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摘要：通过45个100mm×100mm×100mm和15个50mm×150mm×300mm混凝土试块，研究石灰石粉混凝土的抗压强度和静力抗压弹性模量试验，探讨了石灰石粉掺量对混凝土坍落度、抗压强度和静力抗压弹性模量的影响。试验结果表明：随着石灰石粉掺量的增加，混凝土拌合物的坍落度增大。混凝土的抗压强度随着石灰石粉掺量的增加而减小，混凝土强度的降低幅度也随着混凝土的龄期的增加而提高。混凝土的静力抗压弹性模量随着石灰石粉掺量的增加而减小，混凝土弹模的降低幅度也随着混凝土的掺量的增加而提高。
关键词：混凝土；石灰石粉；坍落度；抗压强度；静力抗压弹性模量
中图分类号：TU37文献标识码：A
石灰石粉应用于混凝土中不仅可以节省水泥的用量，还可以降低混凝土水热化，极大的改善混凝土的各项性能，提高了混凝土在建设中的质量和经济效应。国外早已在混凝土工程中进行了及技术的开采和开发利用，但是我国在开采过程中仍对石灰石粉的利用价值认识不深，造成大量资源的浪费，同时还对环境造成不利影响。因此，很有必要对石灰石粉进行加工利用，减少水泥用量，减少资源浪费。在混凝土开采过程中，石灰石粉混凝土还是存在较大的市场潜力[1]。近几年来有一些学者把石灰石粉作为混凝土的惰性掺和料研究，重点研究它的微集料效应[2]。一些研究人员通过研究发现石灰石粉掺加到混凝土中对强度是有贡献的，它参与了混凝土的水化反应[3]。石灰石粉对混凝土的性能影响主要包括对混凝土工作性能、力学性能(抗压强度)和耐久性能的影响。这些影响往往是相互作用彼此关联的。一般而言，良好的工作性能意味着良好的力学性能和耐久性能[4]。石灰石粉应用于混凝土的掺加方式主要有三种：一是取代细骨料；二是取代水泥；三是不取代任何基本组分外掺。不同的掺加方式对混凝土性能的影响不尽相同。另外，石灰石粉的细度对其三大效应的影响比较显著。为此，研究石灰石粉对混凝土性能的影响，实际上就是研究石灰石粉不同掺加方式[5]。本文通过室内试验，相信研究在石灰石粉细度、水灰比等都相同的前提下，石灰石粉取代水泥的掺量这一个因素对混凝土坍落度与抗压强度的影响，为工程应用提供试验参考资料。
1 试验概况
1.1 实验材料
水泥：试验采用郑州天瑞水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，其物理力学性能见表1。
石灰石粉：石灰石粉为郑州市红信建材科技有限公司提供，其化学成分见表2。
细骨料：为天然河砂，细度模数为2.9。
粗骨料： 5mm至30mm连续级配，本实验采用的碎石全部经过筛洗，碎石中的石粉含量可忽略不计。
减水剂：试验采用郑州建科混凝土外加剂有限公司生产的黄褐色粉状JKH-1型高效减水剂。它对水泥具有分散作用，对混凝土具有减水增强作用，可大幅度节省水泥，显著改善混凝土的和易性。
水：郑州市自来水。
水灰比：实验采用的混凝土的水灰比为0.5，配合比见表3。
表1 水泥的物理性能
凝结时间/min 抗压强度/MPa 抗折强度/MPa
初凝时间 终凝时间 3d 28d 3d 28d
145 236 26.1 49.8 5.2 8.5
表2 石灰石粉化学成份
名称 CaO SiO2 MgO Al2O3 FeO3 K2O SrO SO3
含量% 91.2 3.11 2.54 1.22 1.03 0.25 0.21 0.42
表3 石灰石粉混凝土配合比设计
编号 水胶比 石粉掺量
/% 水泥kg/m3 石粉kg/m3 水
kg/m3 砂
kg/m3 碎石kg/m3 减水剂kg/m3
A-1 0.5 0 375.37 0 189.00 655.50 1180.12 1.55
A-2 5% 356.60 18.77
A-3 10% 337.83 37.54
A-4 15% 319.06 56.31
A-5 20% 300.29 75.08
1.2 实验方法
按《水工混凝土试验规程》[6]，分别采用45个100mm×100mm×100mm和15个150mm×150mm×300mm混凝土试件测量混凝土7 天、28 天、90天的抗压强度和28 天的静力抗压弹性模量。
坍落度试验：在拌合均匀的混凝土拌合物中取出试样，分三层均匀的装入坍落度桶内，用捣棒捣实后每层高度为筒高度的三分之一左右。在5至10秒内，将坍落度筒垂直平稳的提起。从开始装料到提起坍落度筒的过程中不间断的进行，在150s内完成。将筒放在坍落的混凝土试样一旁。量测筒高与坍落后混凝土试样最高点之间的高度差，为该混凝土拌合物的坍落度。
抗压试验：将试件从养护室取出擦拭干净，测量尺寸，检查外观。将承压板面擦净，并保证试件的承压面不抹油、承压面与试件成型面垂直和试件中心与试验机下压板中心对准。当上压板与试件接近时，调整球座，使试件受压均匀。试验规程规定以0.3～0.5 MPa/s的速度连续而均匀加载。本次试验在加载过程中，水胶比为0.50的混凝土加载速度控制在0.35 MPa/s左右[6]。
静力抗压弹性模量：将试件从养护室取出擦拭干净，观察外观，量测尺寸，尽快在与成型面垂直的两个面的相同位置装千分表。将试件放在试验机下压板上，开动压力试验机。当下压板与试件刚好接触时，调整球座，使其接触均衡。然后缓慢进行预压，加荷速度为0.2 MPa/s～0.3 MPa/s，最大压应力约为40%的破坏强度，进行反复预压3次，直至相邻两次的变形值差值不超过0.003 mm，否则继续预压。若达到要求，开始正式试验，加荷速度相同，初始应力值为0.5 MPa时，千分表调零。本次试验每20 KN记下各荷载值及对应变形值，当加荷应力达到50%的极限破坏荷载，卸下千分表，以相同速度将试件压至破坏，记下破坏值。
2试验结果分析
2.1 塌落度
混凝土拌合物的塌落度与石灰石粉掺量的关系曲线如图1所示。实验结果表明，随着石灰石粉掺量的增加，混凝土拌合物的坍落度增大。普通混凝土拌合物坍落度仅有66mm，在掺加了5％的石灰石粉后，坍落度增大至96mm，增幅达45％，而在掺加了10％的石灰石粉后，坍落度增大至132mm，增幅达100％，增加了一倍。其后，随着石灰石粉掺量的增加，拌合物坍落度略有增大，但增幅不大，增幅随着掺量的增大而减小。
圖1石灰石粉掺量对混凝土坍落度影响
2.2抗压强度
混凝土拌合物的抗压强度与石灰石粉掺量的关系曲线如图2所示。混凝土的抗压强度随着石灰石粉掺量的增加而减小，同样，混凝土强度的降低幅度也随着混凝土的龄期的增加而提高。当掺量为5%、10％时仍对强度影响较小，掺量超过10%对强度有影响，但掺量为20％时，强度仍能达到30MPa，当掺量超过20％时，混凝土的抗压强度随着掺量的增加迅速下降。试验结果表明石灰石粉取代水泥时，早期强度的损失更少。石灰石粉具有一定活性，但活性较弱。以石灰石粉等量取代水泥会使混凝土强度降低，当石灰石粉掺量大于20％时，混凝土的强度得不到保证。
图2 石灰石粉混凝土的立方体抗压强度
2.3静力抗压弹性模量
混凝土拌合物28天的静力抗压弹性模量与石灰石粉掺量的关系曲线如图3所示。混凝土的28天静力抗压弹性模量随着石灰石粉掺量的增加而减小。当掺量为5%时影响还很小，当掺量为10%、20%时分别降低了3.8%、6.7%。试验结果表明石灰石粉等质量取代水泥时，静力抗压弹性模量随着石灰石粉掺量的增加而减小，同时，降低幅度也随着混凝土的龄期的增加而提高。
图3 石灰石粉混凝土的静力抗压弹性模量
3 机理分析
从国内外的学者研究中发现，应用石灰石粉无论是等质量取代水泥，还是石灰石粉的外掺等其他方式应用到混凝土中去，对混凝土性能的影响是十分显著的，这些效应是物理作用和化学作用共同作用的结果[7]。
(1)石灰石粉的微集料效应
石灰石粉颗粒分散在混凝土中，一些颗粒填充在水泥颗粒的空隙中，混凝土颗粒的体系可以看作是各种级配的颗粒组成的体系，越小颗粒越能填充颗粒间的空隙，石灰石粉的细度比水泥颗粒要细得多，可以很好的填补水泥颗粒之间的空隙，进而混凝土的孔结构得到改善，混凝土硬化后能够形成密实的充填结构，并在细观层次上形成紧密的堆积体系，从而，改善了混凝土的基本力学性能和混凝土的耐久性能[8]。
(2)石灰石粉的分散效应
作用在混凝土中的石灰石粉颗粒会有一部分填充在水泥颗粒的空隙中，其中一些颗粒的填充使原本水泥颗粒之间的距离增大，这样就使原本的水泥颗粒分散，这样增加了混凝土的流动性。同时，另一些细小的颗粒在水泥的水化过程中起到解絮作用，进而减小了混凝土坍落度损失，改善了混凝土的工作性能。
(3)石灰石粉的微晶核效应
根据吸附理论，CaCO3微粒对水化过程中Ca2+的有吸附作用，水泥中C3S水化过程中要释放大量的Ca2+，将石灰石粉加入混凝土中，填充在水泥颗粒以外的空隙中的颗粒使CaCO3微粒浓度大大增加，CaCO3微粒浓度增加，一方面能够降低C3S颗粒Ca2+浓度，促进C3S的水化速度；另一方面能够增加CaCO3微粒表面中Ca(OH)2颗粒的含量，从而使整体结构更加紧密，有助于提高混凝土的强度和耐久性能，进而说明，石灰石粉中CaCO3微粒为水泥中C3S的水化過程和Ca(OH)2颗粒均起到微晶核的作用[9]。
4 结论
（1）混凝土的坍落度会随着石灰石粉掺量的增加而增大。在掺量过10%以后，增幅随着掺量的增大而减小。
（2）混凝土的抗压强度随着石灰石粉掺量的增加而减小，同样，混凝土强度的降低幅度也随着混凝土的龄期的增加而提高。
（3）混凝土的静力抗压弹性模量随着石灰石粉掺量的增加而减小，混凝土静力抗压弹性模量的降低幅度也随着混凝土的掺量的增加而提高。
参考文献：
[1] 冯乃谦.高性能混凝土[M]. 北京：中国建筑工业出版社,1996.
[2] 李俊毅，掺惰性材料水泥混凝土抗冻性试验研究［J］．低温建筑技术，1997，19( 3) : 11－ 12．
[3]涂成厚，石灰石粉的应用[J]．国外建材科技，1999，20(40)：19-22
[4] 洪锦祥，蒋林华等．人工砂中石粉对混凝土性能影响及其作用机理研究[J]．公路交通技术，2005，22(1 1)：84．88．
[5] A.M.Neville著.刘数华等译.混凝土性能[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.
[6] 中华人民共和国水利部. SL 352-2006 水工混凝土试验规程[S]. 北京: 中国水利水电出版社, 2006.
[7]李晶． 石灰石粉掺量对混凝土性能影响的试验研究［D］． 大连: 大连理工大学， 2008．
[8]S．Takami．掺石灰石细粉的高流动度硬化混凝土的性能研究．The 5“International Symposiumon Cement and Concrete．10．28-11，l，2002 SHANGHAI．CHINA．
[9] 陈剑雄，崔洪涛等．掺入超细石灰石粉的混凝土性能研究[J]．施工技术，2004，4(33)：39-41．
关键词：混凝土；石灰石粉；坍落度；抗压强度；静力抗压弹性模量
中图分类号：TU37文献标识码：A
石灰石粉应用于混凝土中不仅可以节省水泥的用量，还可以降低混凝土水热化，极大的改善混凝土的各项性能，提高了混凝土在建设中的质量和经济效应。国外早已在混凝土工程中进行了及技术的开采和开发利用，但是我国在开采过程中仍对石灰石粉的利用价值认识不深，造成大量资源的浪费，同时还对环境造成不利影响。因此，很有必要对石灰石粉进行加工利用，减少水泥用量，减少资源浪费。在混凝土开采过程中，石灰石粉混凝土还是存在较大的市场潜力[1]。近几年来有一些学者把石灰石粉作为混凝土的惰性掺和料研究，重点研究它的微集料效应[2]。一些研究人员通过研究发现石灰石粉掺加到混凝土中对强度是有贡献的，它参与了混凝土的水化反应[3]。石灰石粉对混凝土的性能影响主要包括对混凝土工作性能、力学性能(抗压强度)和耐久性能的影响。这些影响往往是相互作用彼此关联的。一般而言，良好的工作性能意味着良好的力学性能和耐久性能[4]。石灰石粉应用于混凝土的掺加方式主要有三种：一是取代细骨料；二是取代水泥；三是不取代任何基本组分外掺。不同的掺加方式对混凝土性能的影响不尽相同。另外，石灰石粉的细度对其三大效应的影响比较显著。为此，研究石灰石粉对混凝土性能的影响，实际上就是研究石灰石粉不同掺加方式[5]。本文通过室内试验，相信研究在石灰石粉细度、水灰比等都相同的前提下，石灰石粉取代水泥的掺量这一个因素对混凝土坍落度与抗压强度的影响，为工程应用提供试验参考资料。
1 试验概况
1.1 实验材料
水泥：试验采用郑州天瑞水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，其物理力学性能见表1。
石灰石粉：石灰石粉为郑州市红信建材科技有限公司提供，其化学成分见表2。
细骨料：为天然河砂，细度模数为2.9。
粗骨料： 5mm至30mm连续级配，本实验采用的碎石全部经过筛洗，碎石中的石粉含量可忽略不计。
减水剂：试验采用郑州建科混凝土外加剂有限公司生产的黄褐色粉状JKH-1型高效减水剂。它对水泥具有分散作用，对混凝土具有减水增强作用，可大幅度节省水泥，显著改善混凝土的和易性。
水：郑州市自来水。
水灰比：实验采用的混凝土的水灰比为0.5，配合比见表3。
表1 水泥的物理性能
凝结时间/min 抗压强度/MPa 抗折强度/MPa
初凝时间 终凝时间 3d 28d 3d 28d
145 236 26.1 49.8 5.2 8.5
表2 石灰石粉化学成份
名称 CaO SiO2 MgO Al2O3 FeO3 K2O SrO SO3
含量% 91.2 3.11 2.54 1.22 1.03 0.25 0.21 0.42
表3 石灰石粉混凝土配合比设计
编号 水胶比 石粉掺量
/% 水泥kg/m3 石粉kg/m3 水
kg/m3 砂
kg/m3 碎石kg/m3 减水剂kg/m3
A-1 0.5 0 375.37 0 189.00 655.50 1180.12 1.55
A-2 5% 356.60 18.77
A-3 10% 337.83 37.54
A-4 15% 319.06 56.31
A-5 20% 300.29 75.08
1.2 实验方法
按《水工混凝土试验规程》[6]，分别采用45个100mm×100mm×100mm和15个150mm×150mm×300mm混凝土试件测量混凝土7 天、28 天、90天的抗压强度和28 天的静力抗压弹性模量。
坍落度试验：在拌合均匀的混凝土拌合物中取出试样，分三层均匀的装入坍落度桶内，用捣棒捣实后每层高度为筒高度的三分之一左右。在5至10秒内，将坍落度筒垂直平稳的提起。从开始装料到提起坍落度筒的过程中不间断的进行，在150s内完成。将筒放在坍落的混凝土试样一旁。量测筒高与坍落后混凝土试样最高点之间的高度差，为该混凝土拌合物的坍落度。
抗压试验：将试件从养护室取出擦拭干净，测量尺寸，检查外观。将承压板面擦净，并保证试件的承压面不抹油、承压面与试件成型面垂直和试件中心与试验机下压板中心对准。当上压板与试件接近时，调整球座，使试件受压均匀。试验规程规定以0.3～0.5 MPa/s的速度连续而均匀加载。本次试验在加载过程中，水胶比为0.50的混凝土加载速度控制在0.35 MPa/s左右[6]。
静力抗压弹性模量：将试件从养护室取出擦拭干净，观察外观，量测尺寸，尽快在与成型面垂直的两个面的相同位置装千分表。将试件放在试验机下压板上，开动压力试验机。当下压板与试件刚好接触时，调整球座，使其接触均衡。然后缓慢进行预压，加荷速度为0.2 MPa/s～0.3 MPa/s，最大压应力约为40%的破坏强度，进行反复预压3次，直至相邻两次的变形值差值不超过0.003 mm，否则继续预压。若达到要求，开始正式试验，加荷速度相同，初始应力值为0.5 MPa时，千分表调零。本次试验每20 KN记下各荷载值及对应变形值，当加荷应力达到50%的极限破坏荷载，卸下千分表，以相同速度将试件压至破坏，记下破坏值。
2试验结果分析
2.1 塌落度
混凝土拌合物的塌落度与石灰石粉掺量的关系曲线如图1所示。实验结果表明，随着石灰石粉掺量的增加，混凝土拌合物的坍落度增大。普通混凝土拌合物坍落度仅有66mm，在掺加了5％的石灰石粉后，坍落度增大至96mm，增幅达45％，而在掺加了10％的石灰石粉后，坍落度增大至132mm，增幅达100％，增加了一倍。其后，随着石灰石粉掺量的增加，拌合物坍落度略有增大，但增幅不大，增幅随着掺量的增大而减小。
圖1石灰石粉掺量对混凝土坍落度影响
2.2抗压强度
混凝土拌合物的抗压强度与石灰石粉掺量的关系曲线如图2所示。混凝土的抗压强度随着石灰石粉掺量的增加而减小，同样，混凝土强度的降低幅度也随着混凝土的龄期的增加而提高。当掺量为5%、10％时仍对强度影响较小，掺量超过10%对强度有影响，但掺量为20％时，强度仍能达到30MPa，当掺量超过20％时，混凝土的抗压强度随着掺量的增加迅速下降。试验结果表明石灰石粉取代水泥时，早期强度的损失更少。石灰石粉具有一定活性，但活性较弱。以石灰石粉等量取代水泥会使混凝土强度降低，当石灰石粉掺量大于20％时，混凝土的强度得不到保证。
图2 石灰石粉混凝土的立方体抗压强度
2.3静力抗压弹性模量
混凝土拌合物28天的静力抗压弹性模量与石灰石粉掺量的关系曲线如图3所示。混凝土的28天静力抗压弹性模量随着石灰石粉掺量的增加而减小。当掺量为5%时影响还很小，当掺量为10%、20%时分别降低了3.8%、6.7%。试验结果表明石灰石粉等质量取代水泥时，静力抗压弹性模量随着石灰石粉掺量的增加而减小，同时，降低幅度也随着混凝土的龄期的增加而提高。
图3 石灰石粉混凝土的静力抗压弹性模量
3 机理分析
从国内外的学者研究中发现，应用石灰石粉无论是等质量取代水泥，还是石灰石粉的外掺等其他方式应用到混凝土中去，对混凝土性能的影响是十分显著的，这些效应是物理作用和化学作用共同作用的结果[7]。
(1)石灰石粉的微集料效应
石灰石粉颗粒分散在混凝土中，一些颗粒填充在水泥颗粒的空隙中，混凝土颗粒的体系可以看作是各种级配的颗粒组成的体系，越小颗粒越能填充颗粒间的空隙，石灰石粉的细度比水泥颗粒要细得多，可以很好的填补水泥颗粒之间的空隙，进而混凝土的孔结构得到改善，混凝土硬化后能够形成密实的充填结构，并在细观层次上形成紧密的堆积体系，从而，改善了混凝土的基本力学性能和混凝土的耐久性能[8]。
(2)石灰石粉的分散效应
作用在混凝土中的石灰石粉颗粒会有一部分填充在水泥颗粒的空隙中，其中一些颗粒的填充使原本水泥颗粒之间的距离增大，这样就使原本的水泥颗粒分散，这样增加了混凝土的流动性。同时，另一些细小的颗粒在水泥的水化过程中起到解絮作用，进而减小了混凝土坍落度损失，改善了混凝土的工作性能。
(3)石灰石粉的微晶核效应
根据吸附理论，CaCO3微粒对水化过程中Ca2+的有吸附作用，水泥中C3S水化过程中要释放大量的Ca2+，将石灰石粉加入混凝土中，填充在水泥颗粒以外的空隙中的颗粒使CaCO3微粒浓度大大增加，CaCO3微粒浓度增加，一方面能够降低C3S颗粒Ca2+浓度，促进C3S的水化速度；另一方面能够增加CaCO3微粒表面中Ca(OH)2颗粒的含量，从而使整体结构更加紧密，有助于提高混凝土的强度和耐久性能，进而说明，石灰石粉中CaCO3微粒为水泥中C3S的水化過程和Ca(OH)2颗粒均起到微晶核的作用[9]。
4 结论
（1）混凝土的坍落度会随着石灰石粉掺量的增加而增大。在掺量过10%以后，增幅随着掺量的增大而减小。
（2）混凝土的抗压强度随着石灰石粉掺量的增加而减小，同样，混凝土强度的降低幅度也随着混凝土的龄期的增加而提高。
（3）混凝土的静力抗压弹性模量随着石灰石粉掺量的增加而减小，混凝土静力抗压弹性模量的降低幅度也随着混凝土的掺量的增加而提高。
参考文献：
[1] 冯乃谦.高性能混凝土[M]. 北京：中国建筑工业出版社,1996.
[2] 李俊毅，掺惰性材料水泥混凝土抗冻性试验研究［J］．低温建筑技术，1997，19( 3) : 11－ 12．
[3]涂成厚，石灰石粉的应用[J]．国外建材科技，1999，20(40)：19-22
[4] 洪锦祥，蒋林华等．人工砂中石粉对混凝土性能影响及其作用机理研究[J]．公路交通技术，2005，22(1 1)：84．88．
[5] A.M.Neville著.刘数华等译.混凝土性能[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.
[6] 中华人民共和国水利部. SL 352-2006 水工混凝土试验规程[S]. 北京: 中国水利水电出版社, 2006.
[7]李晶． 石灰石粉掺量对混凝土性能影响的试验研究［D］． 大连: 大连理工大学， 2008．
[8]S．Takami．掺石灰石细粉的高流动度硬化混凝土的性能研究．The 5“International Symposiumon Cement and Concrete．10．28-11，l，2002 SHANGHAI．CHINA．
[9] 陈剑雄，崔洪涛等．掺入超细石灰石粉的混凝土性能研究[J]．施工技术，2004，4(33)：39-41．