石灰石粉作混凝土礦物摻和料研究與標準解析

北京建筑大學教授宋少民

　　2013年6月22日在廣西南寧組織召開了全國石灰石粉在水泥與混凝土中應用技術研討會。北京建筑大學宋少民教授做了石灰石粉作混凝土礦物摻和料研究與標準解析的報告詳細介紹了現(xiàn)代混凝土的科學革命，現(xiàn)代混凝土中的粉體，石灰石粉混凝土試驗研究，相關標準的思考與技術要點。以下是報告具體內(nèi)容：
　　一．現(xiàn)代混凝土呼喚科學革命
　　美國科學哲學家?guī)於髟谥鳌犊茖W革命的結構》中認為：自然科學的發(fā)展除了按常規(guī)科學一點一滴地積累之外還必然要出現(xiàn)科學革命。當常規(guī)科學發(fā)展到一定程度時，反常出現(xiàn)了，發(fā)覺自然界不知怎么違反了由規(guī)范引起并支配著常規(guī)科學的預期。接著是對這個反常區(qū)域擴大進行探索。結果發(fā)現(xiàn)基礎動搖了，假定不對了。
　　我國目前的混凝土技術就處在這么一個時期：水泥混凝土技術在1850年以后水泥混凝土的出現(xiàn)和發(fā)展，發(fā)展到1960年前后，這一百多年的發(fā)展，應該說是在一個傳統(tǒng)意義的平臺上不斷的去積累去進步，當化學外加劑走向了歷史舞臺，并逐漸的越來越多顯示其強大作用的時候這一切發(fā)生了改變。發(fā)展到2000年前后混凝土世界在潛移默化中發(fā)生了巨大變化。
　　現(xiàn)代混凝土的反常：回彈法測強度怎么測不準了；骨料強度、水泥強度與混凝土強度的關系怎么變了；混凝土尺寸效應系數(shù)怎么會大于1.0；怎么連石灰石粉都能作為摻和料了，最小水泥用量不斷引起爭議；混凝土配合比設計方法怎么受到那么多質(zhì)疑呢？有人說：“混凝土的世界目前是天下大亂” 推動它發(fā)生巨大變化的就是化學外加劑，它是混凝土世界第一張多米諾骨牌，這張骨牌強有力的倒下，推動整個混凝土世界多米諾骨牌效應。以混凝土化學外加劑和礦物摻和料為物質(zhì)基礎；以大流態(tài)施工要求為特征。混凝土技術已經(jīng)處在科學革命的時期，拿出勇氣和智慧去制定新模式下的規(guī)則是混凝土界同仁的歷史使命。
　　二．現(xiàn)代混凝土中的粉體
　　在舊的模式下，認為混凝土中的粉體應該以高活性為衡量標準。我國的水泥產(chǎn)業(yè)至今仍然不懈致力于提高強度，其實是早期強度。
　　目前，混凝土中的粉料分成水泥和礦物摻和料，如果再加入石灰石粉，有人認為應該叫粉體。所以不僅有水灰比、水膠比，還出現(xiàn)了水粉比。這里的原因還是活性。在大家的潛意識里膠凝材料的好壞和定義的依據(jù)還是活性。
　　其實在化學外加劑技術已經(jīng)相當進步的今天，混凝土中的粉體應該更看重什么？我的理解是：優(yōu)良的需水行為，合理的粉體顆粒級配，滿足混凝土各齡期混凝土強度要求的活性，需要提示的是高早期活性的摻和料并不是普適需要的，在許多情況下可能相反。
　　以低水膠比、低水泥用量、低單位體積用水量為主要技術特征的現(xiàn)代混凝土，是當今混凝土技術的發(fā)展方向。在這一新技術平臺上，混凝土中需要水化產(chǎn)物填充的空隙已經(jīng)大大減小?；炷吝_到同樣強度，對凝膠的數(shù)量要求有所下降。所以低活性粉體有可能在混凝土中得到良好技術效果。
　　三．石灰石粉作摻和料的混凝土試驗研究
　　3.1背景
　　我國目前正處于基礎設施建設高峰期，建設規(guī)模巨大，建筑結構以鋼筋混凝土結構形式為主體，水泥與混凝土消耗量占世界總量的55%以上。現(xiàn)代混凝土是由水泥、砂、石、水、外加劑與礦物摻和料組成的六組分混凝土。而且為實現(xiàn)節(jié)能減排和耐久性目標，需要降低水泥用量，不斷提高礦物摻和料用量。在這樣的大背景下，礦物摻和料用量每年，保守地講應該在5億噸以上。目前粉煤灰作為礦物摻和料的最重要的品種已經(jīng)得到學術界和工程界的認同，得到廣泛使用。許多地區(qū)因為優(yōu)質(zhì)粉煤灰資源不足，二級以上粉煤灰遠遠不能滿足供應要求。
[Page] 　　三級粉煤灰和等外粉煤灰摻加量很低，否則影響混凝土質(zhì)量。礦渣粉不僅成本高，而且混凝土水化溫度高。尤其在水泥不斷漲價的情況下，在粉煤灰資源出現(xiàn)短缺的情況下，必須尋找新型礦物摻和料對粉煤灰進行必要補充。而且還有新的問題是我國的天然砂石資源的匱乏情況日益嚴重，所以石灰石粉必須快速走向前臺。但石灰石粉能不能做為摻合料呢？在摻合料規(guī)范中明確指出，石灰石粉能做為礦物摻合料。法國的西瓦克斯核電站用了大量的石灰石摻合料，很多工程都用到了再此就不一一列舉了。
　　3.2和易性
　　眾所周知，低水膠比混凝土粘度大，泵送混凝土是一個技術難題，石灰石粉可以顯著降低粘度，改善可泵性

　　3.3 強度
　　如果不考慮和易性那么加粉煤灰強度可能高一點，但是這沒有意義，和易性不好的混凝土不可能得到使用?？捎玫那闆r下，都達到要求的和易性，加石灰石粉強度相比加粉煤灰的早期強度要高，因為水膠比低，在很大程度上來說混凝土強度是由水膠比決定的，
　　石灰石粉后期強度進展與純的粉煤灰相比較低，所以特別提倡不要把石灰石粉單獨做為摻合料來使用就是考慮到石灰石粉和粉煤灰復合使用效果可能更好，用粉煤灰解決一些后期強度，用石灰石粉保證良好的和易性，把水降下來。

　　3.4耐久性
　　耐久性的試驗，一直關注的一個問題是碳酸硅鈣石反應，因此非常謹慎的做了很多試驗，在北京放了幾個冬天，各種鹽類，各種濃度浸泡，至今沒有發(fā)現(xiàn)碳酸硅和鈣石反應的證據(jù)。
　　抗碳化性能也很好，快速凍融和硫酸侵蝕整體情況看不如粉煤灰，但沒有大的問題，如果硫酸含量比較高的地區(qū)，抗硫酸侵蝕還是不如二級粉煤灰，所以在硫酸含量比較高的地區(qū)建議以粉煤灰為主體，但是在不接觸土壤不接觸水時完全可以用，易和性在石灰石粉和粉煤灰1:1的時候沒有明顯下降。在石灰石粉摻合量多的時候抗凍抗硫酸鹽侵蝕都是有下降趨勢的，比例是要合理控制的。
　　3.5 關于粗粒徑石灰石粉
　　以上研究都是針對超細粉，之后做了石灰石粉粗顆粒的一些的試驗，比水泥顆粒還要粗一點的石灰石粉，或者跟水泥顆粒相當?shù)模匀话l(fā)現(xiàn)了它的優(yōu)勢，強度沒有出現(xiàn)明顯的下降，它在摻合料中約15%-20%的摻入量的，基本上還是能保證技術性的，整體來看它比二級灰的強度要低一點。
[Page]　　如果是和水泥細度相當或比水泥粗的石灰石粉，作為礦物摻和料在混凝土中應用具有技術可行性。對于避免或降低砂石加工業(yè)副產(chǎn)品-石粉循環(huán)利用的二次能耗有重要意義。
　　400目石灰石粉占膠凝材料比例為18%時，膠砂28d抗壓強度最大；600目石灰石粉占膠凝材料比例為15%時，膠砂28d抗壓強度最大。

 

　　四．主要結論
　　1.超細石灰石粉具有優(yōu)異的減水增塑效果，可明顯改善混凝土工作性能對于中低強度等級混凝土，達到同樣坍落度時單位體積用水量明顯減少，對于高強混凝土而言，具有重要意義的是超細石灰石粉的加入使高強混凝土的黏度有顯著降低。
　　2.超細石灰石粉對混凝土強度影響不大對于中低等級混凝土，而在相同坍落度的條件下，由于需水量比低，可通過降低水膠比，使混凝土抗壓強度高于單摻粉煤灰的對比組混凝土。對于高等級混凝土，加超細石灰石粉對混凝土3d、7d、28d、60d的各齡期強度沒有影響，混凝土各齡期的強度相當。
　　3.摻入超細石灰石粉可以減少單位體積用水量，可減少混凝土的早期裂縫，提高混凝土抵抗早期開裂性能。
　　4.超細石灰石粉可以與粉煤灰或低品質(zhì)粉煤灰復合制備礦物摻和料，關鍵是控制細度和需水量比。
　　5.超細石灰石粉摻加過多可能導致新拌混凝土產(chǎn)生較多的氣泡。
　　6.在低水膠比下,摻量適當碳硫硅鈣石侵蝕可以得到控制。但石灰石粉摻量過多，則抗硫酸鹽能力下降。
　　7.適量摻入石灰石粉不會降低混凝土抗凍融循環(huán)性能，但石灰石粉摻量過多時可能降低混凝土抗凍融循環(huán)性能。
　　8.400目、600目石灰石粉在一定摻量下，對混凝土工作性、體積穩(wěn)定性、強度影響是有利的，具有技術可行性。
　　9.石灰石粉與低品質(zhì)硅鋁礦物材料可以制備石灰石粉復合礦物摻和料。帶動低品質(zhì)硅鋁質(zhì)礦物材料的合理利用。
　　10.石灰石粉表面能低，分散性能好，但活性低，低品質(zhì)粉煤灰、循環(huán)流化床灰等后期活性好，吸附性較大，揚長避短，合理復合使用。
　　五.標準的思考與技術要點
　　鑒于石灰石粉作為礦物摻和料的研究與應用已經(jīng)取得實質(zhì)性進展，國家和建筑工程的相關標準正在制定中。協(xié)會（或建材行業(yè)）標準《用于混凝土的石灰石粉》 即將頒布。
　　《用于混凝土的石灰石粉》標準編制是因為從摻和料產(chǎn)品生產(chǎn)到混凝土應用一并考慮更有利于推動石灰石粉作為礦物摻和料在混凝土中的廣泛應用。
　　石灰石粉可以應用于水泥和混凝土的科學依據(jù)在于石灰石粉具有很好的需水行為和分散性，可以顯著降低混凝土拌合物的用水量和降低低水膠比混凝土拌合物的粘度。
　　標準中規(guī)定：碳酸鈣含量≥54%； 碳酸鈣+碳酸鎂含量≥90% ； 流動度比≥100%； 亞甲藍（MB）值 不大于0.5、1.0、1.4分為三級。
　　將細度技術要求規(guī)定為細度 (45μm方孔篩篩余 )不大于45%，是考慮到在滿足混凝土性能要求的前提下盡可能降低石灰石粉利用的二次能耗。
　　本標準石灰石粉中碳酸鈣含量要求和國家標準有區(qū)別，主要是考慮允許一些以碳酸鈣為主要成分的白云巖作為石灰石粉用于混凝土以利于資源的合理利用。
　　將亞甲藍值列為重要技術指標。原因是如果亞甲藍值高，則石灰石粉在混凝土中的技術優(yōu)勢將大大降低。
　　流動度比列為重要技術指標。原因同上都關乎石灰石粉的需水行為。
　　等級不分為ⅠⅡⅢ級的理由是不想造成Ⅰ級最好的錯覺。其實許多材料不是好壞，而是是否合適。現(xiàn)在要做的是將材料用到合適的地方。
　　石灰石粉與低品質(zhì)硅鋁礦物材料可以制備石灰石粉復合礦物摻和料。例如低品質(zhì)粉煤灰、循環(huán)流化床灰都可以與石灰石粉復合制備摻和料，在混凝土中得到較好的技術、經(jīng)濟效益。帶動低品質(zhì)硅鋁質(zhì)礦物材料的合理利用。
　　關于低溫硫酸鹽環(huán)境的使用建議：關于低溫下發(fā)生碳硫硅鈣石反應的危害，研究表明在水膠比低于0.4時，發(fā)生的幾率不大。但摻加量過大時，抵抗硫酸鹽侵蝕能力與抗凍融破壞能力下降。建議低溫硫酸鹽環(huán)境中，與土壤、水接觸部位慎重使用。 不接觸部分可以使用。
　　充分利用石灰石粉與低品質(zhì)粉煤灰，可明顯降低單方混凝土價格。解決粉煤灰供應不足、地域分布不均的問題。一般環(huán)境下均可使用石灰石粉替代粉煤灰，只在低溫硫酸鹽環(huán)境下慎重使用。
　　即便石灰石粉在低溫硫酸鹽環(huán)境下存在缺陷，但是并沒有一種放之四海而皆準的材料，因此由于其可充分利用資源，節(jié)約能源，保護環(huán)境，分布廣泛等特性，石灰石粉可以廣泛應用于混凝土中且必將大放光彩！