石灰石粉在水泥基材料中的作用及对其耐久性的影响

2018-10-10 12:59:27 作者：史才军，王德辉，贾煌飞，刘剑辉来源：湖南大学土木工程学院分享至：

前言

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[1–3]。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[4]。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，具有显着的经济效益与社会效益。

目前，国内外围绕石灰石粉在水泥基材料中的作用机理[5–7]和石灰石粉对水泥基材料耐久性的影响[8–10]进行了广泛的研究。在一定的粒径和掺量内，石灰石粉可以加速硅酸盐水泥水化，改善水泥基材料孔结构和硬化水泥浆体界面，从而提高基体强度、抗渗透性、抗碳化性能、抗钢筋锈蚀性能。Bentz等[11]研究表明，石灰石粉的粒径越小，石灰石粉的晶核效应越明显，对水泥基材料早期水化的影响越显着。Liu等[5]通过压汞测试的孔结构分析发现，石灰石粉的粒径越小，填充效应越明显；石灰石粉掺量越大，总孔隙率越小。石灰石粉的掺入稳定了钙矾石，抑制其向单硫型硫铝酸盐的转变，增大了水化产物的固相体积，降低了水泥基材料的孔隙率[6–7]。Celik等[12]研究发现，和单掺25%石灰石粉的混凝土相比，复掺25%石灰石粉和20%粉煤灰的混凝土28 d强度增加了8%。Li等[8]发现水渗透深度随石灰石粉掺量的增加而减少。石灰石粉的掺入会降低混凝土的抗冻性，略微提高其抗氯离子渗透能力，减少钢筋锈蚀程度，降低碳化深度[13]。随着石灰石粉掺量的增加，水泥基材料的硫酸盐腐蚀程度加深[10]。综合以上研究发现，关于石灰石粉对水泥基材料的水化微观作用机理已有较多的研究，但是关于石灰石粉对微观性能的影响程度缺乏定量分析，石灰石粉和其它胶凝组分之间的相互作用的研究不够深入具体，微观性能和宏观耐久性能之间的关系也研究较少。

本文综述了石灰石粉在水泥基材料中的作用机理及对水泥基材料耐久性能的影响，并在此基础上对掺石灰石粉水泥基材料的未来研究工作提出了建议。

结论与建议

国内外对掺石灰石粉水泥基材料的性能进行了大量的相关研究，基于上述文献归纳总结和分析讨论，得出一些主要结论：

1）石灰石粉在水泥基材料中的作用机理分为4个方面：晶核作用、填充作用、稀释作用和化学作用。在一定的掺量内，石灰石粉的粒径越小或者掺量越大，石灰石粉的晶核作用和填充作用越明显，其化学作用也有一定的提高。然而，当石灰石粉粒径较大或掺量过大时，石灰石粉的掺入主要起稀释作用，晶核作用、填充作用和化学作用不明显。

2）掺石灰石粉的水泥基材料的渗透性受石灰石粉的晶核作用、填充作用、化学作用和稀释作用的影响。当石灰石粉主要表现为晶核作用、填充作用和化学作用时，抗水渗透性和抗氯离子渗透性随石灰石粉掺量的增大而增强；当石灰石粉主要表现为稀释作用时，水泥基材料的抗水渗透性和抗氯离子渗透性将随石灰石粉掺量的增大而减弱。

3）掺石灰石粉的水泥基材料的碳化深度主要与石灰石粉的化学作用、填充作用和稀释作用密切相关。当石灰石粉的颗粒粒径比水泥小时，随着石灰石粉掺量的增加，水泥基材料的抗碳化性能得到提升。当石灰石粉的颗粒粒径和水泥相近时，在一定石灰石粉掺量下，水泥基材料的抗碳化性能随石灰石粉掺量的增大而增强；而当石灰石粉超过一定掺量时，水泥基材料的抗碳化性能反而下降。

4）石灰石粉为碳硫硅钙石的形成提供所需，对硫酸盐侵蚀具有一定的促进作用。掺有石灰石粉的水泥基材料在长期低温（<15 ℃）硫酸盐侵蚀作用下，容易产生TSA（碳硫硅酸钙型）破坏。石灰石粉的掺量越大，侵蚀溶液对水泥基材料硫酸盐侵蚀破坏的作用越大。

5）掺石灰石粉的水泥基材料的抗冻性主要受石灰石粉稀释作用的影响。石灰石粉掺量增大时，水泥基材料的抗冻性逐渐减小。

6）掺石灰石粉的水泥基材料的抗钢筋锈蚀性能主要与石灰石粉的填充作用、化学作用和稀释作用密切相关。当石灰石粉的颗粒粒径比水泥小时，主要起填充作用和化学作用，随石灰石粉掺量的增大，水泥基材料的抗钢筋锈蚀性能增强；当石灰石粉的颗粒粒径和水泥相近时，主要起稀释作用，随石灰石粉掺量的增大，水泥基材料的抗钢筋锈蚀性能反而降低。

从对上述文献的分析讨论可知，诸多因素影响石灰石粉在水泥混凝土中的作用机理，目前的研究主要集中于石灰石粉的粒径和掺量对水泥基材料凝结硬化和耐久性能的研究。为了近一步研究石灰石粉对水泥基材料性能的影响，可以在如下方面进行研究：

1）对掺石灰石粉水泥基材料水化机理的研究。石灰石粉对水泥基材料的水化过程和微观结构形成的作用机理，还存在一些问题有待深入和完善。例如，石灰石粉影响了水泥基材料水化及水化产物的形成，掺石灰石粉的水泥基材料生成了碳铝酸钙，关于稳定存在的单碳铝酸钙研究比较多，而对于不稳定存在的半碳铝酸钙的生成机理、转变条件和生成量有待进一步的研究。

2）建立掺石灰石粉水泥基材料微观性能和宏观性能之间的定量关系。石灰石粉在水泥基材料水化中具有物理作用和化学作用，对水泥基材料的微观结构特性和宏观有显着的影响，然而，掺石灰石粉水泥基材料微观性能和宏观性能之间存在着什么关系？如何通过研究石灰石粉在水泥基材料中的物理填充作用和化学结合量，计算石灰石粉的物理填充作用和化学结合量对水泥基材料微观结构和性能的贡献度，为改善掺石灰石粉水泥基材料的微观结构和性能提供依据，有待进一步的研究。

3）建立掺石灰石粉水泥基材料抗硫酸盐腐蚀的数学模型。国内关于掺石灰石粉水泥基材料抗硫酸盐腐蚀性能的研究较多，都停留在了定性研究的层面，如何定量研究侵蚀破坏的程度与石灰石粉的粒径和掺量的关系？在此基础上，如何建立掺石灰石粉水泥基材料抗硫酸盐腐蚀性能与时间的关系，并建立相应的数学模型，仍然需要进行深入的研究。