨红.石灰石粉作混凝土矿物掺合料的研究[D].广州：华南理工大学，2007.
作者：杨永民1，2，李嘉琳1，尹新龙1（1. 广东省水利水电科学研究院，广东广州；2. 华南理工大学，广东广州）
编辑：金哲
