人工砂中石粉对混凝土性能影响及其作用机理研究(精)

-- 人工砂中石粉对混凝土性能影响及其作用机理研究

摘要: 研究石屑中石粉及其含量对混凝土性能影响，并通过XRD 、TG 、SEM 技术分析了其作用机理。结果表明，石粉含量在24 % 范围内，其含量越高，混凝土强度越高，抗冻、抗渗性越好；石屑混凝土的收缩变形、碳化和钢筋锈蚀性能与普通混凝土相当。石屑中石粉的填充效应、晶核效应、活性效应、吸水效应和形态效应的共同作用，改善了石屑混凝土的性能。

关键词: 人工砂；石屑；混凝土；石粉含量；作用机理

0 前言

研究发现，高石粉含量人工砂对混凝土也没什么不良影响。文献[3] 通过对石粉含量为12 % 、16 % 、随着人工砂研究工作的不断深入，人工砂的应用21 % 的混凝土性能进行了对比试验，得出了石粉含量技术日益成熟，但有些问题还存在争议。其中人工砂为16 % 的混凝土综合性能最优的结论。周中贵[4] 在中石粉对混凝土性能影响及其作用机理、石粉的最佳对黄丹电站工程中所用的高石粉人工砂研究后，确定含量及其上下限一直是争议较大的问题。有人认为石了最佳石粉含量为15 %～18 % 。文献[5] 的研究认粉含量应限制在较低的范围内[1，2] ，但有的通过试验为，不同岩性的石粉最佳含量虽有差异，但宜控制在17 % ±2% 。

为了对人工砂中的石粉有更深入的认识，本文研究了人工砂中石粉及其含量对混凝土性能影响，并通过XRD 、TG 和SEM 等现代分析技术揭示其作用机理。

1 石屑特性

石屑表面比河砂粗糙，有尖锐棱角，含有一定量粒径小于0.16mm 的石粉。石屑会因产地和生产工艺的差别，其基本物理性能和矿物组成存在差异。本研究所用石屑的基本物理性能表见1，且将粒径小于0.16mm 的颗粒含量定义为石粉含量。氮吸附法测得粒径小于0.16mm 石粉的比表面积为119m2/g，粒径小于0.08mm 部分(占石粉总量的2/3) 的比表面积为2.9m2/g。

2 石粉对混凝土性能影响

混凝土试验按规范GBJ80O85 、GBJ81O85 、GBJ82O 85 进行，配合比见表3 。

2.1 拌和物性能及强度

从表3 可看出，同等级混凝土在水灰比相同的条件下，由于石屑中含有24 %的石粉，导致混凝土的吸水率增大，其流动性比普通混凝土要差，但通过添加少量的减水剂便能有效改善其流动性，且比普通混凝土的保水性好、粘聚性强、泌水少，即和易性好。这主要是由于石屑中的石粉在拌和期间起到了水泥浆

体的作用。此外，石屑混凝土的初凝和终凝时间均比普通混凝土略长，其密度和普通混凝土差不多，结果见表4。

从表4 还可以看出：(1) 石屑混凝土的立方体抗压强度要高于同龄期同等级普通混凝土；(2) 石屑混凝土28d的劈裂抗拉强度要高于同等级普通混凝土。

此外，作者还通过正交试验研究了石粉含量5 %、15 %、24 %对混凝土强度的影响，结果表明，在24 %范围内，石粉含量越高，混凝土强度也越高[6 ] 。

2.2 收缩性能

图1 表明，石屑混凝土的收缩发展规律与普通混凝土相似，其收缩率总体来说与普通混凝土相当。石粉含量为24 %、16 %的石屑混凝土的收缩率比普通混凝土略大，石粉含量为10 %的石屑混凝土收缩率与普通混凝土差不多，石粉含量为24 %和16 %的石屑混凝土收缩没有明显的差异，说明石粉含量虽对混凝土的收缩有影响，但影响不大。

2.3 耐久性

表5 试验数据表明: 石屑混凝土的碳化和钢筋锈蚀性能与普通混凝土相当；但抗冻、抗渗性比普通混凝土好。C40 普通混凝土的抗冻等级小于D25 (25 次循环后相对动弹性模量低于60 %) ，而石屑混凝土达到了D50 。抗冻试验都是在其相对动弹性模量低于60 %而停止的，试件重量几乎没有损失，且在试验过程中笔者发现，普通混凝土在经过25 次冻融循环后有两个试件的中间出现横向可见贯穿裂缝，而石屑混凝土没有；经过75 次循环后，石屑混凝土外观均呈鱼鳞状，且起皮脱落，但C40X24 的情况比C40X16、C40X10 要好，说明在24 %范围内，石粉含量越高，混凝土的抗冻性可能更好。C40 普通混凝土抗渗等级为P14 ，而C20X10 的抗渗等级也达到了P14 ，C20X16、C20X24 抗渗等级要大于P14 ，纵向劈开发现C20X24 的渗水高度为79mm ，比C20X16 的109mm要小，这说明在24 %范围内，石粉含量越高，混凝土的抗渗性越好。

3 机理分析

试验直接用砂浆试样(普通河砂砂浆的水泥∶水∶砂= 1∶019∶416 ；石屑砂浆的水泥∶水∶砂= 1∶019∶418)代替从混凝土中取样，进行了XO射线衍射分析、热分析(TG) 和扫描电镜分析(SEM) 。

3.1 XO射线衍射分析

国内外的研究[7～10 ] 普遍认为石粉中的CaCO3 微粒具有活性效应，即CaCO3 微粒能与C3A 反应生成碳铝酸盐，在这一点上绝大多数研究者达成了共识，只是有人认为是生成单碳铝酸盐(C3A·CaCO3 ·11H2O) ，有的认为生成三碳铝酸盐(C3A·3CaCO3 ·32H2O) 。作者对不同石粉含量、不同龄期的石屑砂浆试样进行了XO射线衍射分析，没有发现碳铝酸盐的衍射峰，但这并不能表明石粉中的CaCO3 微粒与C3A 没有发生反应。这主要是因为反应生成的碳铝酸盐的量相对过少、其衍射峰很小造成的。

3.2 TG分析

TG分析结果表明，在600～1 000 ℃范围内，石屑砂浆与普通砂浆的失重率差别比较大，石屑砂浆的失重率均超过30 % ，而普通砂浆不超过5 % ，这是因为石屑的主要矿物成分白云石和方解石分解造成的。在100～600 ℃范围内，由于水化产物的脱水和分解，不管是石屑砂浆还是普通砂浆均出现了不同程度的失重。石粉含量为24 %的石屑砂浆水化7、28 、90d 的失重率分别为2.06 %、2.51 %、5.93 % ，这与随着龄期的增长水化产物逐渐增多的结论是一致的；石粉含量为16 %、10 %的水化28d 石屑砂浆的失重率分别为2.43 %、2.74 % ，说明在10 %～24 %范围内，石粉含量的变化对水化产物的生成没有太大的影响；而普通砂浆水化28d 的失重率只有1.85 % ，比石屑砂浆的失重率小。其原因是石屑中的石粉在水泥水化过程中起到了晶核作用(晶核效应) ，加速了水泥中C3 S 的水化[7～9 ] 。当C3 S 开始水化时，便大量释放出Ca2 + ，Ca2 + 具有比[ SiO4 ]4 - 离子团高得多的迁移能力，根据吸附理论，首先发生CaCO3 微粒表面对Ca2 + 的吸附作用，由于COSOH 和Ca (OH) 2 在CaCO3表面上大量生长，导致C3 S 颗粒周围Ca2 + 离子浓度降低，使C3 S 水化加速，从而加速了水泥的水化，且早期比后期更为明显。

此外，水化28d 的普通砂浆在600 ℃前的失重率仅为1185 % ，比石屑砂浆7d 的失重率都小。这一方面是由于石粉颗粒加速C3 S 水化的晶核作用前期比后期更明显[9 ] ，另一方面是由于水化碳铝酸钙的生成主要集中在7d 以前，至7d 后水化碳铝酸钙增加量明显减小。

3.3 SEM分析

通过电镜扫描观察发现，不管石粉含量的高低和龄期的长短，石屑砂浆要比普通砂浆密实得多，石