石灰石粉作为混凝土矿物掺合料的研究及应用综述

时间：2024-09-30

蒲鲲，陈诚＊

（重庆华西易通建设股份有限公司，重庆 400000）

0 引言

粉煤灰和矿粉是混凝土最常用的矿物掺合料，但是粉煤灰、矿粉存在产量不足等问题，因此找到可替代的矿物掺合料对混凝土的发展具有重大意义。我国石灰石分布广、产量大，将石灰石磨细作为混凝土矿物掺合料具有广阔的发展前景。

对于石灰石粉在混凝土的作用机理，技术人员有多种不同的看法。史才军等[1]将石灰石粉的作用机理分为晶核、填充、化学和稀释作用。晶核作用是指石灰石颗粒能够吸附硅酸三钙水化释放出来的钙离子，增加 C-S-H 在界面处的含量，为水化产物提供晶核点；填充作用是指粒径较小的石灰石粉填充于胶凝材料颗粒间的空隙，优化了水泥基材料的颗粒堆积和粒径分布，降低水泥基材料的孔隙率，减小了孔的尺寸，提高水泥基材料的密实性，形成密实填充结构和细观层次的紧密堆积体系；化学作用是指由于石灰石粉的存在，能够生成碳铝酸钙，从而降低混凝土的孔隙率，抑制水泥基材料的收缩，提高混凝土的早期强度；稀释作用是指石灰石粉取代水泥将会减少胶凝材料的含量，从而减少了单位体积水泥基材料的水化产物。

1 石灰石粉作为混凝土矿物掺合料的研究现状

1.1 对混凝土拌合物工作性的影响

胡红梅等[2]用石灰石粉与不同的矿物掺合料配制高强自密实混凝土，研究结果表示石灰石粉分别复合粉煤灰、矿粉、硅灰均能获得良好的自密实性能，且石灰石粉能够发挥良好的填充作用，改善拌合物的性能。文俊强[3]研究了石灰石粉与粉煤灰、矿粉复掺的工作性，结果表明，拌合物工作性随着掺合料总量的增加而变得更好，且石灰石粉与矿粉复掺的工作性优于石灰石粉与粉煤灰复掺。

文俊强[3]研究了单掺石灰石粉的工作性能，固定胶凝材料 560kg/m3，石灰石粉的掺量分别从 0 增加到 60%，结果表明，石灰石粉掺量在一定范围内，拌合物的工作性随着石灰石粉掺量的增加越来越好，且在 50% 掺量时达到最佳工作性能。程薇玮[4]研究单掺 0～25% 的石灰石粉，结果表明超过一定掺量后拌合物容易泌水，粘聚性变差，且强度等级越低泌水临界点越小。

熊远柱[5]用比表面积分别为 511m2/kg、619m2/kg、779m2/kg 的石灰石粉替代水泥，掺量为 10%～30%，结果表明，石灰石粉的细度对拌合物坍落度和坍落度损失几乎没有影响，拌合物的性能主要取决于石灰石粉的掺量。熊远柱[5]同时研究了 60% 和 87% 的 CaCO3含量的石灰石粉对拌合物性能的影响，结果表明石灰石粉的 CaCO3含量对拌合物性能无明显影响。武海轮[6]采用不同细度的超细石灰石粉（444.6m2/kg、1319.4m2/kg、1888m2/kg）制备活性粉末混凝土，研究结果表明：随着石灰石粉比表面积的增大，活性粉末混凝土的稠度逐渐增大。宋少民等[7]研究发现石灰石粉的减水作用与Ⅰ级粉煤灰相当或更好，他采用比表面积 735m2/kg 超细石灰石粉替代粉煤灰配制 C60 混凝土，倒坍落度时间由 24 秒减少到 11 秒，说明随着石灰石粉掺量的增加混凝土的粘度逐渐减小。肖斐[8]等研究发现比表面积为1000～2500m2/kg 的超磨细石灰石粉作混凝土掺合料，掺量在 5%～20% 时具有明显的增塑、保塑和减水功能，在减少高效减水剂掺量和降低用水量的同时，改善新拌混凝土的和易性，减小混凝土坍落度的经时损失，其中比表面积大的石灰石粉掺合料效果更为明显。

1.2 对硬化混凝土力学性能的影响

宋少民等[7]用 0～18% 的超细石灰石粉替代Ⅱ级粉煤灰制作高强混凝土，发现各龄期强度基本持平，表明石灰石粉的活性与强度发展规律与粉煤灰相似。王校伟[9]以粉煤灰、矿粉为掺合料为基准，用比表面积 621m2/kg、MB 值 0.75 的石灰石粉分别替代粉煤灰和矿粉。其中，石灰石粉替代粉煤灰 7d 强度达到基准的 117%，28d 强度只达到基准的 88%；石灰石粉替代矿粉 7d 强度只达到基准的 77%，28d 只达到基准的 63%。肖斐[8]等掺入不同比表面积的石灰石粉替代水泥，得出结论：石灰石粉细度太大不利于混凝土强度的发展，石灰石粉最佳掺量在 10% 左右；比表面积在 1000～2500m2/kg，强度随着比表面积的增大而逐渐增加。熊远柱[5]的研究也同样证明了这一结论。

石灰石粉也应用于特种混凝土中。武海轮[6]采用石灰石粉分别取代石英粉和胶凝材料制备活性粉末混凝土（RPC），得出结论：采用 400 目石灰石粉完全取代石英粉，较取代率为 0 时，RPC 的抗压强度仅下降 9%，当石灰石粉细度为 1250 目时，强度则上升 3.4%；采用 1250 目石灰石粉分别取代胶凝材料（水泥、硅灰）时，RPC 的抗压强度逐渐降低，当取代率超过 30% 时，RPC 的抗压强度下降较为明显，因此取代率不得高于 30%。胡红梅等[2]用 25% 的石灰石粉搭配 15% 的矿粉制备 C60 自密实混凝土，工作性良好，28d 强度可以达到 69.0MPa；用 30% 的石灰石粉搭配 5% 的硅灰，工作性良好，28d强度达到 69.5MPa；用 10%～20% 的石灰石粉搭配粉煤灰，虽然和易性优良，但 28d 强度最高只有 62.8MPa，达不到配制强度要求。武会强[10]采用单掺石灰石粉配制 C30 自密实混凝土，虽然强度随着掺量增加而降低，但 50% 的掺量下，28d 强度能达到 38.6MPa，满足工作性和强度的要求。吴国林[11]采用石灰石粉制备泡沫混凝土，结果表明：适宜的石灰石粉掺量是可以提高泡沫混凝土的早期强度的，采用石灰石粉和矿渣复掺更能激发泡沫混凝土中水泥对强度的贡献，在石灰石粉掺量为 10% 时，可以提高泡沫混凝土早期强度，同时后期强度下降幅度不大。

大量的研究表明[3,12,13]，石灰石粉并非完全是惰性材料，它在水化的过程中可以与水泥中的 C3A 发生反应，生成水化铝酸钙，水化铝酸钙可以与其他产物相互搭接，使水泥石结构更为致密，从而提高了水泥石的强度。石灰石粉还具有加速水泥水化的作用[14-15]，特别是在早期很明显，有学者把这种作用叫加速效应，或者叫晶核效应。石灰石粉的填充效应使得混凝土孔隙结构更为致密，有利于混凝土强度的提高，不过，填充效应的大小跟石灰石粉的细度关系密切[16-18]。

1.3 对混凝土耐久性的影响

1.3.1 抗氯离子渗透

熊远柱[5]通过研究得出结论：石灰石粉作为混凝土掺合料，其细度对混凝土的抗氯离子渗透性能影响不大，只与掺量有关，掺量越大，抗氯离子渗透性能越差。宋少民等[19]采用石灰石粉复合 Ⅲ 级粉煤灰研究石灰石粉对混凝土耐久性的影响，其中，掺合料总量 40%，结果石灰石粉替代 50% 的粉煤灰混凝土氯离子扩散系数较单掺粉煤灰增大 71%，说明石灰石粉的抗氯离子渗透性能差于粉煤灰。王英楠[20]的研究同样证明了石灰石粉的抗氯离子渗透性能明显差于粉煤灰，混凝土抗氯离子渗透性能随石灰石粉的掺量增加而降低，同时，他研究发现：双掺石灰石粉和粉煤灰的抗氯离子渗透性能比单掺粉煤灰提高 50% 以上。

1.3.2 抗硫酸盐侵蚀

罗素蓉[21]等研究了掺石灰石粉混凝土抗硫酸盐侵蚀性能及机理，结果表明：石灰石粉的掺入增加了侵蚀产物中石膏的含量，从而引起混凝土试件抗侵蚀性能的下降，单掺 25% 和 50%（质量分数）石灰石粉试件抗压强度耐蚀系数分别下降了 23.1% 和 33.9%，粉煤灰、矿粉与石灰石粉互掺时表现出互补的协同效应，改善了掺石灰石粉混凝土抗硫酸盐干湿循环侵蚀的性能。宋少民等[19]研究了石灰石粉与低品质粉煤灰复掺的抗硫酸盐侵蚀，结果表明：在矿物掺合料总掺量在 40% 的条件下，石灰石粉与低品质粉煤灰比例为 7:3、8:2 的试件抗压强度明显降低，且降低约 16%，石灰石粉与低品质粉煤灰比例为 5:5 时混凝土立方体抗压强度并未降低。

综合国内诸多研究可以得出[22-24]，适量的石灰石粉不会降低混凝土抗硫酸盐侵蚀性能，且石灰石粉复掺粉煤灰、矿粉等掺合料具有更好的抗硫酸盐侵蚀性能。

1.3.3 抗早期开裂性能

成丹[25]研究了水泥—石灰石粉胶凝材料早期开裂性能，结果表明：掺石灰石粉会影响水泥胶砂的开裂时间，随着石灰石粉掺量的增加，试件开裂时间先减少后增加，当石灰石粉掺量为 10% 时，开裂时间最短，当石灰石粉掺量为 20% 时，开裂时间与纯水泥胶砂相当，当石灰石粉掺量为 30% 时，可以延迟开裂时间。宋少民等人[7]认为石灰石粉具有填充和形态效应，可以减少混凝土的单方用水量，从而减少早期开裂，并通过平板开裂实验也证明了这点。

1.3.4 抗冻性能

武会强[10]研究了掺量分别为 40%、50%、60% 石灰石粉的低强度自密实混凝土的抗冻性，试验结果表明：混凝土的抗冻性能随着石灰石粉掺量的增加而提高。并用微观分析证明了石灰石粉的掺入增加了混凝土的含气量，从而造成混凝土抗冻性能更好。熊远柱[5]研究了掺量 30% 不同细度的石灰石粉对混凝土抗冻性的影响，结论却有所不同，他得出的结果是：石灰石粉细度越细越有利于混凝土的抗冻性能，高掺量的石灰石粉不利于混凝土的抗冻性能。他给出的理由是：在一定的掺量范围内，石灰石粉可以改善混凝土的孔隙结构，提高混凝土的密实性，超过一定掺量后，水泥用量不足导致水化产物减少，影响了混凝土的密实性而导致抗冻性能变差。

笔者认为武会强和熊远柱的研究并不矛盾，可能的原因是材料和胶凝材料总量不同导致石灰石粉的临界掺量在试验中还未达到。

王英楠[20]研究发现，只掺加石灰石粉的混凝土抗冻性能差于单掺粉煤灰的混凝土抗冻性能，且复掺石灰石粉和粉煤灰的混凝土抗冻性能要优于单掺粉煤灰和单掺石灰石粉的混凝土抗冻性能，他认为这主要是因为石灰石粉的早期增强作用和粉煤灰后期活性效应的互补效应下，高性能混凝土水化产物相互交叉搭接形成整体，致使结构致密，降低了混凝土孔隙率，因此提高了混凝土抗冻融性能。

1.3.5 抗碳化性能

王校伟[9]以粉煤灰、矿粉为掺合料为基准，用比表面积 621m2/kg、MB 值 0.75 石灰石粉分别替代粉煤灰和矿粉，试验结果为：粉煤灰和矿粉复掺 28d 碳化深度 3mm，石灰石粉和矿粉复掺 28d 碳化深度 5.5mm，石灰石粉和粉煤灰复掺 28d 碳化深度 8.75mm。掺加石灰石粉会对混凝土抗碳化能力产生不利影响，他认为原因如下：第一，石灰石粉的主要成分碳酸钙本身就是混凝土碳化的产物，掺入石灰石粉会降低混凝土内部的碱度；第二，石灰石粉的活性低，掺加石灰石粉的混凝土后期会由于缺少水化产物而造成混凝土的密实度降低，CO2更易进入混凝土内部，混凝土碳化深度增大。

熊远柱[5]研究了石灰石粉细度对混凝土抗碳化性能的影响，其中，石灰石粉掺量 10%，试验结果为：掺加比表面积 511m2/kg 石粉的混凝土 90d 碳化深度 2.2mm，比表面积 619m2/kg 石粉的 90d 碳化深度为 1.6mm，比表面积 779m2/kg 石粉的 90d 碳化深度为 0.8mm。可以看出，石灰石粉比表面积的增大有利于混凝土抗碳化性能的提高。他认为，石灰石粉比表面积增大，混凝土强度增加，内部更密实，碳化深度就越小。同时，他研究指出混凝土碳化深度随石灰石粉掺量增大而增加。

关于碳化深度跟石灰石粉细度和掺量的关系，史才军[1]认为掺石灰石粉的水泥基材料的碳化深度主要与石灰石粉的化学作用、填充作用和稀释作用密切相关。当石灰石粉的颗粒粒径比水泥小时，随着石灰石粉掺量的增加，水泥基材料的抗碳化性能得到提升。当石灰石粉的颗粒粒径和水泥相近时，在一定石灰石粉掺量下，水泥基材料的抗碳化性能随石灰石粉掺量的增大而增强；而当石灰石粉超过一定掺量时，水泥基材料的抗碳化性能反而下降。

1.3.6 收缩性能

熊远柱[5]研究得出：石灰石粉取代水泥，取代量越大，干燥收缩越大，细度越细，干燥收缩越小。比表面积 619m2/kg；掺量 10% 时，收缩与普通混凝土基本相同；比表面积 779m2/kg、10% 掺量时收缩小于普通混凝土；掺量超过 10%，不论细度大小，收缩均大于普通混凝土，而且收缩随着掺量的增加而增大。袁航[26]的研究同样得出了“石灰石粉细度越细，干燥收缩越小”的结论。

吴国林[11]研究了不同水料比不同石灰石粉掺量下的泡沫混凝土干燥收缩值。其中，在水料比为 0.6 时，掺量 10% 到 40% 的各组干燥收缩依次为 2.59×10-3、2.53×10-3、2.42×10-3和 2.11×10-3，泡沫混凝土的干燥收缩值随石灰石粉掺量增加而逐渐减少。但是，水料比为 0.4、0.5 时并非有此规律。

笔者认为，影响泡沫混凝土干燥收缩值的因素有多个，而石灰石粉的掺量并非关键因素，因此才找不到影响泡沫混凝土干燥收缩与石灰石粉掺量的线性关系。

2 石灰石粉作为混凝土矿物掺合料的工程应用

石灰石粉在水工混凝土中有大量应用。鲜光伟等[27]采用石灰石粉配制堆石自密实混凝土并成功应用于松林水库大坝，该工程位于云南省昭通市彝良县。当地粉煤灰资源缺乏，需要外地采购，存在运费高和质量波动大的问题，因此他们应用当地砂石粉磨石灰石粉，通过研究表明，石灰石粉配制自密实混凝土比粉煤灰配制自密实混凝土单方可节约 58.46 元。在龙滩、漫湾、大朝山、小湾等水电工程，采用石灰石粉作为掺合料也取得了成功。我国西藏地区粉煤灰掺合料资源极度缺乏，扎曲果多、加查水电站等工程也应有了石灰石粉作混凝土掺合料[28]。

石灰石粉在房建市政工程中也有大量应用。程薇玮[4]通过石灰石粉作为掺合料生产 C30、C40、C50 混凝土，并应用于重庆国奥村和清水溪污水整治工程中，石灰石粉混凝土现场工作性良好，强度评定合格，实体结构验收合格。北京市宣武区长椿街长安融府工程中使用了掺石灰石粉混凝土，该工程基础底板设计强度等级为 C35P10，混凝土质量得到多方好评[29]。

石灰石粉作为混凝土掺合料也有应用于国外大型工程的案例。孙军[30]将石灰石粉应用于科科迪大桥，该工程位于西非国家科特迪瓦首都和经济中心阿比让市。日本明石海峡大桥采用了高流动性混凝土[31]，每立方米混凝土中石灰石粉掺量为 150kg。法国的西瓦克斯核电Ⅱ号反应堆[31]，采用的 C50 高性能混凝土中每立方混凝土中掺了 27% 的石灰石粉来取代水泥。在印度的基础设施建设中，也广泛开始使用石灰石粉混凝土[32]。