磨细石灰石粉在预拌混凝土中的研究与应用
王如荣 单华凤 陆建中
[摘要]:本文阐述了掺入磨细石灰石粉多预拌混凝土性能的影响,以及带来的经济效益分析。
[关键词]:石灰石粉
1、 前言
随着预拌混凝土产业及其技术的发展,混凝土材料的研究正朝着多元复合化方向发展,配制工作性、可泵性号、单方造价低的绿色预拌混凝土已成为业界追求目标,一次混凝土组成中第六组分—矿物掺和料的作用在预拌混凝土行业倍受重视。在我国,粉煤灰、矿粉等矿物掺和料在预拌混凝土中已得到广泛应用,相关技术标准亦已制定,而磨细石灰石粉在预拌混凝土中应用几近空白。在日本、法国等工业化国家磨细石灰石粉已广泛应用于高流动性预拌混凝土和高性能喷射混凝土中。
据相关文献报道从1996年-1998年日本研究院(JCJ)指定石灰石粉应用技术委员会整理指定石灰石粉的质量标准及应用于混凝土中的方法指南,其应用原理:一是基于磨细石灰石粉具有的粉体效应,使混凝土水泥基材料获得密实填充结构,在宏观和微观各层次使混凝土水泥基材料得到强化,即水泥水化时能进入到水泥水化产生的空隙中,起微集料作用,从而使砼强度有所提升;其次磨细石灰石粉的化学效应,即潜在水硬性,美国在AC1212.1R-81规程中指出石灰石粉可作为混凝土的矿物外加剂,磨细石灰石粉的加入可以促进C2S的水化,有助于增加混凝土的早期强度,它与铝酸盐反应生成碳铝酸盐代替钙矾石,降低了胶凝物的需水量。
C3A+3CaSO4+32H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O
C3A+CaCO3+11H2O→3CaO·Al2O3·CaCO3·11H2O
三是由于石灰石粉的亲水性,在水泥颗粒水化时,能将使水泥水化时凝聚成团的水泥团打破,将水释放出来,从而提高砼拌合物的流动性。
试验以我公司生产C30预拌混凝土配比为基准,研究分析磨细石灰石粉掺入后对混凝土拌合物性能及强度影响。矿物掺和料以双掺、三掺为指导原则,充分利用工业废渣。
2、 试验材料
1)水泥:泰州华荣水泥有限公司生产P·O42.5普通硅酸盐水泥
水泥物理性能(表一)
标准稠度% |
密度g/cm3 |
初 凝 |
中 凝 |
安定性 |
抗折强度(MPa) |
抗压强度(MPa) |
28.2 |
3.05 |
2h30min |
3h30min |
合 格 |
3d |
28d |
3d |
28d |
4.26 |
7.65 |
21.8 |
51.9 |
2)砂:安徽芜湖产中砂,细度模数2.4,表现密度2.66g/cm3,含泥量1.2%
3)碎石:镇江大港产公称粒径5-25mm,压碎值6.2%,含泥量0.8%
4)水:普通饮用水;
5)粉煤灰:扬州电厂产Ⅱ级灰,0.045mm筛余量14%
6)矿渣微粉:南通恒固产S95级,比表380m2kg
7)外加剂:泰州华港产FDN高效减水剂
泰州瑞安产LS-300高效减水剂
江苏博特新材料有限公司产JM-10高效减水剂
8)磨细石灰石粉的制备,将5-25mm石灰石碎石风干后,用试验室锷式破碎机破碎,放入实验室统一试验小磨中粉磨,比表525m2/kg,比重2.68g/cm3,CaCO3含量大于90%
3、 试验程序
1) 试件成型,根据C30基准配比计算出各组份的质量,按顺序称量碎石、砂、水泥、粉煤灰、矿粉、磨细石灰石粉、水、高效减水剂;用HJW60型试验室混凝土搅拌机,干拌60S,然后将外加剂倒入水中搅拌均匀后,再倒入搅拌机搅拌90S,新拌混凝土从搅拌机中取出后,测定混凝土拌合物工作性能。除基准配比外,通过测定坍落度大小,采用调整用水量或外加剂掺量的方法以满足工程施工泵送混凝土常用坍落度控制指标:S=160±10mm要求。试拌坍落度控制指标S=180±20mm,然后将新拌混凝土按标准试块成型方法,制作150×150×150mm的试块,测定7d、28d强度
2) 养护:试件成型24h后拆模,放入标准养护室进行养护
3) 测强:到达龄期后,将试块提前1小时从标准养护室中取出,用WHY-2000C微机控制全自动液压压力试验机测试抗压强度,加荷速度10kN/s
4、 掺磨细石灰石粉后对混凝土工作性的影响分析
用坍落度测试混凝土拌合物工作性,用初始坍落度表示,以经时30min、60min的坍落度损失表示混凝土的工作性损失,同时观察混凝土拌合物的粘聚性、保水性。
试验路径:粉体总量固定,磨细石灰石粉等量取代水泥,高效减水剂按粉体材料总量的质量百分比掺入,配比采用统一水粉比和砂率,混凝土配比及坍落度经时损失见表二。
三掺(石粉、粉煤灰、矿粉)混凝土配比及工作性试验结果(表二)
编号 |
粉体材料组成kg/m3 |
水粉比 |
水胶比 |
外加剂(%) |
砂率(%) |
坍落度损失 |
水泥 |
石粉 |
煤灰 |
矿粉 |
初始 |
30min |
60min |
M1 |
240 |
— |
70 |
50 |
0.47 |
0.47 |
1.6 |
41 |
185 |
176 |
166 |
M2 |
195 |
45 |
70 |
50 |
0.47 |
0.51 |
1.6 |
41 |
200 |
191 |
175 |
M3 |
190 |
50 |
70 |
50 |
0.47 |
0.52 |
1.6 |
41 |
205 |
195 |
180 |
M4 |
185 |
55 |
70 |
50 |
0.47 |
0.53 |
1.6 |
41 |
210 |
198 |
185 |
由表二可知,相对于基准混凝土M1,掺入磨细石灰石粉后混凝土初始坍落度有所提高,初始坍落度随石粉掺量增大而增大,新拌混凝土经时损失1小时后,坍落度均保持在170mm以上,这对于夏季施工及长距离运输是极为有利的,现场观察无泌水性现象,粘聚性、保水性良好,而基准混凝土M1存在泌水现象,粘聚性较差。
5、 掺磨细石灰石粉后对混凝土抗压强度的影响分析
试验路径:通过试配调整调整确定掺磨细石灰石粉后,在多组分矿物掺和料条件下,混凝土最佳配比,整个试验共进行了23个批次,制作试块215组,相关试验结果见表三、表四,其中A1、B1、C1、D1、E1均为每批试验基准配比。
三掺(石粉、粉煤灰、矿粉)混凝土试验配比及抗压强度(表三)
编号 |
水 |
水泥 |
砂率 |
粉煤灰 |
矿粉 |
石粉 |
水粉比 |
水胶比 |
外加剂(%) |
S |
R7 |
R28 |
A1 |
170 |
220 |
41 |
70 |
70 |
— |
0.47 |
0.47 |
1.5 |
180 |
24.7 |
39.2 |
A2 |
170 |
175 |
41 |
70 |
70 |
45 |
0.47 |
0.54 |
1.5 |
200 |
22.9 |
36.9 |
A3 |
170 |
165 |
41 |
70 |
70 |
55 |
0.47 |
0.56 |
1.5 |
205 |
21.4 |
34.8 |
A4 |
170 |
155 |
41 |
70 |
70 |
65 |
0.47 |
0.58 |
1.5 |
210 |
18.7 |
33.0 |
由表三数据可知,当水粉比一定时,随着石粉取代水泥用量的增加,坍落度增加,单相应的7d、28d强度均呈下降趋势,究其原因:磨细石灰石粉介于活性与惰性之间,它与水化铝酸盐反应取代盖矾石生成水化碳铝酸盐后,使粉体材料整体需水量降低,虽然水粉比未变,但因水胶比(水灰比)显著增大,因而强度呈明显下降趋势,故满足强度指标必须对用水量进行调整。
双掺或三掺混凝土试验配比及抗压强度(表四)
编号 |
水(kg) |
水泥(kg) |
砂(kg) |
石(kg) |
矿粉(kg) |
煤灰(kg) |
石粉(kg) |
外加剂(%) |
S(mm) |
R7(MPa) |
R28(MPa) |
B1 |
170 |
219 |
782 |
1079 |
70 |
70 |
— |
1.2 |
180 |
24.4 |
41.1 |
B2 |
155 |
175 |
782 |
1079 |
70 |
70 |
44 |
1.2 |
170 |
28.1 |
44.6 |
B3 |
158 |
245 |
782 |
1079 |
— |
70 |
44 |
1.2 |
175 |
29.4 |
40.4 |
C1 |
170 |
220 |
782 |
1089 |
70 |
70 |
— |
1.5 |
190 |
24.3 |
38.1 |
C2 |
170 |
220 |
782 |
1089 |
—70 |
70 |
60 |
1.5 |
180 |
22.0 |
34.2 |
D1 |
165 |
220 |
782 |
1089 |
70 |
70 |
— |
1.6 |
165 |
31.1 |
46.2 |
D2 |
160 |
230 |
782 |
1089 |
70 |
— |
60 |
1.6 |
170 |
32.1 |
46.7 |
E1 |
160 |
220 |
782 |
1089 |
70 |
70 |
— |
1.6 |
170 |
28.0 |
40.6 |
E2 |
160 |
200 |
790 |
1089 |
50 |
60 |
50 |
1.6 |
180 |
26.0 |
39.2 |
F1 |
165 |
240 |
790 |
1090 |
50 |
70 |
— |
1.5 |
185 |
26.0 |
38.1 |
F2 |
152 |
195 |
790 |
1090 |
50 |
70 |
45 |
1.6 |
190 |
27.0 |
42.0 |
F3 |
155 |
190 |
790 |
1090 |
50 |
70 |
50 |
1.6 |
190 |
27.2 |
42.6 |
F4 |
156 |
185 |
790 |
1090 |
50 |
70 |
55 |
1.6 |
180 |
30.1 |
46.3 |
F5 |
160 |
200 |
790 |
1090 |
80 |
— |
80 |
1.6 |
180 |
30.1 |
45.1 |
由表四试验数据可知:
(1) 各组混凝土拌合物工作性均满足试验设计要求,通过试验观察掺磨细石灰石粉的混凝土拌合物其粘聚性、保水性均优于不掺磨细石灰石粉的混凝土拌合物;
(2) 除C组用水量未作调整外,其余各组7d强度均大于基准配比,28d强度最低值为39.2MPa。大于强度设计值38.2Mpa,这主要是因为石灰石粉的掺入促进了阿利特的水化,因此掺磨细石灰石粉的混凝土早期强度大于未掺磨细石灰石粉的混凝土;同时,由于磨细石灰石粉的颗粒足够细,在水泥水化时能进入到水泥水化产物空隙中,起到微集料作用,使硬化混凝土结构更加密实,从而使强度有所提高。(C组试验结果与表三试验结果一致)
(3) B、D、E、F批次试验,在三掺法时尽管矿物掺合料总量较大,水泥用量较低,最低水泥用量仅为175kg/m3,仍能满足C30强度及工作性设计要求。
(4) B、D、E、F批次试验中,我们发现:矿物掺合料以矿粉+石粉组合优于粉煤灰+石粉组合,特别是F组增大石粉掺量情况下更为明显,这可能与矿物掺合料组分间的相互激发有关,个中基理尚待进一步研究分析。
根据C30试验分析结论,我们用三掺法同时配制C20、C25、C30、C40、C45共6个强度等级的混凝土进行检验,相关试验结果见表五
三掺法(石粉、粉煤灰、矿粉)混凝土试验配比及抗压结果(表五)
强度等级 |
粉体材料组成(kg/m3) |
水粉比 |
砂率(%) |
外加剂(%) |
坍落度(mm) |
R7 (MPa) |
R28 (MPa) |
水泥 |
石粉 |
煤灰 |
矿粉 |
C20 |
145 |
60 |
50 |
65 |
0.49 |
43 |
1.3 |
178 |
17.5 |
34.6 |
C25 |
162 |
60 |
53 |
70 |
0.46 |
43 |
1.3 |
175 |
22.1 |
38.4 |
C30 |
175 |
55 |
60 |
70 |
0.44 |
42 |
1.6 |
182 |
25.1 |
42.6 |
C35 |
225 |
55 |
50 |
65 |
0.43 |
41 |
1.7 |
180 |
28.3 |
43.8 |
C40 |
169 |
60 |
60 |
80 |
0.35 |
41 |
1.8 |
190 |
36.8 |
50.1 |
C45 |
315 |
70 |
50 |
70 |
0.32 |
41 |
1.9 |
180 |
40.3 |
53.1 |
由表五试验数据可知,在预拌混凝土中掺入磨细石灰石粉,能够满足混凝土工作性及强度要求,实验观察无离析泌水现象,粘聚性、保水性良好。该试验成果我们已应用于市农业开发区某办公楼混凝土工程,可泵性较未掺磨细石灰石粉的好。
6、 经济效益分析
根据试验结果,用磨细石灰石粉等量替代水泥采用双掺或三掺法拌制砼时,掺量在44-60kg/m3之间能满足混凝土工作性及强度等级要求,以每立方混凝土取代水泥用量50Kg计算,生产磨细细石灰石粉造价约为90元/吨,而P·O42.5水泥目前泰州市场价为300元/吨,单方混凝土造价降低300×50÷1000-90×50÷1000=10.5元,一个年产80万方混凝土搅拌站如有60%的混凝土中掺入磨细石灰石粉将降低成本近500万元。
7、 结论与体会
(1) 磨细石灰石粉掺入后能显著改善新拌混凝土和易性,降低坍损,降低混凝土水化升温,改善混凝土施工性能,泵送性能良好。
(2) 磨细石灰石粉具有微集料效应,能够促进C、S的水化,提高混凝土早期抗压强度,其掺量为粉体量的10~15%。
(3) 掺入磨细石灰石粉后单方混凝土用水量需作调整,约为石粉掺量的10~15%。
(4) 磨细石灰石粉比表必须大于500m2/kg才能起到微集料作用。
(5) 经济效益良好,社会效益显著,有利节能环保,符合国家可持续发展战略要求。
参考文献资料
1 冯浩 朱清江《混凝土外加剂工程应用手册》中国建筑工业出版社,2007
2 陈建奎 《混凝土外加剂原理与应用》中国计划出版社,2004
3 丁大钧《高性能混凝土及其在工程中的应用》机械工艺出版社,2007
4 李悦 丁庆军《石灰石粉在水泥混凝土中的应用》武汉理工大学学报,2007.3
5 涂成厚《石灰石粉的应用》国外建材科技,1999.12 |