易流型大掺量石灰石粉复合掺合料性能研究

文摘 2024-11-20 07:22 河南

引言

水泥是混凝土的主要原材料，水泥在生产过程会消耗大量的自然资源与能源，并排放大量的CO₂。据统计，每生产1t水泥熟料，大约排放0.6～1tCO₂。根据中国建筑材料联合会发布的《中国建筑材料工业碳排放报告（2020年度）》，中国建材工业2020年CO₂排放14.8亿t，其中，水泥工业CO₂排放12.3亿t，占建材行业CO₂排放的83%，占全国碳排放的16%。因此，减少水泥用量，开发碳足迹更低的胶凝材料是建材行业实现低碳发展的必要手段，对我国实现碳达峰、碳中和起到极为关键的作用。

近年来，不少专家学者在低碳胶凝材料领域开展了大量研究，利用粉煤灰、矿渣粉、岩石粉等工业固废替代水泥制备砂浆或混凝土，不仅降低了水泥用量，减少碳排放，而且促进了当地的固废资源化利用，节省了工程建造成本。

已有研究表明，石灰石粉具有一定的微集料效应、成核效应和稀释效应，将其作为矿物掺合料可制备出性价比更高的砂浆或混凝土，但由于石灰石粉是一种惰性石粉，本身活性较低，直接大掺量用于水泥基材料，会大幅降低其强度。因此，通常将石灰石粉和粉煤灰或矿粉等传统矿物掺合料复掺，发挥不同掺合料的性能优势，实现活性、级配等协同优势互补，制备出满足行业标准要求的复合掺合料。

石灰石粉的性能受母岩特性及加工工艺等的影响差异较大。为此，本研究依托工程需求，基于甘肃平凉地区石灰石粉特性，将当地石灰石粉、粉煤灰、矿粉及降粘剂按不同比例进行复合，研究不同石灰石粉掺量及不同复合比例掺合料对胶砂性能的影响，确定大掺量石灰石粉复合掺合料的最佳配合比，制备出满足JG/T486-2015《混凝土用复合掺合料》的石灰石粉掺量不低于80%的易流型复合掺合料，为当地低碳混凝土的制备提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

水泥：甘肃祁连山水泥集团有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，性能指标见表1；石灰石粉：平凉市新世纪建材有限责任公司选自同一矿山生产的2种不同粒径的石灰石粉，记为SF1和SF2，其比表面积分别为335.61、549.61m²/kg，石灰石粉的化学成分见表2；粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，细度（45μm筛余）13.5%，28d活性指数74%；矿粉：S95级，比表面积438m2/kg，28d活性指数96%；砂：标准砂；水：自来水。降粘剂：细度（45μm筛余）2.2%，流动度比106%，28d活性指数102%。

1.2配合比

（1）将2种石灰石粉分别以10%、20%、30%、40%的比例等质量替代水泥制备胶砂，研究单掺石灰石粉时，不同石灰石粉掺量对水泥胶砂流动度、抗压强度的影响，编号分别为SF-10、SF-20、SF-30、SF-40。

（2）将2种石灰石粉分别与粉煤灰、矿粉进行二元复合，掺合料总掺量为30%，石灰石粉掺量为复合掺合料总量的80%，研究石灰石粉-粉煤灰、石灰石粉-矿粉体系对胶砂流动性能和强度的影响，编号分别为FH-1、FH-2。

（3）在二元复合体系研究的基础上，增加降粘剂，制备石灰石粉-粉煤灰-降粘剂、石灰石粉-矿粉-降粘剂复合掺合料，研究三元复合体系掺合料对胶砂性能的影响，掺合料总掺量为30%，石灰石粉掺量为复合掺合料总量的80%，编号分别为FH-3、FH-4、FH-5、FH-6。具体配合比见表3，其中，JZ组为对照组。

1.3试验方法

根据GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》测定胶砂的流动度；根据GB/T17671-2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》制作胶砂强度试件，并测定胶砂的7、28d抗压强度。

2结果与分析

2.1单掺石灰石粉对水泥胶砂流动度的影响

不同石灰石粉掺量水泥胶砂的流动度如图1所示。

由图1可知，随着石灰石粉掺量的增加，SF1制备的胶砂的流动度逐渐变小，且均低于JZ组胶砂；SF2制备的胶砂的流动度呈先变大后减小的趋势，当SF2掺量为20%时，胶砂的流动度最大，是JZ组胶砂的102%。2种粒径石灰石粉制备的水泥胶砂的流动度变化规律不一致，这可能是因为SF1的粒径和水泥粒径相近，对胶凝体系来说无法起到改善粒径分布的作用，且SF1的MB值较大，含有较多粘土质矿物，更易吸附自由水，使浆体变稠，胶砂的流动度变小；SF2的比表面积是水泥比表面积的1.5倍，其替代部分水泥可更好地发挥微集料的填充效应，改善胶凝材料粒径分布，可将水泥孔隙中的水置换出来，提升浆体的流动性。综上，当SF2掺量为20%时，对胶凝材料的粒径分布改善最为充分，再继续增加石灰石粉掺量，胶凝体系的粒径分布又会变得不合理，细颗粒粉体变多，对水的吸附性变大，不利于胶砂流动性的提升。

2.2单掺石灰石粉对水泥胶砂抗压强度的影响

不同石灰石粉掺量水泥胶砂的抗压强度比如图2所示。

由图2可知，水泥胶砂的7d和28d抗压强度比均随着石灰石粉掺量的增加而降低，SF1制备的水泥胶砂的抗压强度比低于SF2制备的水泥胶砂，主要因为石灰石粉本身是一种惰性材料，活性较低，替代水泥会减少单位体积内水化产物数量，进而降低胶砂强度，但增加石灰石粉的比表面积，可以使其发挥更好的微集料填充效应，改善胶凝材料粒径分布，使体系更为致密，在一定程度上提升胶砂的强度。但要注意的是，胶凝材料的强度不会随着石灰石粉比表面积的增加而持续增加，因为石灰石粉对水还具有一定的吸附性。当石灰石粉掺量为30%时，SF1制备的水泥胶砂的7d强度为20.4MPa，28d强度为27.2MPa，其强度分别是JZ组胶砂的66%和63%；SF2制备的水泥胶砂的7d强度为21MPa，28d强度为28MPa，其强度分别是基准纯水泥胶砂的68%和64%。根据JG/T486-2015《混凝土用复合掺合料》的规定，易流型复合掺合料的7d和28d活性指数均不应低于65%，单独掺加30%石灰石粉无法满足该要求，因此石灰石粉需要和其他矿物掺合料复掺，对胶砂的性能进行改善。

2.3大掺量石灰石粉复合掺合料对胶砂流动度的影响

石灰石粉复合掺合料的流动度比如图3所示。

由图3可知，对于2种石粉，SF-30的流动度比均低于100%，说明石灰石粉单独作为矿物掺合料对胶砂的流动性不利，而将石灰石粉和粉煤灰、矿粉、降粘剂等进行复掺，对胶砂的流动性提升明显，其流动度比均高于100%。由此可见，三元复合掺合料的流动性优于二元复合掺合料，比表面积较大的石灰石粉（SF2）复合掺合料的流动性优于比表面积较小的石灰石粉（SF1）复合掺合料，此规律和单掺石灰石粉掺合料制备的水泥胶砂的流动性规律一致。

通过比较FH-1、FH-2、FH-3、FH-4可知，相较矿粉，粉煤灰更能提升胶砂的流动性，这是因为粉煤灰的颗粒形状比矿粉更加规则，大多为玻璃微珠，呈现圆球状，作为掺合料可以更好地起到减水作用，而矿粉形状属于多角形，不具备粉煤灰的“滚珠效应”，但两者的粒径均较水泥和石灰石粉小很多，都可以发挥一定的微集料效应，改善水泥基材的孔结构，将水泥孔隙中的水置换出来，为水泥胶砂的流动性作贡献。

通过比较FH-4、FH-5、FH-6可知，对于石灰石粉-矿粉-降粘剂复合掺合料体系来说，固定石灰石粉掺量为掺合料总量的80%，提升降粘剂的掺量，胶砂的流动度提升，当降粘剂的掺量不低于矿粉时，胶砂的流动度比大于110%，此时复合掺合料的流动度比可达到JG/T486-2015《混凝土用复合掺合料》中易流型复合掺合料的性能指标要求。

2.4大掺量石灰石粉复合掺合料的活性指数

图4为石灰石粉复合掺合料的7d和28d活性指数。

由图4可知，将石灰石粉与粉煤灰、矿粉、降粘剂等复合后，石灰石粉复合掺合料的7、28d活性指数均有所提高，2种石灰石粉复合掺合料的活性指数均大于65%，满足JG/T486-2015《混凝土用复合掺合料》的要求，其中，比表面积较大的石灰石粉（SF2）复合掺合料的活性指数更高，其28d活性指数均高于70%，三元复合掺合料的活性指数高于二元复合掺合料。

通过比较FH-1、FH-2、FH-3、FH-4可知，相较粉煤灰，矿粉更能提高胶砂的抗压强度，主要因为矿粉的自身活性指数较高，远大于粉煤灰和石灰石粉，本身具有一定的水硬性，对胶砂强度有明显的提升作用。对于石灰石粉-矿粉-降粘剂复合掺合料体系，固定石灰石粉掺量，改变矿粉和降粘剂的掺量比，发现随着降粘剂掺量的增加，胶砂的抗压强度有所降低，但石灰石粉-矿粉-降粘剂三元复合掺合料体系的活性指数仍高于石灰石粉-矿粉二元复合掺合料体系。这主要是因为降粘剂的活性略低于矿粉，但高于粉煤灰和石灰石粉，将其应用在胶砂中，可以更好地发挥其“滚珠润滑”作用，减小水泥浆体的剪切应力，改善胶砂的流变性能，三者复合可以使胶凝材料的颗粒级配得到进一步优化，使硬化浆体的孔隙率降低，从而提高胶砂的抗压强度。

综合以上试验结果，当石灰石粉掺量为80%，矿粉和降粘剂掺量均为10%时，复合掺合料的性能最好，其中，SF2复合掺合料的流动度比可以达到111%，7d活性指数71.38%，28d活性指数74.71%，满足JG/T486-2015《混凝土用复合掺合料》中易流型复合掺合料的性能指标要求。

结论

为了实现平凉地区石灰石粉在混凝土中的有效应用，减少混凝土的碳排放量，本文基于当地石灰石粉特性，将其与粉煤灰、矿粉、降粘剂等进行复合，研究大掺量石灰石粉复合掺合料对水泥胶砂性能的影响，为当地混凝土工程的施工提供参考，并得出以下结论：

（1）当石灰石粉（SF1）的比表面积和水泥的比表面积相当时，胶砂的流动度随着石灰石粉掺量的增加而减小；当石灰石粉（SF2）的比表面积是水泥比表面积的1.5倍时，胶砂的流动度随着石灰石粉掺量的增加呈先增大后减小的趋势，其中，当SF2的掺量为20%时，胶砂的流动度最大，是基准纯水泥胶砂的102%。

（2）胶砂的7d和28d抗压强度比均随着石灰石粉掺量的增加而降低，提升石灰石粉的比表面积，可以改善胶砂的流动性，提高其强度，但强度不会随着石灰石粉比表面积的增加而持续增加。单掺石灰石粉制备的胶砂的性能较差，无法满足JG/T486-2015《混凝土用复合掺合料》的要求和工程需要，建议和其他矿物掺合料复掺使用。

（3）石灰石粉-矿粉复合掺合料体系性能优于石灰石粉-粉煤灰复合掺合料体系，三元复合掺合料性能优于二元复合掺合料。当石灰石粉掺量为掺合料总量的80%，矿粉和降粘剂掺量均为10%时，复合掺合料的性能最好，其中，SF2复合掺合料的流动度比可以达到111%，7d活性指数71.38%，28d活性指数74.71%，可以满足JG/T486-2015《混凝土用复合掺合料》中易流型复合掺合料的性能指标要求。（来源：《混凝土世界》2024.08）

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIzNjU1MTYwNw==&mid=2247521289&idx=6&sn=a777acc5582641719bcb532f8dd43cca

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