长安大学 陕西西安 710018
摘要：本小组以石灰石粉和粉煤灰的复掺比例及细度分别作为自变量，以水泥胶砂试件的流动度和活性指数作为因变量，在测定复合掺和料基本物理指标的基础上，通过对水泥胶砂试件流动度和抗压强度的测定，来研究石灰石粉-粉煤灰复合掺合料的复掺比及细度对水泥基材料的影响，从而寻求石灰石粉与粉煤灰的最佳细度配合比，为复合掺和料的工程应用提供理论参考。试验结果表明：石灰石粉-粉煤灰复合比例为4:6、比表面积为500m2/kg时，复合掺合料对水泥基材料的性能影响最为有利。
关键词：石灰石粉；粉煤灰；流动度；活性指数
0 引言
[1,2,3]在倡导可持续发展的现今，随着我国经济的持续增长和基础建设规模的快速扩张，混凝土作为最基本的、用量最大的建筑材料，向着绿色化路线发展已成为必然。而复合掺合料利用多种组分的超叠加效应，可克服单一品种的性能缺陷，使掺合料的性能更加优越，因此复合掺合料是有效促进混凝土绿色化发展的重要途径。当前广泛用于水泥生产的矿物掺合料有硅灰、矿渣、粉煤灰等，而硅灰价格贵，矿渣、粉煤灰被大量使用，资源日趋紧缺，但我国石灰石粉资源丰富，廉价易得，且已有研究显示它的掺入可提高水泥的强度、改善其工作性能等。因此本次研究立足于小组实验，用石灰石粉和粉煤灰复合掺合料取代部分水泥进行实验，从而确定复合掺合料的最佳细度和配比，最终建立水泥基材料宏观性能与复合掺合料比例和细度的数量关系，为复合掺合料的生产以及其在工程中的应用提供依据。
1 试验
1.1实验原材料
水泥:采用普通硅酸盐水泥（P·0），42.5R；粉煤灰：采用蒲城粉煤灰；石灰石：采用泾阳石灰石；细骨料：采用厦门艾思欧标准砂有限公司生产的中国ISO标准砂；水：采用自来水。石灰石粉和粉煤灰的化学组成见表1-1。
表 1-1石灰石粉和粉煤灰的化学组成 %
1.2试验配合比设计及试件制备
本次试验研究中，石灰石粉-粉煤灰(LP:F)掺配比例分别为3:7、4:6、5:5、6:4、7:3，并用球磨机进行粉磨，粉磨时间控制为5min、10 min、15 min、20 min、30 min，制备出25组不同配合比不同细度的复合掺合料，并保持石灰石-粉煤灰总量为30%等量取代P.O 42.5水泥，制备40mm×40mm×160mm 的成型胶砂试件26组，试验配合比设计见表1-2。
表1-2 复合掺合料胶砂试验配合比
图1-1 筛余量与研磨时间的关系 图1-2 筛余量与研磨时间的关系
由“45μm筛余”的实验数据可以看出，粉磨时间为5 min的5组复合掺合料，筛余量在27%~34%的范围内波动；粉磨时间分别为30 min、20 min 、15 min、10 min时，复合掺合料45μm筛余随石灰石粉量的增加呈现增长趋势，但总体来看20组（初粉磨5min的五组）复合掺合料的45μm筛余均不大于25%，满足现行《混凝土用复合掺合料》JG/T 486中45μm筛余的技术参数的要求,属于Ⅱ级普通型复合矿物掺合料。因此，该复合掺合料可定为Ⅱ级普通型复合矿物掺合料，且粉磨时间宜不小于10 min，对应的复合掺合料的比表面积宜不小于400 m2/kg；25组石灰石-粉煤灰复合掺合料的密度在2.41g/cm3~2.62g/cm3的范围内波动，且25组石灰石-粉煤灰复合掺合料的比表面积与粉磨时间呈正相关。
1.4水泥胶砂试件的流动度与复合掺合料的细度及掺量的数量关系
本次研究采用不掺减水剂条件下的胶砂流动度（即水泥胶砂在流动桌上扩展的平均直径）来反映掺合料在混凝土中应用的流变性能。对水泥胶砂试件流动度的测定结果分析见图1-3和图1-4：
图1-3 粉磨时间与流动度比的关系 图1-4 石灰石掺量与流动度比的关系
由图1-3和图1-4可知，（1）25组不同复掺比的石灰石粉-粉煤灰水泥胶砂试件的流动度比均在100%以上，说明石灰石粉和粉煤灰的掺入有利于水泥基材料的流动度。（2）图1-3表明粉磨时间控制在5min~30min, 石灰石粉掺量控制在30%~70%，复合掺合料的胶砂流动性较好。（3）图1-4表明，在粉磨时间相同（粉磨5min除外）的条件下，复合掺合料的流动度比曲线变化呈M型，即当LP:F为5:5时，流动度比均较小，胶砂流动度较差；LP:F为4:6和6:4时，胶砂流动度比出现了峰值，且比例为4:6时，胶砂流动度比均大于110%。在各种比例组合的情况下，结合图1-3和图1-4可知，流动性较好的复合比例为4:6和6:4，此配比下胶砂流动度比均不小于105%，且配比为4:6时，粉磨20min的复合掺合料的胶砂流动比为116%；配比为6:4时，粉磨15min的复合掺合料的胶砂流动比为112%。因此，石灰石-粉煤灰复合掺合料推荐的粉磨时间为15min~20min，对应的比表面积宜在450 m2/kg ~ 550m2/kg，此条件下水泥基材料具有最理想的流动度。
1.5水泥胶砂试件的活性指数与复合掺合料的细度及掺量的数量关系
本次研究采用活性指数(即指掺有一定掺合料的水泥胶砂试件与符合ISO胶砂强度试件的抗压强度之比）来反映复合掺合料对水泥基材料抗压强度的影响。通过对水泥胶砂试件7d和28 d抗压强度的测定获得水泥胶砂试件7d和28d的活性指数，数据结果分析如图1-5（a）、图1-5（b）和图1-6（a）、图1-6（b）所示：
图1-5 （a） 图1-5 （b）
图 1-6 （a） 图 1-6（b）
由图1-5（a）可知：（1）石灰石粉-粉煤灰复掺配比为4:6和6:4时，7d活性指数普遍比其他复合比例的要高，并且7d活性指数随着细度（比表面积）的增大而增大，因此水泥胶砂试件的早期抗压强度随复合掺和料比表面积的增大而增大。（2）石灰石粉-粉煤灰复合比例为3:7和5:5、研磨时间为10分钟时，其活性指数虽然有能够达到峰值，但随着细度进一步增加，活性指数却有降低的趋势。由图1-5（b）可知：（1）当石灰石粉-粉煤灰混合料研磨时间大于15分钟时，7天活性指数大于65%。且活性指数随着石灰石掺量的增加呈M型变化。当石灰石粉掺量为50%时，活性指数达到极小值。因此试件7d的抗压强度随石灰石粉掺量的增加呈先增加后减小的趋势，且当其掺量为50%时试件7d抗压强度达到极小值，之后抗压强度又呈先增加后减小的趋势。（2）在石灰石粉掺量为40%和60%时活性指数达到极大值，则试件7d抗压强度此时也达到极大值。
由图1-6（a）可知：（1）石灰石粉-粉煤灰复合比例为4:6时，28天活性指数相较于其他复合比例普遍较高，且活性指数与掺和料细度呈正相关，但当比表面积大于500时，活性指数均呈下降趋势。（2）石灰石粉-粉煤灰复合比例为6:4时，活性指数与掺和料细度呈负相关，且都小于75%。由图1-6（b）可知：
（1）研磨时间大于15min且石灰石粉掺量在30%~55%时，胶砂试件28d的活性指数普遍较高，对应的此时28d抗压强的普遍较高。（2）在同一研磨时间下(初15min外)，随着石灰石掺量的增大，胶体活性指数总体上呈先增大后减小的趋势，当石灰石粉掺量在40%和60%时活性指数达到极大值，即此时胶砂试件28d抗压强度达到极大值。
2.结论
（1）就水泥基材料流动性而言，石灰石粉和粉煤灰的掺入有利于水泥基材料流动性的提高，且石灰石粉-粉煤灰复合比例选择4:6，粉磨时间控制在15min~20min，对应的比表面积处于450 m2/kg ~ 550m2/kg时，水泥基材料流动性能最理想。
（2）就水泥基材料抗压强度而言，石灰石粉-粉煤灰双掺比例为4:6和6:4时，早期抗压强度随着掺和料比表面积的增大而增大，且比例为4:6研磨，时间为20min，即石灰石粉-粉煤灰混合料的比表面积为500时，28d抗压强度普遍较大。
（3）结合石灰石粉-粉煤灰复合胶砂流动度和胶砂强度试验结果以及实际生产过程中可能出现的误差，综上所述：石灰石粉-粉煤灰复合比例为4:6、比表面积为500时，复合掺合料对水泥基材料的性能影响最为有利，即为本试验的最佳配合比和细度。
参考文献：
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注：获得国家级大学生创新创业训练计划项目资助
论文作者:何甜甜,李璐璐,侯江军,于振鑫,剌世宇
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/31
标签：石灰石论文; 基材论文; 粉煤灰论文; 掺合论文; 水泥论文; 抗压强度论文; 活性论文; 《防护工程》2019年8期论文;