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石灰石粉在混凝土中的应用现状
发布者:管理员   |   发布时间:2018-12-26   |   所属分类:技术支持   |   阅读次数:1691

  摘要:石灰石粉于20世纪90年代由日本首次应用于混凝土,随后因其优异的力学性能和更合理的经济效果蓬勃发展。目前,石灰石粉混凝土在道路、桥梁、水工混凝土等实际工程中拥有广阔应用前景。本文主要综述了石灰石粉混凝土基本工作性能和力学性能,并对其干缩性能、抗碳化性能、抗氯离子侵蚀性能、抗冻性能和抗硫酸盐侵蚀等耐久性能研究进行了相关介绍。最后,结合目前石灰石粉混凝土研究现状,进一步提出了其研究方向。

  关键词:石灰石粉混凝土;工作性能;力学性能;耐久性能

  引言

  随着混凝土行业越来越多地使用矿渣和粉煤灰,其需求量越来越大,而我国粉煤灰和矿渣资源分布不均匀,部分地区甚至出现脱销现象。我国石灰石资源分布广泛,且其价格低廉、易于粉磨、运输方便。将石灰石粉(以下简称石粉)作为矿物掺合料取代水泥应用于混凝土可以弥补粉煤灰供应的不足,具有良好的应用前景。

  目前石粉在混凝土中的掺加方式基本分为两种:一是石粉部分取代细骨料,即机制砂中石粉含量相对较高;二是石粉作为混凝土的矿物掺合料部分取代水泥[1]。石粉的不同掺加方式、不同掺量以及不同细度对混凝土性能的影响不尽相同,在参考其它文献时应注意其研究条件。

  一般认为,石粉在水泥基材料中的作用可归结为加速效应、活性效应和颗粒形貌效应。加速效应是指石粉颗粒可以作为水化硅酸钙的成核基体,降低成核位垒,加速水泥水化。活性效应是指石粉并非完全惰性,其后期和水泥中的铝相反应生成具有一定胶凝能力的三碳水化铝酸钙和单碳水化铝酸钙。颗粒形貌效应包括形态效应和填充效应,其中形态效应是指光滑致密的石粉颗粒分散在水泥颗粒之间,能改善水化初期水泥的絮凝状态从而改善混凝土性能;填充效应是指细度更小的石粉颗粒填充在水泥颗粒之间,使基体更为致密[2]。石粉的这些效应对混凝土的孔隙率和孔结构都会产生影响,进而影响了混凝土的强度和耐久性。研究石粉的基本性能,石粉对混凝土各方面性能的影响,在混凝土中如何有效地利用石粉对实现混凝土行业的可持续发展有重要意义。

  目前,石粉混凝土因其优异的力学性能及合理的经济效果,且在工程应用的广阔前景,已成为国内外研究热点[3-11]。

  1 石粉对于混凝土工作性能的影响

  1.1 石粉掺入方式对混凝土工作性能的影响

  郭育霞[12]等研究发现石粉对混凝土工作性能的影响与其掺入方式有关,石粉外掺的情况下,混凝土坍落度随石粉掺量增加而减小,而其黏聚性、保水性和泌水情况则得到明显改善;石粉内掺的情况下,混凝土坍落度随石粉掺量增加而变大,其黏聚性、保水性和泌水情况则没有明显改善,陈剑雄[13]等人取得了相似结论。对此作者解释外掺时石粉表面积远高于砂子,因此随石粉掺量增加,必然导致包裹石粉所需要的用水量增加,但其掺入增加了浆体的黏性;内掺的情况下,由于石粉颗粒小于水泥颗粒尺寸,填充了水泥颗粒之间的空隙,使颗粒间空隙减小,自由水含量增加,坍落度增大,但其密度和水泥无明显差异,体系的含浆量无明显变化。

  周永祥[14]等研究却发现,石粉有一定的减水作用,但在相同初始坍落度的情况下,石粉(以下未特意说明的石粉掺入方式均为内掺)混凝土的坍落度损失较大,石粉中含泥量增加时将进一步加速混凝土坍落度经时损失,粉煤灰则对混凝土具有较好的保坍作用。杨柳、宋少民[15]将石粉和粉煤灰复合掺入混凝土中则发现,在石粉和粉煤灰总掺量为胶凝材料的50%时,随石粉掺量比例增加,混凝土坍落度经时损失明显减少,对比分析文献[14]可以发现,石粉和粉煤灰复掺可明显改善单掺石粉时混凝土坍落度的经时损失。文献[16]得到了相似的结论,石粉和粉煤灰复掺可改善混凝土和易性,增大混凝土流动度,减少坍落度和扩展度损失,并且可稍微提高含气量。

  1.2石粉细度对混凝土工作性能的影响

  袁航[17]等人研究发现石粉细度对混凝土工作性能有一定影响,且坍落度随着所掺石粉细度的减小而增大。出现这种情况可以从两方面分析,一是石粉活性相比水泥熟料要弱得多,石粉部分取代水泥后,初期参与水化的水泥熟料减小,水胶比增大,坍落度增大;二是细度更小的石粉填充效应更好,体系自由水含量相对更多。

  蔡基伟[18]研究了石粉对泵送混凝土的工作性能影响,发现石粉一方面可增加水泥浆体含量提高流动性,另一方面石粉的润滑作用可以减少砂与砂之间的摩擦,改善混凝土的和易性。南峰[19]等人在研究石粉对自密实泵送混凝土性能影响时发现,相同水灰比下,单掺石粉比单掺粉煤灰的混凝土流动性和黏聚性要好,适量掺入细度较小的石粉可以明显改善自密实泵送混凝土的流动性、保水性和抗离析性。

  总结目前研究结论,普遍认为石粉对混凝土工作性能的影响在于提高其流动性。对于低强混凝土而言,主要是减小其离析、泌水现象。对于高强混凝土而言,主要是降低其黏性。由于石粉能够提高混凝土的流动性,对于胶凝材料用量较多的自密实混凝土,将石粉作为矿物掺合料加以应用将是其研究方向之一。

  2 石粉对于混凝土力学性能的影响

  2.1 石粉掺入方式对混凝土力学性能的影响

  曹鹏飞等人[20]分别研究了单掺等量的石粉或者粉煤灰的混凝土强度,二者28d强度相差并不大,但是掺石粉的混凝土抗拉强度和弹性模量皆有一定下降。张迪[21]在研究时发现,单掺石粉的混凝土后期抗压强度降低,且低于单掺粉煤灰的混凝土抗压强度,这可能与石粉的活性较差,对混凝土后期强度增长有限有关。陈剑雄[13]在研究石粉和钛矿渣复掺时得到的最优掺量是石粉10%、钛矿渣20%,此时混凝土的抗压强度高于基准混凝土;而在保证混凝土各项性能的前提下,石粉和钛矿渣取代硅灰和矿渣粉的比例甚至可达40%。Shams MA[22]等研究发现石粉和粉煤灰复掺、石粉和粒化高炉矿渣复掺往往比单掺粉煤灰或者粒化高炉矿渣得到更高的混凝土后期强度。周云虎[23]用石粉替代25%的粉煤灰掺入混凝土发现,二者复掺能够保证混凝土的抗压强度和劈拉强度。

  朱柯[24]研究了石粉掺量为0%、15%和30%的条件下混凝土的3d、7d和28d抗压强度,发现在三个龄期条件下,混凝土抗压强度均明显降低,当石粉掺量为15时,其3d抗压强度损失并不明显,28d龄期时仍能保持较好的抗压强度,作者通过扫描电镜分析出现这种原因是因为石粉的加入在水化后期会引起混凝土内部钙矾石的增加而导致混凝土抗压强度降低。这与文献[20]认为适当的掺加石粉可以增加混凝土强度的结论不同,原因可能有两方面,一是石粉对普通混凝土和轻骨料混凝土增益效果的区别;二是石粉的不同掺加方式,内掺和外掺会影响其作用机理。高矗[25]以天然浮石作为粗骨料,通过内掺0%、10%、20%、30%和40%质量分数的石粉替代水泥制作浮石混凝土,研究发现内掺10%的石粉可以显著提高混凝土抗压强度,这一强度提高关系与混凝土的养护龄期有关系,即随龄期增长抗压强度先增加后降低。

  2.2石粉细度对混凝土力学性能的影响

  陈剑雄[13]等人研究掺加超细石粉的高强混凝土时发现,混凝土抗折强度随着石粉掺量增加而明显提高,石粉对混凝土抗折强度的影响大于对其抗压强度的影响。而V.Bonavetti等人[26]却得出了与之相反的结论,他们发现随石粉掺量增加,混凝土强度下降,作者认为出现这种现象是因为石粉是一种低活性材料。文献[17]针对不同细度的石粉进行混凝土试验,证明石粉粒径越细,对混凝土力学性能的益化作用越大,文献[21]取得相似的结论,在一定掺量范围内,石粉对混凝土有微弱的增强作用,当石粉磨得更细时,增强作用更明显,对此可以解释文献[13]和[26]得到的不同结论。熊远柱[27]将511m2/kg、619m2/kg和779m2/kg三种不同比表面积的石粉以不同掺量分别掺入混凝土中,发现当石粉比表面积达到779m2/kg,掺量为10%时,掺加石粉的混凝土强度明显增加。在S.Takami[28]的文章中提到,用比表面积和水泥接近的石粉等量替代水泥,混凝土抗压强度随石粉掺量增加而降低;在水泥用量不变的情况下,混凝土抗压强度随石粉掺量增加而提高。

  将石粉外掺替代砂子配制轻骨料混凝土,张通等人[29]发现轻骨料混凝土随石粉取代砂含量的增加,其抗压强度和劈拉强度呈现先增加后降低的趋势,最优石粉掺量均为30%;石粉取代砂后,轻骨料混凝土后期强度仍有较大增长空间,在其120d时的强度已经超过了普通混凝土,石粉对轻骨料混凝土后期强度有贡献。对此作者解释石粉的活性与其粒径大小有关,较细的石粉可以填充混凝土内部空隙,使轻骨料混凝土强度提高,这与文献[17]中对普通混凝土得到的结论是一致的,不论是轻骨料混凝土还是普通混凝土,石粉作用的发挥均与其细度有关,细度越小,其填充效果越好,对强度益化效果越显著。

  总结目前研究结论,关于石粉对混凝土力学性能的影响尚未达成统一认识。有的研究者认为石粉的掺入能提高混凝土强度,这是由于其“颗粒形貌效应”和“微集料效应”的发挥。也有研究者认为石粉替代水泥时会降低混凝土强度,这是由于石粉的活性很低,随替代水泥量增加,水泥含量减小。石粉对混凝土力学强度影响结果不同主要体现在石粉细度不同、石粉掺量不同、石粉掺加方式不同和比较龄期不同。而石粉与其它矿物掺合料复掺往往会弥补强度损失,石粉和其它矿物掺合料复掺加入混凝土将是重要研究方向之一。

  3 石粉对于混凝土耐久性能的影响

  3.1石粉对混凝土干缩性能的影响

  刘春[30]等人将15%的稻壳灰和适量石粉掺入混凝土,发现混凝土干燥收缩得到有效控制,且随石粉掺量增加,干燥收缩值不断增大,石粉的掺量不宜超过25%,对此作者通过分析砂浆保水性解释,双掺稻壳灰和石粉可以有效提高砂浆保水性,这是由于稻壳灰的内孔隙结构可以起到内养护作用,适量石粉可以发挥其“微集料填充效应”改善混凝土内部结构,从而阻碍水分内部流通,而掺入过量的石粉则会相对降低水泥用量,较少的水化产物难以激稻壳灰的活性,劣化了混凝土孔结构。袁航[17]等人发现石粉细度对混凝土干缩性能有显著影响,石粉细度越小,混凝土干燥收缩值越小,这是由于石粉细度减小,其拌制的混凝土孔隙率减小,小孔含量越低,文献[31]取得了与之相似的结论。刘牧天[32]等人分别研究了石粉对普通混凝土和高强混凝土的收缩性能影响,发现对普通强度混凝土而言,掺入石粉的混凝土干燥收缩值小于同等强度的纯水泥混凝土,对于高强混凝土而言,掺入石粉的混凝土的自生收缩变小,且石粉掺量越大,自生收缩越小。

  3.2石粉对混凝土抗碳化性能的影响

  周永祥[14]等人研究发现,双掺石粉和粉煤灰,当二者掺量均为20%时,混凝土抗碳化能力与单掺40%粉煤灰的混凝土基本相当,并且石粉中内掺泥粉对混凝土抗碳化能力影响不大。文献[16]发现石粉对混凝土抗碳化能力的影响与石粉掺量、混凝土养护龄期和养护条件有关,随石粉掺量增加,混凝土抗碳化能力降低;标准养护龄期的增加可以减小混凝土碳化深度;室外洒水养护的混凝土抗碳化能力优于室内标准养护的混凝土,文献[33]取得了类似结论,并发现随石粉比表面积增大,混凝土抗碳化能力增强,这是由于对于比表面积大的石粉,适量替代石粉可以提高混凝土密实度,与水化产物中碱性物质含量减小相抵消。韩方晖[34]等人研究结果显示单掺钢渣或者复掺石粉与钢渣均会降低混凝土抗碳化能力,其中复掺钢渣和石粉的混凝土不利影响相对较小。

  3.3石粉对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

  文俊强[35]等研究表明单掺石粉混凝土抗氯离子渗透性能与养护龄期有关,混凝土抗氯离子渗透性能随养护龄期的增长得到提高,并且石粉和粉煤灰复掺可以提高混凝土抗氯离子渗透性能。石粉的掺入完全能满足一般抗渗要求的混凝土工程[16],S. Tsivilis[36]等人得到了相似的结论,石粉掺入可以提高混凝土抗水渗透性能力,但降低了混凝土抗氯离子渗透性。周永祥[14]等人研究了大掺量石粉或者石粉和粉煤灰双掺时混凝土抗氯离子渗透性情况,发现石粉掺量低于20%时对混凝土抗氯离子渗透性能影响不大,而石粉掺量达到50%时,混凝土抗氯离子渗透性能显著降低。

  3.4石粉对混凝土抗冻性能的影响

  孔祥之[37]研究表明,养护28d的石粉混凝土抗冻性可以满足大坝内部碾压混凝土的耐久性设计要求。周永祥[14]研究发现单掺40%粉煤灰和复掺20%粉煤灰、20%石粉,混凝土抗冻性差别不大,大掺量的石粉(50%)会显著降低混凝土抗冻性能。而何智海[38]在研究石粉单掺以及和粉煤灰复掺加入混凝土时则发现,石粉无论单掺还是和粉煤灰复掺,均对混凝土抗冻性不利,石粉细度对混凝土抗冻性影响不大。文俊强[35]等研究表明冻融循环次数较少时,石粉对混凝土抗冻性影响不大,但是随冻融循环次数增加,含石粉混凝土抗冻性降低,粉煤灰复掺入石粉混凝土则能改善这一情况。谢慧东[16]等人得到了不同的结论,石粉分别取代粉煤灰0%、20%、40%、60%、80%和100%,混凝土总体抗冻性得到提高,全部满足F100抗冻等级要求,对此作者解释是石粉的掺入可以稍微提高混凝土的含气量。王稷良[39]等的研究表明了石粉对普通混凝土和高强混凝土抗冻性影响有所差距,对普通混凝土而言,石粉明显降低了低强度机制砂混凝土的抗冻性,而对高强度机制砂混凝土抗冻性影响则相对较小。霍俊芳[40]等人研究了粉煤灰、硅粉和石粉复掺的情况混凝土抗冻性,发现当粉煤灰掺量5%,硅粉掺量10%,石粉掺量在5%~10%时,混凝土抗冻性高于基准混凝土。李林峰[41]的研究结果表明,单掺石粉掺量适宜时,混凝土抗冻性不会明显降低,甚至高于基准混凝土。

  3.5石粉对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

  邓德华[42]等人研究表明,在硫酸盐环境中,石粉的掺入会导致水泥基材料强度急剧下降,且材料本身产生较大膨胀,对此作者解释,掺加石粉的水泥基材料主要因行成较大尺寸的石膏晶体而膨胀开裂。高小建[43]等研究了掺30%石粉的砂浆在低温环境中的硫酸盐侵蚀破坏情况,并分析了不同侵蚀时间下的试件表层矿物成分变化,根据其力学性能来评价其抗硫酸盐侵蚀性能,得出结论,在短期低温硫酸盐侵蚀作用下,石粉的掺入使水泥水化产物中的单硫型水化硫铝酸钙转变为稳定的单碳水化铝酸钙,水泥石的结构变得更加紧密,此时石粉砂浆试块比纯水泥砂浆试块表现出更好的耐腐蚀性;在长期低温硫酸盐侵蚀作用下,掺石粉的水泥砂浆试块侵蚀产物除了有石膏和钙矾石外,还有少量的硅灰石膏生成,说明水泥石的主要强度组分C-S-H凝胶体也遭到破坏。文献[44-52]得出了同样的结论,石灰石粉对水泥石在低温(<15°C)条件下抗硫酸侵蚀有不利作用。

  石粉对混凝土的耐久性能指标影响不一。总体来说,足够细度的石粉可以降低混凝土收缩,提高其抗碳化能力。石粉对混凝土抗氯离子渗透性的影响研究结果并不一致有的学者认为会降低混凝土抗氯离子渗透性,有的学者认为石粉会提高混凝土抗氯离子渗透性或者影响不大,但石粉和粉煤灰和矿渣等矿物掺合料复掺肯定能提高抗氯离子渗透性能。石粉对混凝土抗冻性的影响结论也不统一,大多数学者认为石粉的掺入对混凝土抗冻性有积极作用,但也有部分学者认为石粉对混凝土抗冻性不利。石粉在短期低温硫酸盐侵蚀环境下,对水泥基材料抵抗硫酸盐侵蚀破坏有积极作用,但在长期低温环境作用下,石粉对水泥基材料抵抗硫酸盐侵蚀不利。

  4 结语

  (1)由于石粉能够提高混凝土的流动性,对于胶凝材料用量较多的自密实混凝土,采用石粉作为其矿物掺合料是自密实混凝土研究方向之一。

  (2)石粉可以作为混凝土矿物掺合料的一个品种,以弥补矿渣和粉煤灰的供应不足。

  (3)石粉在硫酸盐环境中发生碳硫钙石腐蚀应该高度重视,慎重使用。

  (4)石粉在应用时可以和其它矿物掺合料复掺,充分发挥不同矿物掺合料的协同效应。

  (5)石粉具有减水效应,同时它对化学外加剂的吸附小,石粉混凝土在掺有外加剂时其流动度大大增加,这是石粉与其它岩石粉相比重要特性之一,也是石粉应用于混凝土具有技术和经济上优势的主要原因。

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