杨建辉、谢海战/改性超细石灰石粉在铁路混凝土中的应用

近年来，国家及地方陆续颁布了多种石灰石粉作为非活性矿物掺合料用于混凝土中的相关标准，使其得以合法利用；但运用的效果不好，接受度不高。由国家铁路总局发布的TB／T3275一2018《铁路混凝土》标准，明确将石灰石粉增设为矿物掺合料，可以作为掺合料使用于混凝土中。然而，时至今日却鲜有使用。造成这样局面的原因：一是石灰石粉作为新材料应用于混凝土中尚存在认识与经验不足的问题；二是石灰石粉为惰性掺合料，依据传统的配合比设计方法不足以有效利用。

工程技术人员对石灰石粉的认识多来源于机制砂石粉，一方面：石粉在混凝土中存在正负效应，由于机制砂含粉量有波动，其影响难以在配合比设计中定量，导致混凝土质量波动也大；另一方面：机制砂中伴生的石粉粒径比水泥粗，大约为200目，粒形也不好，含泥量不可控。也正是囿于这些认知，石灰石粉使用效果往往不理想，因此得不到重视和有效利用。而作为掺合料的石粉需经专用生产线生产，满足标准的技术要求，使其发挥在混凝土中的正效应：调节粉体级配的填充效应、微集料效应、晶核作用、水化增强作用。石灰石有易于磨细的特性，进一步磨细得到水泥比表面积两倍的石粉，称之为＂超细石灰石粉＂，其D50颗粒小于10微米，比磨细粉煤灰、矿粉、水泥颗粒更小，能有效地提高混凝土粉体的堆积密实度。

现行混凝土配合比设计依据鲍罗米的水灰比（水胶比）原则，对于活性胶凝材料，能够运用等效水泥的方法进行配制设计，但对非活性的石灰石粉，鲍罗米公式却有不足，需要创新配制技术。结合运用（赵筠、路新嬴＂构建科学智能混凝土配制新技术体系的设想和建议＂所介绍的）DSP理论可以将石灰石粉的应用合理化、高效化。DSP理论即：优化浆体中水泥与其它粉体的粒径分布，获得更加密实颗粒堆积、更小需水量的DSP浆体。这一理论已成功应用于配制UHPC混凝土和低水泥用量混凝土。

实现高密实水泥浆，经济的方法是组合使用亚微米材料硅灰和微米级材料。目前，中国的硅灰价格较低，值得使用。在微米级材料中，超细粉煤灰（微珠）性能较好，但资源和供应量不足以支撑普通混凝土使用，应尽可能地利用当地资源、固废材料等粉磨制备微米级颗粒。微米级材料较好的粒径分布应有50%以上体积的颗粒粒径小于10微米，这样才有可能少用硅灰并与水泥一起形成高堆积密实度浆体。亚微米 + 微米 + 十微米材料是最佳组合，可以实现优良浆体和混凝土性能，同时实现较好的经济性，其中的关键是微米级材料——是否能够实现低成本产业化生产制备。磨细获得微米级石灰石粉的成本较低，宜优先考虑。

＂超细石灰石粉＂中含有大量的微米级颗粒，符合DSP理论的配制要求，利用率高，在实际运用中即可与亚微米级的硅灰混合复配得到＂改性超细石灰石粉＂与水泥（粉煤灰、矿粉）等组成密实的胶凝材料体系，用于配制＂更少水泥用量，性能更好的混凝土＂。硅灰作为优异的混凝土掺合料，目前尚未普及运用于普通混凝土中，主要原因是其使用的不便利性，例如在储存、运输、添加、计量等环节会给使用者带来诸多不便。以磨细石灰石粉为载体和一定比例的硅灰进行强制的物理混合，得到的＂改性超细石灰石粉＂，极好地克服这些问题，可以大量替代优质粉煤灰和矿粉，方便、经济、广泛地使用于混凝土中，同时也提高了混凝土质量。

改性超细石灰石粉不属于《混凝土复合掺合料》（JG／T486一2015）标准中规定的产品，因而不能套用。改性超细石灰石粉是混凝土配合比根据使用要求按DSP理论设计的最佳比例，为方便使用而复配混合的，硅灰和超细石灰石灰应分别满足各自的产品性能要求，但要控制好混合比例及均化性。超细石灰石粉除应满足TB／T3275一2018《铁路混凝土》标准规定的性能要求外，还应满足D50粒径小于10微米的要求。

采用现行配合比设计规范与DSP理论相结合的方法进行配合比设计、试配，能得到低水泥用量，且性能良好的混凝土，完全满足铁路混凝土的要求。改性超细石灰粉与粉煤灰双掺使用，能更好地增加粉体的堆积密实度，增加矿物掺合料的取代用量，减少水泥用量，节省成本。单掺超细石灰石粉用喷射混凝土中效果更好：少用水泥，早期强度高，施喷效率高，回弹量小于10%！也可单掺用于制梁，混凝土工作性优于使用矿粉，且成本更低！下表为改性超细石灰石粉在铁路混凝土的应用示例以资参考。

表中各配比的改性超细石灰石粉其硅灰与超细石粉的掺配比例不尽相同，受限于现行规范的规定，配合比的优化尚有较大空间。

当前，铁路混凝土绝大多数选用粉煤、矿粉作为掺合料，按传统配合比设计理念设计使用，而这两种资源因受环保政策的影响，产品质量下降，资源也越来越少，有些地方如川藏地区价格甚至高于水泥，使用的性价比极低。而高性价比的硅灰，低成本、资源丰富且可就地取材的石灰石粉却很少被开发利用，且常常被当作固废处理，令人扼腕叹息！采用现行普通混凝土设计规范与DSP方法相结合进行配合比设计，不仅能提高水泥的利用效率，还能有效利用非活性掺合料，消纳更多的固废，更好地把混凝土变成绿色、低碳、环保型材料！