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石灰石粉在水泥基材料中的作用及對其耐久性的影響

2018-10-10 12:59:27 作者：史才軍，王德輝，賈煌飛，劉劍輝來源：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院分享至：

前言

水泥生產(chǎn)過程中會(huì)排放出大量二氧化碳，消耗大量自然資源。為了減少二氧化碳排放和自然資源消耗，常用粉煤灰、礦粉等輔助性膠凝材料部分取代水泥[1–3]。但是，輔助性膠凝材料的產(chǎn)量相對有限，且存在資源分布不均等問題[4]。石灰石礦資源豐富，用磨細(xì)石灰石粉在水泥和混凝土生產(chǎn)過程中部分取代水泥，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

目前，國內(nèi)外圍繞石灰石粉在水泥基材料中的作用機(jī)理[5–7]和石灰石粉對水泥基材料耐久性的影響[8–10]進(jìn)行了廣泛的研究。在一定的粒徑和摻量內(nèi)，石灰石粉可以加速硅酸鹽水泥水化，改善水泥基材料孔結(jié)構(gòu)和硬化水泥漿體界面，從而提高基體強(qiáng)度、抗?jié)B透性、抗碳化性能、抗鋼筋銹蝕性能。Bentz等[11]研究表明，石灰石粉的粒徑越小，石灰石粉的晶核效應(yīng)越明顯，對水泥基材料早期水化的影響越顯著。Liu等[5]通過壓汞測試的孔結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，石灰石粉的粒徑越小，填充效應(yīng)越明顯；石灰石粉摻量越大，總孔隙率越小。石灰石粉的摻入穩(wěn)定了鈣礬石，抑制其向單硫型硫鋁酸鹽的轉(zhuǎn)變，增大了水化產(chǎn)物的固相體積，降低了水泥基材料的孔隙率[6–7]。Celik等[12]研究發(fā)現(xiàn)，和單摻25%石灰石粉的混凝土相比，復(fù)摻25%石灰石粉和20%粉煤灰的混凝土28 d強(qiáng)度增加了8%。Li等[8]發(fā)現(xiàn)水滲透深度隨石灰石粉摻量的增加而減少。石灰石粉的摻入會(huì)降低混凝土的抗凍性，略微提高其抗氯離子滲透能力，減少鋼筋銹蝕程度，降低碳化深度[13]。隨著石灰石粉摻量的增加，水泥基材料的硫酸鹽腐蝕程度加深[10]。綜合以上研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)于石灰石粉對水泥基材料的水化微觀作用機(jī)理已有較多的研究，但是關(guān)于石灰石粉對微觀性能的影響程度缺乏定量分析，石灰石粉和其它膠凝組分之間的相互作用的研究不夠深入具體，微觀性能和宏觀耐久性能之間的關(guān)系也研究較少。

本文綜述了石灰石粉在水泥基材料中的作用機(jī)理及對水泥基材料耐久性能的影響，并在此基礎(chǔ)上對摻石灰石粉水泥基材料的未來研究工作提出了建議。

結(jié)論與建議

國內(nèi)外對摻石灰石粉水泥基材料的性能進(jìn)行了大量的相關(guān)研究，基于上述文獻(xiàn)歸納總結(jié)和分析討論，得出一些主要結(jié)論：

1）石灰石粉在水泥基材料中的作用機(jī)理分為4個(gè)方面：晶核作用、填充作用、稀釋作用和化學(xué)作用。在一定的摻量內(nèi)，石灰石粉的粒徑越小或者摻量越大，石灰石粉的晶核作用和填充作用越明顯，其化學(xué)作用也有一定的提高。然而，當(dāng)石灰石粉粒徑較大或摻量過大時(shí)，石灰石粉的摻入主要起稀釋作用，晶核作用、填充作用和化學(xué)作用不明顯。

2）摻石灰石粉的水泥基材料的滲透性受石灰石粉的晶核作用、填充作用、化學(xué)作用和稀釋作用的影響。當(dāng)石灰石粉主要表現(xiàn)為晶核作用、填充作用和化學(xué)作用時(shí)，抗水滲透性和抗氯離子滲透性隨石灰石粉摻量的增大而增強(qiáng)；當(dāng)石灰石粉主要表現(xiàn)為稀釋作用時(shí)，水泥基材料的抗水滲透性和抗氯離子滲透性將隨石灰石粉摻量的增大而減弱。

3）摻石灰石粉的水泥基材料的碳化深度主要與石灰石粉的化學(xué)作用、填充作用和稀釋作用密切相關(guān)。當(dāng)石灰石粉的顆粒粒徑比水泥小時(shí)，隨著石灰石粉摻量的增加，水泥基材料的抗碳化性能得到提升。當(dāng)石灰石粉的顆粒粒徑和水泥相近時(shí)，在一定石灰石粉摻量下，水泥基材料的抗碳化性能隨石灰石粉摻量的增大而增強(qiáng)；而當(dāng)石灰石粉超過一定摻量時(shí)，水泥基材料的抗碳化性能反而下降。

4）石灰石粉為碳硫硅鈣石的形成提供所需，對硫酸鹽侵蝕具有一定的促進(jìn)作用。摻有石灰石粉的水泥基材料在長期低溫（<15 ℃）硫酸鹽侵蝕作用下，容易產(chǎn)生TSA（碳硫硅酸鈣型）破壞。石灰石粉的摻量越大，侵蝕溶液對水泥基材料硫酸鹽侵蝕破壞的作用越大。

5）摻石灰石粉的水泥基材料的抗凍性主要受石灰石粉稀釋作用的影響。石灰石粉摻量增大時(shí)，水泥基材料的抗凍性逐漸減小。

6）摻石灰石粉的水泥基材料的抗鋼筋銹蝕性能主要與石灰石粉的填充作用、化學(xué)作用和稀釋作用密切相關(guān)。當(dāng)石灰石粉的顆粒粒徑比水泥小時(shí)，主要起填充作用和化學(xué)作用，隨石灰石粉摻量的增大，水泥基材料的抗鋼筋銹蝕性能增強(qiáng)；當(dāng)石灰石粉的顆粒粒徑和水泥相近時(shí)，主要起稀釋作用，隨石灰石粉摻量的增大，水泥基材料的抗鋼筋銹蝕性能反而降低。

從對上述文獻(xiàn)的分析討論可知，諸多因素影響石灰石粉在水泥混凝土中的作用機(jī)理，目前的研究主要集中于石灰石粉的粒徑和摻量對水泥基材料凝結(jié)硬化和耐久性能的研究。為了近一步研究石灰石粉對水泥基材料性能的影響，可以在如下方面進(jìn)行研究：

1）對摻石灰石粉水泥基材料水化機(jī)理的研究。石灰石粉對水泥基材料的水化過程和微觀結(jié)構(gòu)形成的作用機(jī)理，還存在一些問題有待深入和完善。例如，石灰石粉影響了水泥基材料水化及水化產(chǎn)物的形成，摻石灰石粉的水泥基材料生成了碳鋁酸鈣，關(guān)于穩(wěn)定存在的單碳鋁酸鈣研究比較多，而對于不穩(wěn)定存在的半碳鋁酸鈣的生成機(jī)理、轉(zhuǎn)變條件和生成量有待進(jìn)一步的研究。

2）建立摻石灰石粉水泥基材料微觀性能和宏觀性能之間的定量關(guān)系。石灰石粉在水泥基材料水化中具有物理作用和化學(xué)作用，對水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)特性和宏觀有顯著的影響，然而，摻石灰石粉水泥基材料微觀性能和宏觀性能之間存在著什么關(guān)系？如何通過研究石灰石粉在水泥基材料中的物理填充作用和化學(xué)結(jié)合量，計(jì)算石灰石粉的物理填充作用和化學(xué)結(jié)合量對水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的貢獻(xiàn)度，為改善摻石灰石粉水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能提供依據(jù)，有待進(jìn)一步的研究。

3）建立摻石灰石粉水泥基材料抗硫酸鹽腐蝕的數(shù)學(xué)模型。國內(nèi)關(guān)于摻石灰石粉水泥基材料抗硫酸鹽腐蝕性能的研究較多，都停留在了定性研究的層面，如何定量研究侵蝕破壞的程度與石灰石粉的粒徑和摻量的關(guān)系？在此基礎(chǔ)上，如何建立摻石灰石粉水泥基材料抗硫酸鹽腐蝕性能與時(shí)間的關(guān)系，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，仍然需要進(jìn)行深入的研究。