摘 要：为了给水泥应用中用好石灰石粉提供参考，以比表面积为410 m2/kg的石灰石粉为基准样研究石灰石粉性质随比表面积的变化；以不掺石灰石粉的水泥为基准样，对掺入不同比表面积不同掺量石灰石粉的水泥根据相关标准开展性能研究。结果表明，随着石灰石粉比表面积的增加，亚甲蓝值略有增加28d活性和流动性改善；石灰石粉掺量为10%时，水泥标准稠度随比表面积增加而降低，比表面积为1020m2/kg时最佳，但凝结时间因掺量而异；水泥净浆流动度和扩展时间在掺量10%时提高石灰石粉比表面积效果较为明显；混凝土抗折强度在低掺量下发展良好，同时受比表面积影响；石灰粉掺量低于20%时，混凝土抗压强度随比表面积增加而增加，掺量30%比表面积为410m2/kg时混凝土强度最佳。

关键词：石灰石粉 水泥性能 比表面积 扩展时间 强度

0 引言 

石灰石粉作为混凝土矿物掺合料受到生产和技术人员的关注。石灰石粉来源广，性能可调控性强，且可充分利用矿产开采过程中产生的尾料，因此石灰石粉建材化利用符合行业可持续发展趋势。

石灰石粉的特性和应用性能随着研究的深化，日益为人所知。石灰石粉的应用效果受到比表面积、掺量的影响，可以影响水泥浆体的流变性能。王靖凯、徐清研究了石灰石粉的不同比表面积在其部分取代水泥后对水泥浆体性能的影响，结果表明，石灰石粉可以缩短水泥凝结时间，胶砂流动度随比表面积增大而减小，力学性能受石灰石粉掺量影响较大。苗苗等通过分析也发现石灰石粉比表面积增大时，水泥浆体粘度和屈服应力增加。但在邓国庆等人[3,4]的研究中，石灰石粉可以降低水泥浆体屈服应力，颗粒水膜层厚度提高。

石灰石粉掺量同样对混凝土性能产生影响。何牟、孟祥杰研究了石灰石粉掺量对混凝土工作性能、力学性能和抗碳化性能的影响，认为石灰石粉掺量不宜超过18%。刘金平、李信等认为石灰石粉在混凝土中最大掺量为10%。不同的研究人员对石灰石粉的适宜掺量结论不同，在于选取的样本不同，同时也和比表面积有关。磨细可以发挥石灰石粉的填充效应，且较细的颗粒可以更好地诱导水泥水化，提高水泥基材料力学和耐久性能，此外也有学者发现通过掺入磨细石灰石粉可以降低水泥水化热。

当前研究对石灰石粉的适宜比表面积和掺量仍然存在分歧，本项目探究石灰石粉性质随比表面积的变化及其比表面积和掺量对水泥性能的影响，以供参考。

01 原材料及试验方法 

1.1 原材料

（1）水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，水泥的主要性能指标见表1。超细石灰石粉：将石灰石进行冲洗、烘干，破碎成直径约3~10 mm的小块，放入球磨机中粉磨30 min，得到的石灰石粉比表面积为410 m2/kg，然后放至气流磨中分别粉磨30 min、50 min、70 min、90 min，获得的石灰石粉比表面积分别为690㎡/kg、805㎡/kg、930㎡/kg、1020㎡/kg。水泥和石灰石粉的主要化学组成见表2所示。

2）外加剂采用聚羧酸高效减水剂，含固量为16%，无色透明液体。

1.2 试验方法

（1） 石灰石粉性能测试：参照《用于水泥、砂浆和混凝土中的石灰石粉》（GB/T35164-2017）进行石灰石粉比表面积、亚甲蓝值、活性及流动度比测试。

（2）水泥标准稠度和凝结时间测试：将石灰石粉等质量取代10%、20%、30%的水泥，参照《通用硅酸盐水泥》（GB175-2023）对复合胶凝材料的标准稠度和凝结时间进行而测试。进高质量技术9群加微信：19065257741

（3）水泥净浆流动度试验：称取水泥300g，按照质量比将石灰石粉等量取代水泥，称取85g水、4g外加剂，对水泥净浆流动度进行测试。

（4）水泥胶砂力学性能：参照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GBT17671-2021），采用石灰石粉等量取代水泥，称取450 g复合胶凝材料、1350 g标准砂、225g水，拌合后成型40mm×40mm×160mm的条形试模，覆膜养护24h后转为标准养护（20 ℃±2 ℃，RH>90%），测试相应龄期的抗折和抗压强度。

02 试验结果与讨论 

2.1 比表面积对石灰石粉性质的影响超细石灰石粉的特性见表3（S1为基本样）。

从表3可知，随着石灰石粉比表面积增加，石灰石粉亚甲蓝值略有增加，但增幅相对较小，说明石灰石粉比表面积对其吸附性能影响不大。石灰石粉比表面积减小，28 d活性增加，流动度比增加。随着粉磨时间增加，石灰石粉颗粒直径变小，粉体空隙率降低，石灰石粉的填充效应增强，活性增加，这是因为石灰石粉降低了水泥浆体的剪切应力，粘度下降，浆体流动性增加。

2.2 石灰石粉比表面积和掺量对水泥标准稠度和凝结时间的影响

图1和图2为掺入不同比表面积石灰石粉后水泥标准稠度和凝结时间的测试结果。

从图1可知，在石灰石粉取代水泥10%时，标准稠度随石灰石粉比表面积增加而减小，而掺入20%和30%的石灰石粉水泥标准稠度均先降低后增加，最低标准稠度对应的石粉比表面积均为805 m2/kg，石灰石粉过细或较粗均不利于水泥标准稠度的降低。这说明，石灰石粉取代水泥时，标准稠度受到掺量和比表面积双重影响，在掺量为10%时，此时通过磨细后的超细石灰石粉可以有效发挥填充效应，释放较多的自由水，由于微小粒径的颗粒对水泥包裹后降低了水分与水泥颗粒的反应触点，也造成水泥水化需水降低。在石灰石粉掺量为20%和30%时，805 m2/kg则为降低水泥标准稠度的最适宜石灰石粉比表面积。

在石灰石粉掺量10%时，随比表面积增加，水泥初凝和终凝时间有所缩短，达到1 020 m2/kg时，初凝和终凝时间相比纯水泥分别缩短30 min、38 min。20%石灰石粉掺量的水泥初凝和终凝时间延长，30%石灰石粉掺入后水泥凝结时间在石灰石粉比表面积大于805 m2/kg后又减少。水泥的凝结伴随着浆体失去塑性及水化硬化的过程，在石粉较低的掺量内，较细的石灰石粉可以有效发挥晶核作用，促进Ca2+在碳酸钙的附着，从而促进水泥水化，在石粉掺量提高后，水泥凝结时间则受颗粒分布和团聚等综合影响，出现凝结时间缩短的比表面积值不尽一致。

2.3 石灰石粉比表面积、掺量对水泥流变性能的影响

水泥流变性能够反映石灰石粉加入后对水泥浆体的剪切屈服应力的影响，通过扩展时间（达到200 mm流动度时的时间）考察水泥粘度的变化。具体结果见表4所示。

从表4可知，在石灰石粉掺量为10%时，掺入不同比表面积石灰石粉的净浆流动度均大于纯水泥CL-0组，且扩展时间也有所缩短，在石灰石粉比表面积为930 m2/kg时，水泥净浆流动度最大，扩展时间也最短，此时的水泥浆体粘度最小。掺入20%的石灰石粉依然可以提高水泥净浆流动度，在石灰石粉比表面积为805 m2/kg和930 m2/kg时，水泥流动性相差不大，净浆扩展时间也相近，此时浆体粘度较小。但30%石灰石粉掺入后，其比表面积较小时反而浆体流动性较好，扩展时间也较短，这说明石灰石粉掺入较多时，较细的石灰石粉对自由水形成较强包裹，产生的絮凝作用降低了外加剂的作用效果，相应粘度也增加。

2.4 石灰石粉比表面积、掺量对胶砂力学性能的影响

本课题研究了磨细石灰石粉对复合胶凝材料抗折和抗压强度的影响，结果见表5、图3和图4。从图3可知，掺入10%的石灰石粉后，随着其比表面积的增加，水泥胶砂抗折强度先增加后降低，在石灰石粉比表面积为930 m2/kg时各龄期胶砂抗折强度最高，7 d和28 d略高于纯水泥组，56 d抗折强度与基准组基本持平。继续提高石灰石粉掺量至20%和30%，水泥胶砂抗折强度下降，均小于同比表面积石灰石粉10%的水泥抗折强度，在石粉掺量20%时，抗折强度随比表面积增加而降低，30%的石灰石粉则在比表面积为930 m2/kg时各龄期抗折强度达到最高。说明在适宜的掺量下，通过粉磨至一定比表面积，可以提高水泥胶砂抗折强度，掺量是影响磨细石灰石粉水泥胶砂抗折强度的重要因素。

从图4可以看出，在石灰石粉掺量为10%和20%时，比表面积的增加带来了水泥胶砂抗压强度的增长，且均在石灰石粉比表面积为930 m2/kg时最高，且CL-4组3~56 d抗压强度均高于CL-0组，而掺入30%的石灰石粉时，水泥抗压强度峰值出现在410 m2/kg，此后水泥抗压强度均下降，且低于纯水泥组。在比表面积相同时，石灰石粉掺量增加，水泥胶砂抗压强度下降。

石灰石粉通过磨细后颗粒效应增强，在适宜的掺量下可以充分发挥填充作用，提高水泥基体的密实度，减少内部毛细孔数量，混凝土强度提高，在磨细后石灰石粉的晶核效应增强，此外有学者发现石灰石粉可以促进水泥水化，参与反应生成更为稳定的碳铝酸钙，也为磨细石灰石粉能提高水泥强度提供了理论支撑。但是较细的石灰石粉掺量增多时，则对水泥颗粒形成较强包裹，会降低水泥水化程度，造成水化产物减少，水泥石密实度下降，强度下降。

03 结束语 

本文研究石灰石粉性质随比表面积的变化及其比表面积和掺量对水泥性能的影响，结论如下：

（1）石灰石粉比较面积越大，亚甲蓝值略有增加，28 d活性增加，流动度比增加，流动性改善。

（2）当石灰石粉10%取代水泥时，标准稠度需水量随比表面积增加而降低，凝结时间缩短，掺入20%和30%石灰石粉的水泥标准稠度先降低后增加，在比表面积均为805 m2/kg时最低，而凝结时间方面，20%石灰石粉水泥凝结时间延长，30%石灰石粉凝结时间在比表面积大于805 m2/kg后出现下降。

（3）掺入石灰石粉后的水泥净浆流动度和扩展时间受掺量影响。掺入10%石灰石粉后水泥净浆流动度增加，扩展时间也缩短。掺入20%和30%石灰石粉水泥最佳净浆流动度对应的比表面积有所差异，扩展时间规律也不尽相同。

（4）掺入10%的石灰石粉后，随着比表面积增加，水泥胶砂抗折强度先增加后降低，提高掺量后水泥胶砂抗折强度下降。在石粉掺量为20%时，抗折强度随比表面积增加而降低，30%石灰石粉在比表面积为930 m2/kg时各龄期抗折强度达到最高。

（5）石灰石粉掺量为10%和20%时，比表面积增加，水泥抗压强度增加，且在石灰石粉比表面积为930 m2/kg时最高。30%石灰石粉水泥抗压强度峰值出现在410 m2/kg，此后水泥抗压强度均下降。

关于本文：

文章来源于江山市安顺商品混凝土有限公司、 江山市耕读节能建筑材料有限公司