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)混凝土也沒什么不良影響。文獻(xiàn)[3] 通過對(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， 但有些問題還存在爭議。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議較大的問題。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，其密度和普通混凝土差不多，結(jié)果見表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， 其收縮率總體來說與普通混凝土相當(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有明顯的差異， 說明石粉含量雖對(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， 試件重量幾乎沒有損失， 且在試驗(yàn)過程中筆者發(fā)現(xiàn)， 普通混凝土在經(jīng)過25 次凍融循環(huán)后有兩個(gè)試件的中間出現(xiàn)橫向可見貫穿裂縫， 而石屑混凝土沒有；經(jīng)過75 次循環(huán)后， 石屑混凝土外觀均呈魚鱗狀， 且起皮脫落， 但C40X24 的情況比C40X16、C40X10 要好， 說明在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 ， 縱向劈開發(fā)現(xiàn)C20X24 的滲水高度為79mm ， 比C20X16 的109mm要小， 這說明在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30 % ， 而普通砂漿不超過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， 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

      通過電鏡掃描觀察發(fā)現(xiàn)， 不管石粉含量的高低和齡期的長短， 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， 見圖2。

　   在石屑砂漿放大倍數(shù)< 2 000 的掃描電鏡照片中沒有發(fā)現(xiàn)氣孔， 在放大倍數(shù)> 2 000 的照片中幾乎沒有發(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(見圖2 (b) 、(c) ) ，這些氣孔對(duì)混凝土的性能非常不利。這說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， 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提供了無數(shù)的核， 晶體生長在CaCO3 顆粒表面， 而不是在特定的位置局部生長成大晶體。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；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)問題， 過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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