人工砂中石粉對(duì)混凝土性能影響及其作用機(jī)理研究

摘要: 研究石屑中石粉及其含量對(duì)混凝土性能影響， 并通過(guò)XRD 、TG 、SEM 技術(shù)分析了其作用機(jī)理。結(jié)果表明， 石粉含量在24 % 范圍內(nèi)， 其含量越高， 混凝土強(qiáng)度越高， 抗凍、抗?jié)B性越好；石屑混凝土的收縮變形、碳化和鋼筋銹蝕性能與普通混凝土相當(dāng)。石屑中石粉的填充效應(yīng)、晶核效應(yīng)、活性效應(yīng)、吸水效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)的共同作用， 改善了石屑混凝土的性能。

關(guān)鍵詞: 人工砂；石屑；混凝土；石粉含量；作用機(jī)理

0 　前言

      研究發(fā)現(xiàn)， 高石粉含量人工砂對(duì)混凝土也沒(méi)什么不良影響。文獻(xiàn)[3] 通過(guò)對(duì)石粉含量為12 % 、16 % 、隨著人工砂研究工作的不斷深入， 人工砂的應(yīng)用21 % 的混凝土性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)， 得出了石粉含量技術(shù)日益成熟， 但有些問(wèn)題還存在爭(zhēng)議。其中人工砂為16 % 的混凝土綜合性能最優(yōu)的結(jié)論。周中貴[4] 在中石粉對(duì)混凝土性能影響及其作用機(jī)理、石粉的最佳對(duì)黃丹電站工程中所用的高石粉人工砂研究后， 確定含量及其上下限一直是爭(zhēng)議較大的問(wèn)題。有人認(rèn)為石了最佳石粉含量為15 %～18 % 。文獻(xiàn)[5] 的研究認(rèn)粉含量應(yīng)限制在較低的范圍內(nèi)[1，2] ， 但有的通過(guò)試驗(yàn)為， 不同巖性的石粉最佳含量雖有差異， 但宜控制在 17 % ±2% 。

      為了對(duì)人工砂中的石粉有更深入的認(rèn)識(shí)， 本文研究了人工砂中石粉及其含量對(duì)混凝土性能影響， 并通過(guò)XRD 、TG 和SEM 等現(xiàn)代分析技術(shù)揭示其作用機(jī)理。

1 　石屑特性

      石屑表面比河砂粗糙， 有尖銳棱角， 含有一定量粒徑小于0.16mm 的石粉。石屑會(huì)因產(chǎn)地和生產(chǎn)工藝的差別， 其基本物理性能和礦物組成存在差異。本研究所用石屑的基本物理性能表見(jiàn)1， 且將粒徑小于0.16mm 的顆粒含量定義為石粉含量。氮吸附法測(cè)得粒徑小于0.16mm 石粉的比表面積為119m²/g， 粒徑小于0.08mm 部分(占石粉總量的2/3) 的比表面積為2.9m²/g。

2 　石粉對(duì)混凝土性能影響

      混凝土試驗(yàn)按規(guī)范GBJ80O85 、GBJ81O85 、GBJ82O 85 進(jìn)行， 配合比見(jiàn)表3 。

2.1           拌和物性能及強(qiáng)度

      從表3 可看出，同等級(jí)混凝土在水灰比相同的條件下，由于石屑中含有24 %的石粉，導(dǎo)致混凝土的吸水率增大，其流動(dòng)性比普通混凝土要差，但通過(guò)添加少量的減水劑便能有效改善其流動(dòng)性，且比普通混凝土的保水性好、粘聚性強(qiáng)、泌水少，即和易性好。這主要是由于石屑中的石粉在拌和期間起到了水泥漿體的作用。此外，石屑混凝土的初凝和終凝時(shí)間均比普通混凝土略長(zhǎng)，其密度和普通混凝土差不多，結(jié)果見(jiàn)表4。

      從表4 還可以看出： (1) 石屑混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度要高于同齡期同等級(jí)普通混凝土；(2) 石屑混凝土28d的劈裂抗拉強(qiáng)度要高于同等級(jí)普通混凝土。

　　此外，作者還通過(guò)正交試驗(yàn)研究了石粉含量5 %、15 %、24 %對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，在24 %范圍內(nèi)，石粉含量越高，混凝土強(qiáng)度也越高[6 ] 。

2.2 　收縮性能

      圖1 表明， 石屑混凝土的收縮發(fā)展規(guī)律與普通混凝土相似， 其收縮率總體來(lái)說(shuō)與普通混凝土相當(dāng)。石粉含量為24 %、16 %的石屑混凝土的收縮率比普通混凝土略大， 石粉含量為10 %的石屑混凝土收縮率與普通混凝土差不多， 石粉含量為24 %和16 %的石屑混凝土收縮沒(méi)有明顯的差異， 說(shuō)明石粉含量雖對(duì)混凝土的收縮有影響， 但影響不大。

2.3 　耐久性

      表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明: 石屑混凝土的碳化和鋼筋銹蝕性能與普通混凝土相當(dāng)；但抗凍、抗?jié)B性比普通混凝土好。C40 普通混凝土的抗凍等級(jí)小于D25 (25 次循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量低于60 %) ， 而石屑混凝土達(dá)到了D50 ?？箖鲈囼?yàn)都是在其相對(duì)動(dòng)彈性模量低于60 %而停止的， 試件重量幾乎沒(méi)有損失， 且在試驗(yàn)過(guò)程中筆者發(fā)現(xiàn)， 普通混凝土在經(jīng)過(guò)25 次凍融循環(huán)后有兩個(gè)試件的中間出現(xiàn)橫向可見(jiàn)貫穿裂縫， 而石屑混凝土沒(méi)有；經(jīng)過(guò)75 次循環(huán)后， 石屑混凝土外觀均呈魚(yú)鱗狀， 且起皮脫落， 但C40X24 的情況比C40X16、C40X10 要好， 說(shuō)明在24 %范圍內(nèi)， 石粉含量越高，混凝土的抗凍性可能更好。C40 普通混凝土抗?jié)B等級(jí)為P14 ， 而C20X10 的抗?jié)B等級(jí)也達(dá)到了P14 ，C20X16、C20X24 抗?jié)B等級(jí)要大于P14 ， 縱向劈開(kāi)發(fā)現(xiàn)C20X24 的滲水高度為79mm ， 比C20X16 的109mm要小， 這說(shuō)明在24 %范圍內(nèi)， 石粉含量越高， 混凝土的抗?jié)B性越好。

3 　機(jī)理分析

    試驗(yàn)直接用砂漿試樣(普通河砂砂漿的水泥∶水∶砂= 1∶019∶416 ；石屑砂漿的水泥∶水∶砂= 1∶019∶418)代替從混凝土中取樣， 進(jìn)行了XO射線衍射分析、熱分析(TG) 和掃描電鏡分析(SEM) 。

3.1 　XO射線衍射分析

      國(guó)內(nèi)外的研究[7～10 ] 普遍認(rèn)為石粉中的CaCO3 微粒具有活性效應(yīng)， 即CaCO3 微粒能與C3A 反應(yīng)生成碳鋁酸鹽， 在這一點(diǎn)上絕大多數(shù)研究者達(dá)成了共識(shí)， 只是有人認(rèn)為是生成單碳鋁酸鹽(C3A·CaCO3 ·11H2O) ，有的認(rèn)為生成三碳鋁酸鹽(C3A·3CaCO3 ·32H2O) 。作者對(duì)不同石粉含量、不同齡期的石屑砂漿試樣進(jìn)行了XO射線衍射分析， 沒(méi)有發(fā)現(xiàn)碳鋁酸鹽的衍射峰， 但這并不能表明石粉中的CaCO3 微粒與C3A 沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)。這主要是因?yàn)榉磻?yīng)生成的碳鋁酸鹽的量相對(duì)過(guò)少、其衍射峰很小造成的。

3.2 　TG分析

      TG分析結(jié)果表明， 在600～1 000 ℃范圍內(nèi)， 石屑砂漿與普通砂漿的失重率差別比較大， 石屑砂漿的失重率均超過(guò)30 % ， 而普通砂漿不超過(guò)5 % ， 這是因?yàn)槭嫉闹饕V物成分白云石和方解石分解造成的。在100～600 ℃范圍內(nèi)， 由于水化產(chǎn)物的脫水和分解， 不管是石屑砂漿還是普通砂漿均出現(xiàn)了不同程度的失重。石粉含量為24 %的石屑砂漿水化7、28 、90d 的失重率分別為2.06 %、2.51 %、5.93 % ， 這與隨著齡期的增長(zhǎng)水化產(chǎn)物逐漸增多的結(jié)論是一致的；石粉含量為16 %、10 %的水化28d 石屑砂漿的失重率分別為2.43 %、2.74 % ， 說(shuō)明在10 %～24 %范圍內(nèi)，石粉含量的變化對(duì)水化產(chǎn)物的生成沒(méi)有太大的影響；而普通砂漿水化28d 的失重率只有1.85 % ， 比石屑砂漿的失重率小。其原因是石屑中的石粉在水泥水化過(guò)程中起到了晶核作用(晶核效應(yīng)) ， 加速了水泥中C3 S 的水化[7～9 ] 。當(dāng)C3 S 開(kāi)始水化時(shí)， 便大量釋放出Ca2 + ， Ca2 + 具有比[ SiO4 ]4 - 離子團(tuán)高得多的遷移能力， 根據(jù)吸附理論， 首先發(fā)生CaCO3 微粒表面對(duì)Ca2 + 的吸附作用， 由于COSOH 和Ca (OH) 2 在CaCO3表面上大量生長(zhǎng)， 導(dǎo)致C3 S 顆粒周圍Ca2 + 離子濃度降低， 使C3 S 水化加速， 從而加速了水泥的水化， 且早期比后期更為明顯。

      此外， 水化28d 的普通砂漿在600 ℃前的失重率僅為1185 % ， 比石屑砂漿7d 的失重率都小。這一方面是由于石粉顆粒加速C3 S 水化的晶核作用前期比后期更明顯[9 ] ， 另一方面是由于水化碳鋁酸鈣的生成主要集中在7d 以前， 至7d 后水化碳鋁酸鈣增加量明顯減小。

3.3 　SEM分析

      通過(guò)電鏡掃描觀察發(fā)現(xiàn)， 不管石粉含量的高低和齡期的長(zhǎng)短， 石屑砂漿要比普通砂漿密實(shí)得多， 石屑顆粒與漿體之間結(jié)合緊密， 見(jiàn)圖2。

　   在石屑砂漿放大倍數(shù)< 2 000 的掃描電鏡照片中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氣孔， 在放大倍數(shù)> 2 000 的照片中幾乎沒(méi)有發(fā)現(xiàn)孔徑大于5μm 的有害孔；而普通砂漿存在較多的孔隙，且孔徑較大，有的是接近200μm 的氣孔(見(jiàn)圖2 (b) 、(c) ) ，這些氣孔對(duì)混凝土的性能非常不利。這說(shuō)明石屑砂漿中的有害孔比普通砂漿明顯減少， 石屑砂漿中的粗大孔和毛細(xì)孔減少， 過(guò)渡孔和凝膠孔增多，即孔結(jié)構(gòu)得到改善。這與一些同行的研究結(jié)果是一致的。安文漢[2 ] 進(jìn)行了石屑混凝土和普通混凝土孔結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析(見(jiàn)表6) ， 認(rèn)為石屑混凝土的孔隙特征得到明顯改善， 總孔隙率下降， 其中粗大孔， 毛細(xì)孔減少， 過(guò)渡孔、凝膠孔增多， 最可幾孔徑明顯改善。

　  石屑混凝土的孔隙率之所以減小、孔結(jié)構(gòu)之所以得到改善， 其主要原因是發(fā)揮了石粉的填充效應(yīng)。此外， 石屑中含有較多的石粉， 石屑混凝土的需水量大， 使得在水灰比和單位用水量相同的情況下， 石屑混凝土的實(shí)際水灰比要小于普通混凝土， 本文將此作用稱為石粉的吸水效應(yīng)。由于水灰比對(duì)孔隙率有明顯影響， 水膠比越小， 孔隙率越小。

      通過(guò)掃描電鏡還發(fā)現(xiàn)， 石屑砂漿與普通砂漿相比， 其漿O集料界面得到明顯改善。雖然早期石屑砂漿的漿O集料間存在明顯的孔縫(見(jiàn)圖2 (d) ) ， 但隨化產(chǎn)物之間的粘結(jié)， 從而改善了石屑砂漿的界面。此外， 經(jīng)大量電鏡觀察發(fā)現(xiàn)， 在石屑砂漿中很難找到生長(zhǎng)在空間的大顆粒Ca (OH) 2 晶體， 而它們卻極易在普通砂漿中發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)圖2 (a) ) 。從圖2 (a) 可以看出， 由于在貼近集料表面的水灰比值高， 再加上砂粒與漿體結(jié)合得不如石屑緊密， 存在孔縫， 使得結(jié)晶產(chǎn)物在此處集中生長(zhǎng)， 且晶體尺寸較大， 在20μm 左右， 而石屑砂漿由于石粉中細(xì)分散的碳酸鈣顆粒為晶體的生長(zhǎng)提供了無(wú)數(shù)的核， 晶體生長(zhǎng)在CaCO3 顆粒表面， 而不是在特定的位置局部生長(zhǎng)成大晶體。此外，石屑砂漿界面的改善還與以下因素有關(guān)：

 (1) 與普通砂漿相比， 石屑中的石粉使得新拌砂漿的漿體量增加， 使石屑砂漿的保水性增強(qiáng)、泌水率減小， 減少了自由水在界面上聚集， 因而利于漿O集料界面的改善；

(2) 石屑表面粗糙， 帶有尖銳棱角， 不但使得集料與漿體的咬合力得到增強(qiáng)， 而且有利于漿O集料界面的改善， 即石屑的形態(tài)效應(yīng)。

      綜合XRD、TG和SEM分析所述， 石屑混凝土之所以比普通混凝土的強(qiáng)度等性能有所改善， 可以歸結(jié)為石屑的5 個(gè)效應(yīng)， 即石屑中石粉的填充效應(yīng)、晶核效應(yīng)、活性效應(yīng)、吸水效應(yīng)和石屑的形態(tài)效應(yīng)。這5個(gè)效應(yīng)的共同作用， 促成了石屑混凝土的一增多、一生成和二改善， 即水化產(chǎn)物的增多、碳鋁酸鹽的生成和界面、孔結(jié)構(gòu)的改善。具體解釋是: 石粉的填充效應(yīng)， 不但使毛細(xì)孔得到細(xì)化， 而且使孔隙率減小， 即孔結(jié)構(gòu)改善；晶核效應(yīng)加速了C3S 的水化， 從而使水化產(chǎn)物增多， 并避免了晶體的集中生長(zhǎng)；活性效應(yīng)是指石粉中的CaCO3 在與水泥中的C3A 反應(yīng)生成碳鋁酸鹽的同時(shí)， 還改善了石粉顆粒的表面狀態(tài)， 有利于石粉顆粒與水化產(chǎn)物間粘結(jié)強(qiáng)度的提高；石粉的吸水效應(yīng)使得石屑混凝土的實(shí)際水灰比小于同配比的普通混凝土， 石屑混凝土的保水性增強(qiáng)， 泌水率減小， 減少了自由水在界面上聚集， 因而利于漿O集料界面的改善；石屑表面粗糙， 帶有尖銳棱角， 不但使得集料與漿體的咬合力得到增強(qiáng)， 而且有利于漿O集料界面的改善， 這就是石屑的形態(tài)效應(yīng)。石屑及其中石粉的這5 個(gè)效應(yīng)所產(chǎn)生的結(jié)果都有利于混凝土強(qiáng)度的提高和性能的改善。

4 　對(duì)石屑中石粉含量問(wèn)題的思考

      一些研究者認(rèn)為應(yīng)嚴(yán)格控制石屑中的石粉含量在5 %范圍內(nèi)[1 ] ；與此相反， 一些研究者認(rèn)為石粉含量在15 %左右時(shí)為最佳[3～5 ] 。作者認(rèn)為， 對(duì)石屑中石粉的最佳含量及上下限影響最大的可能是石屑的級(jí)配，包括細(xì)度模數(shù)、0.16mm 以上和0.16mm 以下顆粒組成， 特別是0.16mm 以下顆粒的組成對(duì)石粉含量可能有較大影響。比如粗石屑和細(xì)石屑， 其最佳石粉含量就可能不相同， 同樣的在0.16mm 以下顆粒中，0.08mm顆粒占大多數(shù)與0.08～0.16mm 之間顆粒占大多數(shù)兩中情況下石屑的最佳石粉含量也可能不一樣；其次是石屑的形態(tài)， 包括0.16mm 以上和0.16mm 以下顆粒的形態(tài)， 特別是0.16mm 以下顆粒的形態(tài)， 比如形態(tài)為圓形或方形與棱角形的相比， 其最佳石粉含量就可能不一樣。針對(duì)石粉的最佳含量及上下限這個(gè)問(wèn)題， 過(guò)去的研究都是從石粉含量對(duì)砂漿或混凝土的性能的影響這個(gè)角度入手， 忽略了石屑本身， 因此，建議研究石屑本身級(jí)配和形態(tài)等對(duì)石粉含量的影響可能會(huì)起到意想不到的效果。如果從這個(gè)角度研究取得成功， 則可根據(jù)石屑的級(jí)配( 包括細(xì)度模數(shù)、0.16mm以上和0.16mm 以下顆粒組成) 和形態(tài)(包括0.16mm 以下顆粒的形態(tài)) 來(lái)確定其最佳含量及上下限。

5 　結(jié)論與建議

(1) 石屑混凝土比普通混凝土的保水性好、粘聚性強(qiáng)、泌水少；石屑混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度要高于同齡期同等級(jí)普通混凝土， 抗凍、抗?jié)B性比普通混凝土好；石粉含量在24 %范圍內(nèi)， 其含量越高，混凝土強(qiáng)度越高， 抗凍、抗?jié)B性越好；石屑混凝土的收縮變形、碳化和鋼筋銹蝕性能與普通混凝土相當(dāng)。

(2) 由微觀分析可知， 石屑中石粉的填充效應(yīng)、晶核效應(yīng)、活性效應(yīng)、吸水效應(yīng)以及形態(tài)效應(yīng)的共同作用， 促成了石屑混凝土的性能改善。

(3) 石屑中的石粉對(duì)混凝土的性能有著非常重要的影響， 對(duì)石粉及相關(guān)問(wèn)題的研究應(yīng)高度重視， 需作進(jìn)一步深入的研究。建議從石屑本身入手， 研究其級(jí)配和形態(tài)等對(duì)石粉含量的影響。

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