石灰石粉复合粉煤灰水泥的制备及对混凝土性能影响

　　　Preparation of Limestone Powder Composite Fly Ash Cement and Influence on Concrete Performance

　　高 超1，刘娟红1，王小伦2，杨文烈2

　　( 1. 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083; 2. 重庆大业混凝土有限公司，重庆 408000)

　　摘 要: 采用石灰石粉和Ⅲ级粉煤灰作为混合材制备复合水泥，通过粉煤灰和石灰石粉的复合比例和掺量来优化水 泥性能，并用所制备的水泥配制混凝土，研究其对混凝土强度和抗裂性能的影响。结果表明: 随着石灰石粉掺量的增加， 复合水泥的标准稠度用水量明显下降，饱和掺量点提前，对外加剂的适应性表现良好; 粉煤灰和石灰石粉的复合比例在 7: 3 ～ 6: 4，混合材掺量为 20% ～ 40% 时，可以配制出 42. 5 和 32. 5 的复合硅酸盐水泥; 自制复合水泥所配制混凝土的工 作性和强度与重庆涪陵腾辉生产的水泥差别不大，裂缝数目和面积减少，抗裂性明显改善。

　　关键词: 石灰石粉; 复合水泥; 混凝土; 抗裂性

　　中图分类号: TQ172. 71 + 5 文献标识码: A 文章编号: 1005-8249( 2012) 04-0030-05

　　Gao Chao1 ，Liu Juan-hong1 ，Wang Xiao-lun，Yang Wen-lie2

　　( 1. University of Science and Technology Beijing. College of Civil and Environmental Engineering，Beijing 100083;

　　2. Chongqing Daye Concrete CO.，Ltd. Chongqing 408000. )

　　Abstract: Limestone powder and Ⅲ grade fly ash are mixed to prepare composite cement. Through changing the compound proportion and mixing amount of fly ash and limestone powder to optimize the performance of cement，and using self-made cement to prepare concrete，the influence on concrete''''s strength and crack resistance can be got. The results indicate that with the increasing of limestone powder. standard consistency water of composite cement decreases obviously，saturated mixing amount point advances and it is well-adapted to admixture. When the compound proportion of fly ash and limestone powder is 7: 3 ～ 6: 4，and the mixing amount is 20% ～ 40% ，composite portland cement of 42. 5 and 32. 5 can be prepared. The workability and strength of self-made composite cement has a small different with the cement produced by Chongqing Peiling Tenghui，and the number and size of crack reduce，which means crack resistance improues a lot.

　　Key words: limestone powder; composite cement; concrete; crack resistance

　自 1979 年，我国水泥标准经多次修订后，大多数水泥厂为了提高水泥强度，节约成本，采取的主要技术路线是增加 C3S 和 C3A、提高比表面积、在水泥中添加某些" 增强剂" 。导致水泥变得越来越细，高强和早强组分越来越多，水化热越来越大，抗裂性抗腐蚀性越来越差，与高效减水剂相容性变差。作为混凝土的主要组分的水泥，严重影响了混凝土结构的耐久性[1-4]。本文采用石灰石粉和Ⅲ级粉煤灰作为混合材，通过调整混合材掺量、粉煤灰和石灰石粉的复合比例来优化水泥性能，并采用所制备的水泥配制 C50 以下的

　　作者简介: 刘娟红，北京科技大学 土木与环境工程学院 教授，博导。

　　Email: juanhong1996@ hotmail. com

　　收稿日期: 2012-01-11

　　混凝土，研究其对混凝土强度和抗裂性能的影响。

　　1 原材料

     ( 1) 硅酸盐水泥熟料的矿物组成见表 1，熟料和石膏磨细后的比表面积在 360 ～ 370 m2 /kg 左右; ( 2 ) 重庆市建峰集团热电厂的Ⅲ粉煤灰，细度 32% ( 45μm 筛余) ，需水量比 105% ，烧失量 8. 6% ; ( 3 ) 重庆市大爱建材有限公司的超细石灰石粉，其细度 ( 45μm 筛余)为 2. 2% ，比表面积为 750m2 /kg，需水量比为 94% ; ( 4)天然二水石膏; ( 5) 重庆涪陵腾辉工厂生产的 P. C32. 5和 P. O42. 5 水泥，水泥的主要性能指标见表 2; ( 6) 机制砂为重庆市大爱建材有限公司生产的粗砂和细砂，粗砂　的细度模数 3. 4，表观密度 2700kg /m3，细砂的细度模数表观密度 2640kg /m3，粗砂和细砂的比例为 1: 1;

　　粉 煤 灰 综 合 利 用

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　　试 验 与 应 用

　　( 7) 重庆市大爱建材有限公司生产的二级配石子，粒径为 5mm ～ 10mm、10mm ～ 20mm 的比例 1: 2，密实堆积后的空隙率为 35. 6% ; ( 8 ) 成都吉龙外加剂有限公

　　表 4 复合水泥的物理性能编 混合材掺量 LP 掺量 标稠 初凝 终凝 密度 细度 / % 胶砂流动号 / % / % / % /min /min /g /m3 45μm 80μm 度 /mm司生产的萘系高效减水剂，减水率为 18% ～ 20% 。

　　表 1 熟料的矿物组成 / %

　　　　

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

水泥的主要性能指标

　　水泥 凝结时间 /min 抗压强度 /MPa 抗折强度 /MPa 细度 / % 标准稠

表 5 复合水泥的胶砂强度混合材 LP 掺量 抗折强度 /MPa 抗压强度 /MPa标号 初凝 终凝 3d 28d3d 28d ( 45μm) 用水量 / %编号 FA: LP掺量 / % / %

　　　　

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 试验结果及分析

　　2. 1 复合水泥的制备及其性能选择比表面积为 368 m2 /kg 左右的硅酸盐水泥熟 料，分别掺入 20% 、30% 、40% 混合材，其中粉煤灰和 石灰石粉的复合比例分别为 7: 3、6: 4、5: 5，水泥的具 体组成见表 3。

　　表 3 复合水泥的优化配合比熟料 + 石膏 混合材掺量 LP 掺量 FA 掺量

　　

　　

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

粉煤灰的需水量比为 105% ，石灰石粉的需水量

　　比为 94% ，由此可见，粉煤灰的需水量大于石灰石粉 的，因此，当混合材掺量一定时，随着石灰石粉掺量的增加，粉煤灰掺量减小，复合水泥的标准稠度用水量减 少; 另外，石灰石粉作为一种惰性材料，基本不参与水 泥的早期水化，与水泥熟料相比，石灰石粉具有更多的 细颗粒，石灰石粉细颗粒分散在水泥熟料和粉煤灰颗粒间，填充了颗粒间的空隙，所需的空隙填充水就变 少，使得胶凝材料的标准稠度用水量降低。

　　由表 4 可以看出，当混合材掺量为 20% 时，随着石灰石粉掺量的增加，初凝时间变化不大，终凝时间略有降低; 当混合材掺量为 40% 时，石灰石粉掺量从根据标准测定复合水泥的标准稠度用水量、初凝时间、终凝时间、密度、细度、胶砂流动度和强度，具体结果见表 4、表 5。12% 增加到 20% 时，初凝时间和终凝时间呈现先降低后增大的趋势。凝结时间满足规范要求，但初凝时间 与终凝时间平均相差不到 1h，可根据实际需要，通过 调节石膏含量来调整。

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　　试 验 与 应 用

　　由表 5 可以看出，当混合材掺量为 20% 时，当FA: LP = 7: 3 和 6: 4 时 28d 抗压强度均大于 42. 5MPa， 所以当 FA: LP = 7: 3 ～ 6: 4 时，配制的复合水泥满足复 合硅酸盐水泥 42. 5R 对强度的要求。当混合材掺量 为 30% 时，FA: LP = 6: 4 ～ 5: 5 时，复合水泥满足复合 硅酸盐水泥 32. 5R 对强度的要求。当混合材掺量为 40% 时，FA: LP = 7: 3 时，复合水泥满足复合硅酸盐水 泥 32. 5 对强度的要求。

　　2. 3 复合水泥与外加剂的适应性

　　本试验主要研究混合材掺量为 20% 和 40% 时，石灰石粉掺量对复合水泥与外加剂的适应性的影响。萘系减水剂的掺量分别为 2. 0% 、2. 2% 、2. 4% 、2. 8% 、3. 0% 、3. 2% 和 3. 4% 时，测定各试样的复合水泥的净浆流动度，试验结果见表 6，不同石灰石粉掺量下复合

　　水泥的净浆流动度随外加剂掺量的变化见图 1。

　　表 6 复合水泥与外加剂的适应性

　

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

　LP 掺量 萘系外加剂掺量

　　编号12% 时，饱和掺量为 2. 8% 左右。比较石灰石粉掺量为 16% 和 20% 两条曲线，当外加剂掺量为 2. 0% 时，前者的净浆流动度为 120mm，而后者的净浆流动度153mm，说明虽然石灰石粉掺量为 16% 和 20% 时两者的饱和掺量点基本相同，但在相同掺量下石灰石粉掺量为 20% 时净浆流动度大，即石灰石粉掺量越大，净浆流动性越好。由于混合材的活性远远低于水泥熟料，水泥熟料表面发生了水化，吸附减水剂，混合材无法吸附或者吸附量很少，使得在相同外加剂掺量下混合材掺量越大游离在水泥中的减水剂越多，所以，当混合材掺量增加，饱和点降低。随着石灰石粉掺量的增加，胶凝材料的堆积空隙率变小，需要填充空隙的自由水变少，需要破坏絮凝结构的减水剂量随之减少，从而降低了饱和点。虽然粉煤灰的珠状颗粒具有的形态效应，起到了分散和润滑作用，可减少水泥颗粒问、水泥颗粒与骨料问的摩擦[5]，与外加剂的相容性较好，但试验所用粉煤灰为Ⅲ级粉煤灰，烧失量大 ( 含碳量高) ，球状玻璃/ % 2. 0 2. 2 2. 4 2. 8 3. 0 3. 2 3. 4

　　体少，所以当粉煤灰掺量增加时，对外加剂的适应性表

　　　　( a) 混合材掺量为 20% 时 ( b) 混合材掺量为 40% 时图 1 复合水泥净浆流动度随外加剂掺量的变化由图 1( a) 可以看出，当混合材掺量为 20% 时，石灰石粉掺量为 10% 时，饱和掺量点为 3. 0% ，此时，净浆流动度为 223mm，说明在相同外加剂掺量下，石灰石粉掺量越高，净浆流动性越好。由图 1 ( b ) 可以看出，当混合材掺量为 40% 时，石灰石粉掺量为 16% 和20% 时，饱和掺量为 2. 5% 左右，而石灰石粉掺量为现就差。

　　2. 4 复合水泥配制混凝土配比与性能

　　大多数常用的混凝土的强度在 C30 ～ C40 左右， 根据上述自配的复合水泥，选取 B2 ( 作为 P. O42. 5 水 泥) 和 B7( 作为 P. C32. 5 水泥) ，通过与重庆涪陵腾辉 工厂生产的水泥进行对比，研究和探讨自制复合对混凝土和抗裂性的影响。配合比设计采用 3 种胶凝材料总量，分别是 400kg /m3 ，440 kg /m3 和 480 kg /m3 ，其中编号单数的选用重庆涪陵腾辉工厂生产的水泥，编号双数的选用自配的复合水泥 B2 和 B7。X-1 ～ X-6 为外掺矿物掺合料( 粉煤灰和石灰石粉) ，X-7 ～ X-10 为胶凝材料中不掺矿物掺合料，X-11 和 X-12 设计为高强度混凝土，复合水泥采用 B2，减水剂采用聚羧酸高效减水剂。成型后标准养护测其 3d、7d、28d 抗压强度。试验室配合比和

　　性能见表 7、8。

　　采用平板试验法研究试验室自制的复合水泥和重 庆涪陵腾辉工厂生产的水泥的开裂性能，不同配合比 在 4d 开裂情况和评价结果见表 9。

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　　试 验 与应 用

　　表 7 混凝土的配合比

　　编 胶凝材料 C FA LP 粗砂

　　号 /kg /m3

　　细砂 中石 小石 W AD

　　W /B

　　/kg /m3

　　坍落度

　　/mm

　　　　

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表 8 混凝土的力学性能 由表 7-8 可以看出，自制的复合水泥和重庆涪陵编号 3d 强度 /MPa 7d 强度 /MPa 28d 强度 /MPa 强度等级腾辉生产的水泥在相同配比的情况下，所制得的混凝X-1 28. 1 32. 2 44. 3 C30 土坍落度和强度相差不大，完全能配制出 C50 以下的X-2 27. 0 29. 2 42. 9 C30 混凝土; 从强度增长方面来看，自制的复合水泥在粉磨X-3 34. 3 41. 2 52. 9 C40 时由于没有添加助磨剂和早强剂，3d 至 28d 的强度增X-4 33. 5 37 42. 2 C30 长比重庆涪陵腾辉生产的水泥要大。X-5 38. 2 40. 7 50. 1 C40 从平板开裂试验结果可中: X-8 的抗开裂等级最X-6 34. 3 40. 7 49. 9 C40 高，达到Ⅰ级，而 X-9 的抗开裂等级最低，仅为Ⅳ级。X-7 34. 0 36. 9 49. 8 C35 X-8 和 X-10 的抗裂等级分别高于 X-7 和 X-9，X-7 的X-8 30. 1 36. 9 47 C35 最大裂缝宽度为 0. 1mm，最长裂缝为 3mm; X-8 在 4dX-9 43. 8 52. 4 67. 3 C50 时没有产生裂缝; X-9 在 4d 时有很多明显的细小裂X-10 46. 7 47. 5 62. 7 C50 缝，最大裂缝宽度达 0. 2mm; X-10 的裂缝明显少于 X-X-11 50. 4 59. 2 69. 2 C50 9。由此可见，试验室自配复合水泥的抗裂性能要好于X-12 52. 0 52. 9 63. 0 C50 重庆涪陵腾辉工厂生产的水泥。

　　3 结论

　　表 9 不同水泥配制的混凝土 4d 开裂情况和评价结果

　　编号平均开裂面积 单位面积裂缝 单位面积上总 抗裂性/mm2 数目 /根 /m2 裂缝面积 /mm2 /m2 等级

　　

 

 

 

 

 

 

 

( 1) 当低等级粉煤灰和石灰石粉复掺到硅酸盐水

　　泥熟料中，粉煤灰和石灰石粉的复合比例宜控制在 7:X-7 0. 13 17 2. 21 Ⅱ级 3 ～ 6: 4 之间，混合材掺量控制在 20% ～ 40% 之间。X-8 0. 00 0 0. 00 Ⅰ级 ( 2) 当混合材掺量为 20% 、FA: LP = 7: 3 和 6: 4X-9 0. 75 189 141. 75 Ⅳ级 时，配制的复合水泥满足复合硅酸盐水泥 42. 5R 对强X-10 0. 08 78 6. 24 Ⅱ级 度的要求。当混合材掺量为 30% 、FA: LP = 6: 4 ～ 5: 5时，配制的复合水泥满足复合硅酸盐水泥 32. 5R 对强

　　2. 5 复合水泥对混凝土性能的影响 ( 下转第 37 页)

　　粉 煤 灰 综 合 利 用

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　　建 筑 科 技

　　4 结论

　　应用超声波技术对大直径钻孔桩成孔质量进行检 测，可以提供包括孔深、孔径、孔垂直度、孔壁状况和孔 底沉渣厚度等参数，为进行下一步灌孔做好准备，可保 证工程的质量。同时，还可以在试钻初期用来指导校 正调整钻机的钻进参数，提高成孔质量。

　　在检测大直径、超深孔时超声波法目前是世界上

　　( 上接第 26 页)

　　对于其它等外粉煤灰，可以因地制宜地用于配制混凝土砌块、筑路、填坑造地和矿井回填等[4]。

　　4 结 语

　　贵州省粉煤灰资源丰富，但目前的利用率明显低于全国平均水平，且增量灰综合利用量的增长速度又低于排放量的增长速度。究其原因，主要是粉煤灰的品质偏低。根据对粉煤灰品质的抽检结果，改善粉煤灰的细度指标是提高贵州粉煤灰品质的关键，其次是降低粉煤灰的烧失量。在改善粉煤灰品质的同时，宣传、普及" 粉煤灰能够改善混凝土性能、降低混凝土生产成本" 的科学认识是拓宽粉煤灰利用方式和提高利用率的必要措施。Ⅲ级粉煤灰可大量用作混凝土( 特度的要求。当混合材掺量为 40% 、FA: LP = 7: 3 时，配制的复合水泥满足复合硅酸盐水泥 32. 5 对强度的要求。

　　( 3) 随着石灰石粉掺量的增加，复合水泥的标准 稠度用水量明显下降，饱和掺量点提前，对外加剂的适 应性表现良好。

　　( 4) 在相同条件下，自制复合水泥配制混凝土的 工作性和强度与重庆涪陵腾辉生产的水泥差别不大。 在胶凝材料用量为 480 kg /m3 时，能配制出和易性良 好、强度达 65MPa 的混凝土。

　　( 5) 试验室自配复合水泥的抗裂性明显好于重庆较先进的检测方法，这一技术的推广和应用对提高桩基成孔质量方面具有十分重要的意义。

　　参 考 文 献

　　[1] 王献敏，戴斌，陈福兴，顾晓鲁，杨光笑. 钻孔灌注桩成孔、地下连续墙成槽检测技术规程 DB 29-112-2004 J10497-2005 天津市市政工程建设标准 .别是碾压混凝土) 的掺合料，非等级粉煤灰可用于配 制混凝土砌块、筑路、填坑造地和矿井回填等。

　　参 考 文 献

　　[1] 中共贵州省委重大问题调研领导小组办公室，中共贵州省委政策研究室. 创新求是 服务决策--中共贵州省委 2008 年度重大问题调研成果汇编[M]. 北京: 中共中央党校出版社，2009 年 11 月.

　　[2] 方坤河. 碾压混凝土的耐久性[J]. 湖北水力发电. 1997 ( 4 ) : 34 ～

　　[3] 陈昌礼.高掺粉煤灰的碾压混凝土在普定水电站拱坝中的应用

　　[J]. 混凝土与水泥制品. 1997( 3) : 24 ～ 27.

　　[4] 陈昌礼，赵振华. 贵州省粉煤灰综合利用现状与发展思考[J]. 建

　　筑技术，2012( 4) .

　　涪陵腾辉生产的水泥。裂缝数目和面积明显减少。

　　参 考 文 献

　　[1] 廉慧珍，韩素芳. 现代混凝土需要什么样的水泥[J]. 水 泥，

　　[2] 黄大能. 高性能混凝土与超高标号水泥[J]. 福建建材，1995，

　　[3] 乔龄山. 对硅酸盐水泥质量问题的探讨[J].水泥，1996，(7) .

　　[4] 刘娟红，宋少民. 绿色高性能混凝土技术与工程应用[M].北京:

　　中国电力出版社. 2011.

　　[5] Blanco F，Garcia M. P，gyala J. Variation in fly ash properties with

　　milling and acid leaching[J]. Fuel，2005，84( 1) .