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摘要：水泥生产过程中会排放出大量二氧化碳，消耗大量自然资源。为了减少二氧化碳排放和自然资源消耗，常用粉煤灰、矿粉等辅助性胶凝材料部分取代水泥。但是，辅助性胶凝材料的产量相对有限，且存在资源分布不均等问题。石灰石矿资源丰富，用磨细石灰石粉在水泥和混凝土生产过程中部分取代水泥，具有显著的经济效益与社会效益。
关键词：石灰石粉；水泥基材料；应用进展
1作用机理
1．1物理填充效应
通常认为石灰石粉的活性较低，所起的作用主要是物理作用，因此常被当作惰性填料。刘数华等研究表明，由于石灰石粉比水泥更细，能够很好地填充水泥浆体中的孔隙，改善孔结构，使浆体更为密实。王雨利等测试了不同比例石灰石粉与水泥混合物的湿堆积密度，发现石灰石粉为10%时混合物密实度最大。Zhang等测定了标准养护和蒸汽养护（45℃、7d）石灰石粉、粉煤灰水泥浆体和混凝土的孔结构，石灰石粉和粉煤灰的掺量均为40%，石灰石粉浆体和混凝土的水胶比为0.40和0.33、粉煤灰浆体和混凝土的水胶比为0.40，得到水胶比相同时，粉煤灰水泥浆体的微结构比石灰石粉水泥浆体更致密、石灰石粉混凝土的连通孔隙率高于粉煤灰混凝土的结论。Elgalhud等对全球1993年以来发表的有关石灰石粉对水泥浆体、砂浆、混凝土孔结构影响的文献进行总结分析，影响因素涉及硅酸盐水泥和石灰石粉类型、水泥细度和生产方法、养护、成熟度、水胶比以及粉煤灰、矿渣、硅灰和偏高岭土等混合材料，指出：尽管硅酸盐水泥中石灰石粉掺量达到25%可能不会损害孔结构，但就对强度的影响方面而言，石灰石粉限制掺量大概在15%，5～40℃的养护温度对孔结构的影响与硅酸盐水泥类似；提高温度会对孔结构产生不利影响。
1．2化学活性效应
研究表明，石灰石粉并非完全惰性，在水泥水化反应中起晶核作用，诱导水泥的水化产物析晶，加速水泥水化并参与水泥的水化反应，生成水化碳铝酸钙，并阻止钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙转化。Kakali等制备了掺0、10%、20%和35%石灰石粉的硅酸盐水泥，以及C3A和C3S浆体，采用XＲD和TGA测定1d、2d、7d和28d的水化产物，得到石灰石粉会延迟钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙转化、加速C3S水化和早期生成单碳铝酸钙等结论。Voglis等采用85%硅酸盐水泥熟料和15%混合材料及0.4水胶比制备复合水泥浆体，通过XＲD分析比较石灰石、粉煤灰和天然火山灰硅酸盐水泥的1d、2d、7d和28d的水化，得到第1天就生成单碳铝酸钙、第28天时仍然存在单碳铝酸钙的结论。Thongsanitgarn等采用最大粒径为5μm和20μm的2种石灰石粉，研究石灰石粉粒径对掺石灰石粉高钙粉煤灰硅酸盐水泥水化热的影响，浆体水胶比为0.5、石灰石粉掺量为0～30%、养护温度为20℃，由XＲD和TG分析，结果表明，石灰石粉粒径对水化热有较大影响，5μm石灰石粉会加快水化热释放而20μm石灰石粉对水化热释放无明显影响，两种粒径石灰石粉浆体到28d均观测到钙矾石和碳铝酸钙存在。Tydlitat等对80%硅酸盐水泥和20%石灰石粉制成的石灰石硅酸盐水泥，采用0.35和0.50的水胶比，监测20℃和35℃条件下浆体的早期水化热，认为石灰石粉对早期水化热释放有重要影响。Aqel等采用2种水泥（普通用途和高早强）、3种细度石灰石粉（粒径17μm、12μm、3μm对应比表面积分别为475m2/kg、380m2/kg、1125m2/kg）制备浆体和砂浆，石灰石粉掺量为0、5%、10%和15%，水灰比为0.37，蒸养条件为55℃、12h和16h，得到石灰石粉会加快水化、增加石灰石粉细度可减少水泥稀释效应影响的结论。
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2性能
2．1拌合物性能
石灰石粉可以改善水泥基材料的流变性能。掺入石灰石粉可减少水泥基材料拌合物的泌水和离析现象、降低屈服应力和黏度、提高流动速度，因而在自密实混凝土中获得广泛应用。欧洲自密实混凝土项目研究结果表明，含石灰石粉的自密实混凝土具有良好的拌合物性能，但也有研究得到石灰石粉会引起混凝土拌合物坍落度的剧烈损失。Yahia等研究表明，石灰石粉掺量超过临界值时砂浆黏度明显增加。Celik等采用粉煤灰和石灰石粉制备出了高工作性的自密实混凝土。
2．2力学性能
石灰石粉可提高水泥基材料的早期强度，后期强度增长极为缓慢、甚至有所降低。Zhang等研究得到结论：标准和蒸汽养护条件下，掺40%石灰石粉混凝土的3d、28d、90d抗压强度均低于相同掺量同龄期粉煤灰混凝土的抗压强度。Aqel等研究表明，石灰石粉能提高砂浆的早期强度，石灰石粉和水泥的细度会涉及石灰石粉对强度的影响。Yahia等、Celik等、尹耿等的研究表明，一定细度的石灰石粉可提高水泥基材料的早期强度，但掺量增加会降低强度。张风臣等测定了标准养护28d、蒸汽养护和蒸压养护条件下35%石灰石粉+65%硅酸盐水泥胶砂试件的抗压和抗折强度，得到结论：蒸汽养护后的强度低于标准养护28d的强度，蒸压养护后的抗压强度高于标准养护28d的抗压强度，但抗折强度低于标准养护28d的抗折强度。Shafigh等测定了掺石灰石粉和大掺量粉煤灰轻骨料混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，采用石灰石粉代替砂改善了混凝土的早期和后期抗压强度。Diab等测定了掺石灰石粉混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量，研究表明3d、7d、28d、365d抗压强度及28d劈裂抗拉强度和弹性模量均随石灰石粉掺量增加而降低，石灰石粉掺量在10%以内抗压强度降幅较小，劈裂抗拉强度的降幅大于抗压强度，弹性模量的降幅相对较小，掺入硅灰可改善材料性能。此外，Antoni等测定了复掺偏高岭土和石灰石粉砂浆的力学性能，高岩进行了石灰石粉混凝土基本力学性能试验研究。
2．3体积稳定性
石灰石粉对水泥基材料体积稳定性能影响的研究结论并不一致。郭育霞等研究表明，石灰石粉掺量对混凝土干缩性能的影响随干缩龄期的不同而不同，内掺时，干缩随掺量增加而增大。李悦等测定了石灰石粉掺量为10%、20%和30%混凝土的收缩性能，认为石灰石粉可以降低混凝土的收缩，掺量越高，降低效果越明显。肖佳等对石灰石粉水泥基材料的自收缩性能进行研究，结果表明，硬化浆体的自收缩随石灰石粉掺量的增加呈现先增加、后降低的趋势。Zhang等研究得到如下结论：石灰石粉对大体积混凝土绝热温升的减少与粉煤灰相同；水胶比相同时，体积稳定性与粉煤灰混凝土几乎相同。
3结论
从国内外已有的成果可以看出，在石灰石粉水泥基材料方面已开展了许多研究工作，并在工程中得到一定程度的应用，但基本局限于与其他活性掺合料混掺或碾压混凝土中。有关单掺石灰石粉水泥基材料的溶蚀、抗氯离子侵蚀等长期性能及其演化规律的研究极为缺乏，相关作用机理和性能调控方法方面面临诸多挑战。
参考文献：
[1]肖佳，王佳雷，郭明磊，王大富，左胜浩.水泥-石灰石粉浆体氯离子浓聚性能研究[J].硅酸盐通报，2017，36（08）：2523-2529.
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[3]贾煌飞.石灰石粉与辅助性胶凝材料在水泥基材料中的协同效应[D].湖南大学，2017.
[4]刘娟红，李康，宋少民，卞立波.石膏对石灰石粉水泥基材料水化及硬化性能的影响[J].材料导报，2017，31（04）：105-110+125.
论文作者:闫伟昂
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/10/1
标签：石灰石论文; 水化论文; 基材论文; 混凝土论文; 水泥论文; 抗压强度论文; 粉煤灰论文; 《基层建设》2018年第27期论文;