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【混凝土搅拌机】石灰石粉对混凝土性能的影响

发表于:2017.05.03

为了使石灰石粉更好应用在混凝土中,国内外学者在石灰石粉对水泥混凝土性能影响方面做了大量研究,结果表明石灰石粉的掺入不但能节约水泥,还能改善混凝土某些性能。石灰石粉主要化学成分是CaCO3,通常被认为是惰性材料,在混凝土中起填充作用。有些研究认为石灰石粉具有水化活性,发现CaCO3对C3A与C4AF的水化反应具有加速作用,生成碳铝酸盐。同时石灰石粉可作为水化硅酸钙(C–S–H)的成核基体,降低成核位垒,加速水泥水化。

    石灰石粉通常有三种方式应用于混凝土中:用石灰石粉取代部分细骨料、将石灰石粉外掺、石灰石粉当作矿物掺和料部分取代水泥。许多国内外学者分别研究了石灰石粉细度、掺量和掺加方式对混凝土性能的影响。

①石灰石粉对混凝土工作性能的影响

    随着施工技术和高层建筑的发展需要,工程建设对混凝土的工作性能要求越来越高。良好的工作性能可以提高混凝土可泵性,减低施工过程中的噪音,加快施工进度。相关人员用石灰石粉等量取代水泥配制混凝土,结果表明随着石灰石粉掺量的增加,混凝土初始坍落度不断增加,且坍落度经时损失减小。石灰石粉取代水泥后,填充在水泥颗粒间的空隙,置换出原本填充在水泥颗粒空隙中的自由水,加厚颗粒之间的水层。另一方面由于石灰石粉的形态效应,起到“滚珠”的作用,从而增加混凝土的流动性。石灰石粉的掺入则减少了水泥用量,延缓胶凝材料水化速度,降低了混凝土的坍落度经时损失。此外,石灰石粉比重较轻,在胶凝材料总质量不变的情况下,掺加石灰石粉使粉体体积增加,增加混凝土的含浆量,改善混凝土的和易性,减少了泌水和离析的发生。研究结果表明:当石灰石粉的掺量达20%时,混凝土的工作性能依然很好。但是也有文献表明,石灰石粉超过临界掺量时,会使砂浆的稠度显著增加。
②石灰石粉对混凝土力学性能的影响
    把石灰石粉磨细到与水泥相近的细度,结果表明:随内掺的石灰石粉掺量的增加,混凝土的抗压强度逐渐减小;而外掺石灰石粉时,混凝土的抗压强度随其掺量增加而增加。国内外学者研究表明:适量的石灰石粉取代水泥时,混凝土的早期强度有所提高,后期强度发展较好,但掺量不能超过一定界限,否则对混凝土强度发展不利。研究认为,石灰石粉能提高混凝土早期强度的原因是石灰石粉促进水泥早期水化,增加水泥水化的有效水灰比,实际有效水灰比的增大导致水泥石中的毛细孔增多,从而降低混凝土后期强度。混凝土早期强度提高的原因在于石灰石粉参与了水泥的水化,生成了稳定存在的单碳水化铝酸钙。同时石灰石粉的细度对混凝土力学性能影响明显,细度越大,越能发挥其活性效应,混凝土的强度越高。石灰石粉的细度越大对混凝土早期水化促进作用越明显。


石灰石粉对混凝土耐久性能的影响
    一般认为将石灰石粉用作矿物掺和料,可以提高混凝土的抗氯离子渗透性,减少钢筋的锈蚀程度,且石灰石粉越细,作用越明显。石灰石粉能提高混凝土的抗氯离子渗透性的主要原因是石灰石粉能改善孔结构,减少混凝土中大孔比例,对界面有一定的改善作用。同时石灰石粉可以降低混凝土的收缩,因为:1)石灰石中CaCO3和水泥中C3A的水化产物——水化碳铝酸钙具有膨胀性,2)石灰石粉表面光滑,在低水胶比的情况下相当于增加了水灰比,降低了混凝土的自收缩。有研究表明掺石灰石粉的砂浆或混凝土,常温下会在硫酸盐环境中生成石膏,因此产生较大的体积膨胀和开裂,导致强度大幅下降。若温度低于5℃,还会发生碳硫硅钙石侵蚀破坏,其劣化机理如下式所示:
     C-S-H+3Ca(OH)2+4MgSO4+32H2O→2C3S·CaSO4·15H2O+CaSO4·2H2O+4Mg(OH)2
通过微观分析发现,石膏存在于基体内和界面过渡区域。只要存在硫酸根,即使是不同的阳离子也具有很强的腐蚀性。
总的来说,石灰石粉对混凝土性能影响的机理主要为以下几个方面。


1)形貌效应
    颗粒的形貌效应分为形态效应和填充效应。一方面,由于分布在水泥颗粒间的石灰石粉颗粒表面光滑,使得水泥颗粒更加分散,从而增大颗粒间距,增加混凝土流动性。细小的石灰石粉颗粒对水泥水化形成的絮凝结构起着解絮作用。同时部分水泥被石粉取代,水泥的用量降低,减缓整个体系反应速度,因此混凝土工作性能得到改善,减小坍落度损失。另一方面由于石灰石粉的粒径很小,能与水泥熟料及其他矿物掺合料形成良好的级配,具有良好的填充效果。同时石灰石粉填充在水泥浆基体和界面过渡区的空隙中,使水泥石结构和界面结构更为致密,减小孔隙率和孔径直径,改善孔结构,从而提高水泥石强度和界面强度。
2)活性效应
    石灰石粉的活性效应主要表现在两方面:一是石灰石粉中CaCO3与水泥熟料中铝相发生反应,二是石灰石粉中CaCO3与水泥水化反应生成的Ca(OH)2反应。随着水化反应的不断进行,石灰石粉和铝酸三钙发生反应,生成具有一定胶凝能力的碳铝酸盐复合物,这种水化产物与其他水化产物相互搭接,增加混凝土的密实度,从而提高混凝土的强度和耐久性。G.Kakali等人通过XRD分析发现水泥水化产物中存在半碳水化铝酸钙,李悦等人也检测到三碳水化铝酸钙,但它不是稳定存在的,而是随时间在不断转化。陆平等人以石灰石粉做掺合料进行混凝土试验,结果发现了一种新生成相—碱式碳酸钙。这是由于水泥水化反应生成的Ca(OH)2晶体聚集在CaCO3的周围,将其腐蚀生成碱式碳酸钙。
3)加速水化效应
    当石灰石粉掺量适当,细小的石灰石粉颗粒充当了C-S-H的成核基体,可降低成核位垒,加快水化反应速度,从而改善水泥水化产物的分布。无论何种水泥,掺入适量石灰石粉均加速了其水化,石灰石粉的细度越大,其早期抗压强度增长越明显。
    试验表明:少量的碳酸盐能延迟C3S水化,当大量的碳酸盐存在,C3S单矿的水化加速。陆平等人的研究结果显示,随着碳酸钙掺量的增加,C3S水化放热速率显著增加,第一放热峰升高,第二放热峰提前,水化诱导期缩短,文章用吸附理论阐释了这一现象发生的原因。章春梅等人研究了不同细度和掺量的碳酸钙对水泥熟料矿物C3S水化的影响。结果表明,碳酸钙促进了C3S的水化,且细度对C3S水化的影响程度要比掺量的大。文章认为,石灰石粉的晶核效应促进了C3S的水化。

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