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【摘 要】随着城市建设进程不断加快，混凝土的用量逐年增加。水泥作为混凝土的基本组分之一，因其生产过程的高能耗和高排放，一直控制着混凝土的生产成本，影响混凝土绿色化发展的进程。为了进一步降低水泥生产成本且使其更加环保，利用工业废渣和其它新型低成本的混合料——石灰石粉，来生产少熟料和无熟料水泥，从而达到大幅度降低能耗和二氧化碳的排放的目的。本文针对石灰石粉对水泥强度的影响进行了分析研究。
【关键词】石灰石粉；水泥；强度；环保
强度是衡量混凝土质量最重要的指标之一。与许多其他材料一样，在水泥基材料诸性能中，传统上都将强度放在首位。而水泥强度则是指水泥试块在单位面积上所能承受的外力，它是水泥力学性能的主要指标。石灰石粉对混凝土性能特别是强度的影响，主要通过三大效应来表现，即加速水化效应、活性效应和颗粒形貌效应。其中加速水化效应和活性效应的贡献主要表现在早期，颗粒形貌效应中的形态效应对混凝土拌合物的流动性和保水性等产生影响，填充效应会对粉体材料的堆积密度产生影响，从而影响混凝土拌合物的流动性、密实度，表现为对孔隙率和强度的影响。石灰石粉的加速水化效应由其颗粒大小决定，细颗粒越多，加速水化效应越明显；活性效应除了与颗粒大小有关以外更主要受其成分影响；颗粒形貌效应则主要受其颗粒大小影响。这三大效应的直接表现是混凝土强度的变化。石灰石粉的细度和掺量将直接影响其三大效应的发挥，从而对混凝土强度发展产生影响。因此，我们首先研究石灰石粉掺量对水泥强度的影响。
一、石灰石粉掺量对水泥强度的影响
国内外将石灰石粉应用于混凝土的方式主要有三种：一是石灰石粉取代部分细骨料；二是石灰石粉外掺；三是石灰石粉取代部分水泥单掺或复掺。许多学者研究了石灰石粉不同的应用方式、掺量和细度对混凝土性能的影响，一般认为，石灰石粉对混凝土性能的影响主要与其加速水化效应、活性效应和颗粒形貌效应有关。
（1）石灰石粉取代部分细骨料的方式
以往在国内外大多数水利工程建设中，都把混凝土细骨料中0.075-0.16mm的微粒冲洗掉，费时费力。研究表明，人工砂中含有适量的石灰石粉微细颗粒可以增加碾压混凝土的密实性和可碾性，对碾压混凝土的性能有一定程度的改善作用，还可以降低工程造价。适宜的石灰石粉含量能改善碾压混凝土的拌合性能，提高拌合物的粘聚性、抗分离性，降低混凝土的孔隙率，提高碾压混凝土的密实性、抗渗性，有利于提高碾压混凝土的振动液化效果，并且能提高碾压混凝土的强度。研究发现：人工砂中的石灰石粉含量在24%以内时，其含量越高，混凝土强度越高，抗冻性和抗渗性越好；含有石灰石粉的石屑混凝土收缩变形、抗碳化和钢筋抗锈蚀能力与普通混凝土相当。外掺石灰石粉可以增大混凝土的流动性，延缓混凝土的坍落度损失，减小混凝土的含气量和泌水率，但不影响混凝土的凝结时间，在掺量合理的情况下能够提高混凝土的抗压强度。在混凝土中不替代水泥掺加石灰石粉，随着石灰石粉掺量的增加，混凝土坍落度的经时损失增大；随着石灰石粉掺量和比表面积的增大，混凝土的抗折强度明显增高；掺量为15%的石灰石粉混凝土比普通混凝土具有更大的劈裂抗拉强度。
（2）石灰石粉外掺的方式
石灰石粉作为掺合料的研究发现：当石灰石粉取代30%水泥的胶砂和混凝土时，比表面积越大的石灰石粉，需水量越大，胶砂流动度越低；颗粒较粗的石灰石粉配制的混凝土的流动性较好；在减水剂及水化作用相同条件下，石灰石粉作摻合料配制的混凝土工作性能介于II级粉煤灰与III级粉煤灰掺合料之间，与粉煤灰相比，石灰石粉配制的混凝土泌水率小，初凝及终凝时间较短。石灰石粉取代水泥能明显改善混凝土的流动性、保水性和抗离析性，提高混凝土的早期强度，但掺量提高后对后期强度不利，石灰石粉混凝土其抗氯离子渗透能力小于粉煤灰混凝土，自收缩明显低于粉煤灰混凝土。
（3）石灰石粉取代部分水泥单掺或复掺的方式
研究发现，用石灰石粉取代25%的粉煤灰的混凝土时，粉煤灰和石灰石粉复掺对碾压混凝土的VC值影响不大，而抗压强度、劈拉强度和抗渗性能均能得到保证；而石灰石粉和钛矿渣粉复掺，当石灰石粉掺量为10%，钛矿渣粉掺量为20%时，能够配制出工作性和强度均优于不掺掺合料的高强高性能混凝土；在保证混凝土各项性能指标的情况下，石灰石粉和钛矿渣粉的取代率甚至能达到40%。石灰石粉和锂渣复掺，锂渣固定掺量15%，当石灰石粉掺量在20%以上时，能够改善混凝土的工作性，但混凝土早期强度发展缓慢，后期强度与不掺掺合料的混凝土相当；锂渣固定掺量15%，石灰石粉掺量30%时仍能制备出高强高性能自密实混凝土。质量良好的石灰石粉应用于混凝土中不仅可以节约水泥熟料用量，而且可以降低混凝土水化热，极大地改善混凝土的性能，提高混凝土建设工程的质量，具有显著的技术经济效应。
二、石灰石粉细度对混凝土强度的影响
如前所述，石灰石粉对混凝土强度的影响主要通过三大效应来表现，其中加速水化效应和活性效应主要表现在早期。加速水化效应中，石灰石粉充当了成核基体，等质量的石灰石粉细度越大，颗粒含量越多，能提供的成核基体也越多，因此加速水化效应越明显，早期强度越高。28天时，大部分水泥水化完成，但石灰石粉的活性效应还没有完全发挥，石灰石粉取代了水泥，实际上是增大了有效水灰比，因此石灰石粉混凝土28天抗压强度要低于普通混凝土。28天后，细度对混凝土强度的贡献将不再起主导作用，甚至可以忽略不计。随着细度的增大，其比表面积越大，浆体含量增加，包裹粉体材料的水膜将减少，由此表现为，混凝土坍落度的增大和浆体流动性的减小，集料表面的空隙将无法填充，过渡区强度削弱，当细度达到一定值时，直接影响到后期强度发展。研究表明，石灰石粉对混凝土抗压强度的贡献主要是对早期强度的贡献，当掺量相同时，颗粒越细其颗粒含量越多，能提供的成核基体越多，加速水化效应和活性效应越明显，填充效应也越显著，因此对早期强度越有利。当细度不大于LP2等级时，石灰石粉对后期强度的贡献也较大，细度为LP3等级对后期强度不利。细度为LP2等级的石灰石粉对混凝土的劈裂抗拉能力最有利。相对于其他两个等级的石灰石粉而言，采用LP2等级的石灰石粉将能保证混凝土各龄期的强度要求。
石灰石粉的细粉含量要大于水泥，用部分石灰石粉取代水泥，将能使水泥的颗粒级配得到改善，使粉体材料更密实，因此对水泥基材料的性能产生有利影响。但是当掺量过大时，细粉含量过大，会得到适得其反的效果。无论是石灰石粉的加速水化效应还是活性效应，水泥都是反应物之一，因此，石灰石粉的加速水化效应和活性效应与水泥的量存在一个最佳的比例关系，小于这个比例，石灰石粉的加速水化效应和活性效应并不能完全发挥，但是由于水泥的量充足，因此对水泥基材料的性能不会产生不利影响；大于这个比例，尽管石灰石粉的加速水化效应和活性效应可以充分发挥，但是反应物水泥不足，多余的石灰石粉不能水化，从而对水泥基材料的性能产生不利影响。
三、结语
水泥是建筑工业三大基础材料之一，可广泛用于民用、工业、农业、水利、交通和军事等工程。同时，水泥工业是C02的排放大户，其排放量占人类活动制造的C02总量的5%，包括中国在内的全球水泥工业在未来生存和发展中必须解决减排C02的课题。因此，在未来的水泥工业发展的道路上，必须加快建设节能减排技改项目，不断提高管理水平，对水泥工业不断实施以节能、降耗、环保、资源综合利用为目的的技术改造。
【关键词】石灰石粉；水泥；强度；环保
强度是衡量混凝土质量最重要的指标之一。与许多其他材料一样，在水泥基材料诸性能中，传统上都将强度放在首位。而水泥强度则是指水泥试块在单位面积上所能承受的外力，它是水泥力学性能的主要指标。石灰石粉对混凝土性能特别是强度的影响，主要通过三大效应来表现，即加速水化效应、活性效应和颗粒形貌效应。其中加速水化效应和活性效应的贡献主要表现在早期，颗粒形貌效应中的形态效应对混凝土拌合物的流动性和保水性等产生影响，填充效应会对粉体材料的堆积密度产生影响，从而影响混凝土拌合物的流动性、密实度，表现为对孔隙率和强度的影响。石灰石粉的加速水化效应由其颗粒大小决定，细颗粒越多，加速水化效应越明显；活性效应除了与颗粒大小有关以外更主要受其成分影响；颗粒形貌效应则主要受其颗粒大小影响。这三大效应的直接表现是混凝土强度的变化。石灰石粉的细度和掺量将直接影响其三大效应的发挥，从而对混凝土强度发展产生影响。因此，我们首先研究石灰石粉掺量对水泥强度的影响。
一、石灰石粉掺量对水泥强度的影响
国内外将石灰石粉应用于混凝土的方式主要有三种：一是石灰石粉取代部分细骨料；二是石灰石粉外掺；三是石灰石粉取代部分水泥单掺或复掺。许多学者研究了石灰石粉不同的应用方式、掺量和细度对混凝土性能的影响，一般认为，石灰石粉对混凝土性能的影响主要与其加速水化效应、活性效应和颗粒形貌效应有关。
（1）石灰石粉取代部分细骨料的方式
以往在国内外大多数水利工程建设中，都把混凝土细骨料中0.075-0.16mm的微粒冲洗掉，费时费力。研究表明，人工砂中含有适量的石灰石粉微细颗粒可以增加碾压混凝土的密实性和可碾性，对碾压混凝土的性能有一定程度的改善作用，还可以降低工程造价。适宜的石灰石粉含量能改善碾压混凝土的拌合性能，提高拌合物的粘聚性、抗分离性，降低混凝土的孔隙率，提高碾压混凝土的密实性、抗渗性，有利于提高碾压混凝土的振动液化效果，并且能提高碾压混凝土的强度。研究发现：人工砂中的石灰石粉含量在24%以内时，其含量越高，混凝土强度越高，抗冻性和抗渗性越好；含有石灰石粉的石屑混凝土收缩变形、抗碳化和钢筋抗锈蚀能力与普通混凝土相当。外掺石灰石粉可以增大混凝土的流动性，延缓混凝土的坍落度损失，减小混凝土的含气量和泌水率，但不影响混凝土的凝结时间，在掺量合理的情况下能够提高混凝土的抗压强度。在混凝土中不替代水泥掺加石灰石粉，随着石灰石粉掺量的增加，混凝土坍落度的经时损失增大；随着石灰石粉掺量和比表面积的增大，混凝土的抗折强度明显增高；掺量为15%的石灰石粉混凝土比普通混凝土具有更大的劈裂抗拉强度。
（2）石灰石粉外掺的方式
石灰石粉作为掺合料的研究发现：当石灰石粉取代30%水泥的胶砂和混凝土时，比表面积越大的石灰石粉，需水量越大，胶砂流动度越低；颗粒较粗的石灰石粉配制的混凝土的流动性较好；在减水剂及水化作用相同条件下，石灰石粉作摻合料配制的混凝土工作性能介于II级粉煤灰与III级粉煤灰掺合料之间，与粉煤灰相比，石灰石粉配制的混凝土泌水率小，初凝及终凝时间较短。石灰石粉取代水泥能明显改善混凝土的流动性、保水性和抗离析性，提高混凝土的早期强度，但掺量提高后对后期强度不利，石灰石粉混凝土其抗氯离子渗透能力小于粉煤灰混凝土，自收缩明显低于粉煤灰混凝土。
（3）石灰石粉取代部分水泥单掺或复掺的方式
研究发现，用石灰石粉取代25%的粉煤灰的混凝土时，粉煤灰和石灰石粉复掺对碾压混凝土的VC值影响不大，而抗压强度、劈拉强度和抗渗性能均能得到保证；而石灰石粉和钛矿渣粉复掺，当石灰石粉掺量为10%，钛矿渣粉掺量为20%时，能够配制出工作性和强度均优于不掺掺合料的高强高性能混凝土；在保证混凝土各项性能指标的情况下，石灰石粉和钛矿渣粉的取代率甚至能达到40%。石灰石粉和锂渣复掺，锂渣固定掺量15%，当石灰石粉掺量在20%以上时，能够改善混凝土的工作性，但混凝土早期强度发展缓慢，后期强度与不掺掺合料的混凝土相当；锂渣固定掺量15%，石灰石粉掺量30%时仍能制备出高强高性能自密实混凝土。质量良好的石灰石粉应用于混凝土中不仅可以节约水泥熟料用量，而且可以降低混凝土水化热，极大地改善混凝土的性能，提高混凝土建设工程的质量，具有显著的技术经济效应。
二、石灰石粉细度对混凝土强度的影响
如前所述，石灰石粉对混凝土强度的影响主要通过三大效应来表现，其中加速水化效应和活性效应主要表现在早期。加速水化效应中，石灰石粉充当了成核基体，等质量的石灰石粉细度越大，颗粒含量越多，能提供的成核基体也越多，因此加速水化效应越明显，早期强度越高。28天时，大部分水泥水化完成，但石灰石粉的活性效应还没有完全发挥，石灰石粉取代了水泥，实际上是增大了有效水灰比，因此石灰石粉混凝土28天抗压强度要低于普通混凝土。28天后，细度对混凝土强度的贡献将不再起主导作用，甚至可以忽略不计。随着细度的增大，其比表面积越大，浆体含量增加，包裹粉体材料的水膜将减少，由此表现为，混凝土坍落度的增大和浆体流动性的减小，集料表面的空隙将无法填充，过渡区强度削弱，当细度达到一定值时，直接影响到后期强度发展。研究表明，石灰石粉对混凝土抗压强度的贡献主要是对早期强度的贡献，当掺量相同时，颗粒越细其颗粒含量越多，能提供的成核基体越多，加速水化效应和活性效应越明显，填充效应也越显著，因此对早期强度越有利。当细度不大于LP2等级时，石灰石粉对后期强度的贡献也较大，细度为LP3等级对后期强度不利。细度为LP2等级的石灰石粉对混凝土的劈裂抗拉能力最有利。相对于其他两个等级的石灰石粉而言，采用LP2等级的石灰石粉将能保证混凝土各龄期的强度要求。
石灰石粉的细粉含量要大于水泥，用部分石灰石粉取代水泥，将能使水泥的颗粒级配得到改善，使粉体材料更密实，因此对水泥基材料的性能产生有利影响。但是当掺量过大时，细粉含量过大，会得到适得其反的效果。无论是石灰石粉的加速水化效应还是活性效应，水泥都是反应物之一，因此，石灰石粉的加速水化效应和活性效应与水泥的量存在一个最佳的比例关系，小于这个比例，石灰石粉的加速水化效应和活性效应并不能完全发挥，但是由于水泥的量充足，因此对水泥基材料的性能不会产生不利影响；大于这个比例，尽管石灰石粉的加速水化效应和活性效应可以充分发挥，但是反应物水泥不足，多余的石灰石粉不能水化，从而对水泥基材料的性能产生不利影响。
三、结语
水泥是建筑工业三大基础材料之一，可广泛用于民用、工业、农业、水利、交通和军事等工程。同时，水泥工业是C02的排放大户，其排放量占人类活动制造的C02总量的5%，包括中国在内的全球水泥工业在未来生存和发展中必须解决减排C02的课题。因此，在未来的水泥工业发展的道路上，必须加快建设节能减排技改项目，不断提高管理水平，对水泥工业不断实施以节能、降耗、环保、资源综合利用为目的的技术改造。