石灰石粉复合掺合料在混凝土中的试验研究

姚源，刘玮雯等

摘要：本文研究了石灰石粉—煤矸石粉—粉煤灰复合掺合料的基本性能、不同掺量复合掺合料对外加剂的适应性和对混凝土的性能的影响。结果表明：复合掺合料细度与Ⅱ级粉煤灰相当，活性较高；复合掺合料与外加剂适应性一般，代替粉煤灰掺量大于40%后流动度下降明显且经时损失较大，完全替代时1h经时损失超过30%；掺入磷酸三钠后，经时损失有所下降，掺入葡萄糖酸钠后，随复合掺合料掺量增加，流动度基本不变，经时损失得到明显改善。随着掺合料掺量增加，复合掺合料混凝土坍落度与扩展度先升后降，掺量大于60%的混凝土坍落度与扩展度低于初始值。掺复合掺合料混凝土强度并未出现明显的变化，3d、7d强度相比未掺前略有增强。

关键词：石灰石粉；复合掺合料；强度；流动度

0引言

近年来，随着我国经济建设速度的进一步加快，水泥的需求量也在不断上升，对环境的破坏力度也在逐年增加。为了减少水泥的消耗量和减轻因水泥生产造成的能源消耗和环境污染，混凝土中掺合料的掺量越来越大。然而，矿渣、粉煤灰等常用的混凝土掺合料面临着资源紧缺、价格上涨和分布不均的窘境，需寻找新型混凝土掺合料来缓解传统掺合料短缺的问题。本课题针对石灰石粉—煤矸石粉—粉煤灰三元复合掺合料应用于混凝土的效果进行研究，通过试验研究复合掺合料基本性能、流动性和与外加剂适应性、以及复合掺合料替代粉煤灰后对混凝土物理力学性能影响的规律，确定复合掺合料最佳替代量。

1试验

1.1试验原料

1.1.1水泥采用冀东水泥厂生产的P·O42.5水泥，其性能指标见表1。

1.1.2粉煤灰粉煤灰采用大唐盛龙发电厂生产的Ⅱ级灰，其性能如表2。

1.1.3矿粉矿粉采用立之林公司生产的S95级矿粉。

表1水泥的物理性能

表2粉煤灰的物理性能

1.1.4集料粗集料采用来自周至的5～31.5mm连续级配的卵石，细集料采用产自周至的旱砂，细度模数1.8，级配合格。

1.1.5减水剂高效减水剂选用自产外加剂，含固量11.6%，减水率26%。

1.1.6复合掺合料本试验所用的复合掺合料由粉煤灰、煤矸石和石灰石粉复配而成。复合掺合料的细度为17.9%，与Ⅱ级粉煤灰细度相当；需水量比为103%，同时期单掺粉煤灰试样的需水量比为99%；复合掺合料的7d和28d活性指数分别为68%和74%。

1.1.7水试验采用清洁的民用自来水。

1.2试验方法及试样制备

1.2.1复合掺合料基本性能检测

（1）掺合料细度试验依照GB/T1345—2005《水泥细度检验方法筛析法》的方法对复合掺合料细度进行检测。（2）胶砂活性试验依照JG/T486—2015《混凝土用复合掺合料》和GB/T17671—2011《水泥胶砂强度检验方法》分别测试对比胶砂和试验胶砂的抗压强度，检测复合掺合料活性。

（3）测试流动度比依照JG/T486—2015《混凝土用复合掺合料》和GB/T1596—2005《用于水泥和混凝土的粉煤灰标准》对复合掺合料需水量比进行测定，检测复合掺合料的流动度性能。

1.2.2复合掺合料代替粉煤灰后与外加剂适应性测试

参照GB/T175—2007《通用硅酸盐水泥》中流动度的测试方法，对复合掺合料浆体的流动度和60min流动度值进行测量，计算流动度经时损失，检测复合掺合料与外加剂的适应程度。

1.2.3掺合料取代混凝土中粉煤灰的试验

采用不同掺量（0%、20%、40%、60%、80%、100%）的复合掺合料代替粉煤灰进行混凝土物理性能、工作性能的研究。通过观测混凝土的状态和测其扩展度以及每种编号的3d、7d、28d强度，以此来研究复合掺合料对混凝土性能的影响。

2试验结果及分析

2.1不同掺量外加剂对复合掺合料流动性影响按照表3的配比对水泥净浆和复合掺合料的初始流动度和60min后的流动度进行测试，计算流动度经时损失。
 

表3净浆流动度

从表3可以看出，在复合掺合料掺量小于40%时，浆体的流动性基本保持不变；当掺量超过40%后，随掺量的增加，浆体的流动度减小。其原因是复合掺合料中含有的煤矸石内部结构疏松多孔，比表面积较大，随着煤矸石粉掺量的增大，玩滚球的十大平台的拌合水用来润湿其表面及填充微细孔道，从而降低了混凝土拌合物的流动性。前期变化不大一方面是由于掺量较少，另一方面是由于复合掺合料中的石灰石粉有着分散作用和形态效应，增加了颗粒之间的间隔水层，从而降低了煤矸石对流动度的影响。随着复合掺合料代替量的增加，浆体的经时损失不断增大，掺量为100%时经1h后已基本失去流动性，造成流动性经时损失增大的原因一方面是由于煤矸石结构分散，随时间增加吸收较多水，另一方面是由于石灰石粉具有的加速效应在一定程度上促进水泥水化，使水泥更快的失去了流动性。保持原配比不变，增大外加剂的掺量到0.15%，继续测定净浆初始流动度与1h流动度，流动度变化规律如表4所示。
 

表4净浆流动度

可以看出随复合掺合料掺量的增加，初始扩展度和1h扩展度均有所下降，浆体的经时损失不断增大，但1h扩展度下降明显快于初始扩展度，说明随着复合掺合料掺量的增加，复合掺合料的经时损失不断变大。

2.2磷酸三钠对复合掺合料与外加剂的适应性影响

为了改善复合掺合料与外加剂的适应性，在原来配比基础上掺入0.15%的外加剂和0.01%的磷酸三钠。复合掺合料流动度与经时损失变化趋势如表5所示。
 

表5掺0.01%磷酸三钠的净浆流动度

由表5可得，随着复合掺合料替代粉煤灰掺量的增大，胶凝体系的扩展度不断减小，1h的扩展度也呈下降趋势。其经时损失也随着复合掺合料替代粉煤灰掺量的增大而增大，但整体小于未掺磷酸三钠时的经时损失。

2.3葡萄糖酸钠对复合掺合料与外加剂的适应性影响

保持原配比不变，改为加入掺入0.15%的外加剂和0.06%的葡萄糖酸钠。流动度变化趋势与经时损失变化趋势如表6所示。从表6可看出，掺葡萄糖酸钠后，随着复合掺合料掺量的增大，胶凝体系的流动度基本维持不变，1h扩展度缓慢下降，但下降幅度较小，掺量100%时下降较明显。经时损失随复合掺合料掺量增加有所降低，但相比未掺葡萄糖酸钠前的经时损失有了明显的降低，经时损失最高为14%。
 

表6掺0.06%葡萄糖酸钠的净浆流动度

3不同掺量复合掺合料代替粉煤灰对混凝土性能的影响研究

3.1复合掺合料对混凝土拌合物性能影响

用不同掺量复合掺合料代替粉煤灰进行工作性能试验，其配合比如表7所示，其坍落度与流动度变化趋势如表8所示。
 

表7掺复合掺合料混凝土配合比（千克每立方米）

表8混凝土工作性能

由表8可看出，随着复合掺合料代替粉煤灰掺量的提高，混凝土拌合物流动度和坍落度均呈先升高后降低的趋势，掺量小于60%时，坍落度和扩展度均高于未掺复合掺合料的混凝土。前期坍落度与扩展度上升是因为由于复合掺合料中各成分细度不同，煤矸石和石灰

石粉的形态效应和填充效应弥补了粉煤灰需水量大的缺点，改善了新拌混凝土的和易性。复合掺合料较细的颗粒嵌入水泥颗粒中，产生填充效应，原来空隙中的游离水被迫排出，有效改善了混凝土拌合物的流动性，增大了坍落度。但随着掺量提高，多余的复合掺合料颗粒无法再起到填充作用，煤矸石内部又疏松多孔，比表面积较大，需水量较大，降低了混凝土拌合物的流动性。

3.2复合掺合料对混凝土强度影响

用不同掺量复合掺合料代替粉煤灰进行混凝土力学性能试验，其3d、7d和28d抗压强度的变化趋势如表9所示。

表9不同掺量复合掺合料替代粉煤灰的混凝土抗压强度

由表9可以看出，随着复合掺合料代替量增加，混凝土强度无明显的提高或降低（强度差值均小于10%）。3d和7d掺复合掺合料的混凝土强度略高于基准，是由于复掺中含有的石灰石粉和煤矸石的作用。第一，石灰石粉加速了C3S的水化，尤其当石灰石粉粉磨的较细时，水化作用更明显。第二，CaCO3能够和C3A反应，生成单碳铝酸盐（3CaO·Al2O3·CaCO3·11H2O），碳铝酸盐能够增加早期强度。而煤矸石燃烧后生产的氧化铝会在碱性条件下生成钙矾石，消耗水泥水化产生的Ca(OH)2，促进水化的进行。后期复合掺合料中石灰石粉和煤矸石活性不足，但28d强度能与未掺复合掺合料的混凝土强度基本一致。一方面是水化后期，煤矸石中的活性氧化硅也会与Ca(OH)2发生二次水化反应，另一方面是石灰石粉和煤矸石的晶核效应和微集料作用，较小的颗粒填充在较大颗粒以及界面的空隙间，能减小空隙，使混凝土更加密实。

4结论

（1）复合掺合料细度良好，与Ⅱ级粉煤灰相当。复合掺合料有较高的活性，7d活性指数为68%，28d活性指数可达74%。

（2）复合掺合料与外加剂适应性一般，代替粉煤灰超过40%后流动度开始下降，且经时损失较大，完全替代时1h经时损失超过30%。当掺入磷酸三钠后，经时损失有所下降。当掺入葡萄糖酸钠后，随复合掺合料掺量增加，流动度基本不变，经时损失得到明显改善。

　3）复合掺合料代替粉煤灰后混凝土坍落度与扩展度先升后降，掺量大于60%后，坍落度与扩展度开始低于初始值。混凝土强度并未出现明显的变化，3d、7d强度相比未掺前略有增强。