在混凝土材料當(dāng)中，砂石料又稱(chēng)“骨料”，是混凝土不可缺少的材料。一直以來(lái)，砂石料被譽(yù)為建材的“大米”，足以體現(xiàn)砂石對(duì)混凝土材料的重要性。近兩年，隨著環(huán)保工作的深入治理，天然砂石資源越來(lái)越有限，一石難求，出現(xiàn)了供不應(yīng)求的現(xiàn)象，多地砂石告急。
砂石骨料在混凝土中占據(jù)了70%~80%的比例，骨料品質(zhì)的好壞在很大程度上決定著混凝土的品質(zhì)和工程質(zhì)量的好壞。天然砂石供不應(yīng)求，因此，機(jī)制砂開(kāi)始被越來(lái)越多地推廣應(yīng)用。機(jī)制砂在生產(chǎn)制造過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生一定量的石粉，而石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)得以分析與驗(yàn)證。
下文作者研究了7種石粉含量對(duì)泵送機(jī)制砂混凝土拉、壓強(qiáng)度的影響，并借助SEM和XRD等測(cè)試分析技術(shù)從原材料和不同石粉摻量混凝土微細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)演化特征入手，探究了石粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響機(jī)理。分析得出，在含量適當(dāng)范圍內(nèi)，石粉具有填充、形態(tài)、吸水、晶核和活性等效應(yīng)，有利于混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)，且中低強(qiáng)度泵送機(jī)制砂混凝土其最佳石粉摻量范圍為22%～25%。
引言
隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求的不斷增加以及對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，機(jī)制砂的使用比例越來(lái)越多。機(jī)制砂是巖石經(jīng)機(jī)械破碎、篩分制成的粒徑小于4.75mm的巖石顆粒，并把其中粒徑小于0.16mm的細(xì)小顆粒或粉末稱(chēng)為石粉[1]。石粉與河砂中的泥粉不同，泥粉對(duì)混凝土各方面性能都會(huì)產(chǎn)生不利的影響[2]，而石粉對(duì)混凝土各方面的性能卻具有正負(fù)兩方面的影響[3]。一般認(rèn)為，與河砂相比，機(jī)制砂級(jí)配差、表面特征差，使混凝土拌制耗水量大，導(dǎo)致混凝土性能變差[4]，但實(shí)際工程和試驗(yàn)研究表明機(jī)制砂混凝土性能常常優(yōu)于天然砂混凝土，這很大程度上是石粉的作用引起的。
目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量有關(guān)機(jī)制砂中石粉對(duì)混凝土性能影響的研究[2-11]，但這些研究大多停留在宏觀(guān)規(guī)律性研究，且其石粉摻量范圍較窄、種類(lèi)較少，不能很好的從微觀(guān)機(jī)理上說(shuō)明石粉含量對(duì)混凝土性能的影響規(guī)律。為此，本文以12%～28%范圍內(nèi)共7種石粉含量的機(jī)制砂泵送混凝土為研究對(duì)象，就石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的影響做了進(jìn)一步的探究，并通過(guò)微觀(guān)分析揭示了石粉對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響機(jī)理。為機(jī)制砂中石粉含量的控制和機(jī)制砂混凝土的應(yīng)用提供參考依據(jù)。
1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.1原材料
1）機(jī)制砂和石粉
實(shí)驗(yàn)所用機(jī)制砂為某水電站砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)的人工常態(tài)砂，細(xì)度模數(shù)為3.1屬粗砂，其級(jí)配在2區(qū)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配中值附近。其主要礦物成分為方解石，且含有一定量的白云石和石英，主要物理性能均滿(mǎn)足DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》所規(guī)定的限值。本文以15%石粉含量的機(jī)制砂作為基準(zhǔn)砂，通過(guò)人工水洗或添加石粉配置成石粉含量12%，15%，18%，20%，22%，25%，28%共7種試驗(yàn)所需人工砂。
2）水泥和粉煤灰
實(shí)驗(yàn)所用水泥為同一水電站建設(shè)用水泥（華新P.MH42.5中熱硅酸鹽水泥），其物理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足GB200-2003《中熱、低熱、低熱礦渣硅酸水泥》的要求。實(shí)驗(yàn)所用粉煤灰采用曲靖F類(lèi)Ⅰ級(jí)粉煤灰，其性能測(cè)試和化學(xué)成分分析結(jié)果滿(mǎn)足DL/T 5055-2007《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》的要求。
3）其他原材料
實(shí)驗(yàn)所用粗骨料為同一水電站砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)的粗骨料，二級(jí)配，最大骨料粒徑40mm；減水劑采用江蘇蘇博特PCA-1緩凝型聚羧酸高性能減水劑；引氣劑為江蘇蘇博特GYQ(Ⅰ)引氣劑；水為自來(lái)水。
1.2 試驗(yàn)方法
不同石粉含量混凝土配合比依據(jù)DL/T5330-2005《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行試拌、調(diào)配。考慮工程泵送要求，混凝土配合比設(shè)計(jì)原則為控制坍落度在160mm～180mm范圍內(nèi)，保證水膠比、粉煤灰摻量、砂率、減水劑摻量、引氣劑摻量不變，詳見(jiàn)表1。
２.結(jié)果分析
2.1石粉含量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響
試驗(yàn)得到C20和C30混凝土各齡期立方體抗壓強(qiáng)度與石粉含量的關(guān)系，如圖1，可見(jiàn)
可見(jiàn)，石粉能在混凝土中發(fā)揮很好的填充效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和吸水效應(yīng)，使得混凝土強(qiáng)度提高，當(dāng)然過(guò)量的石粉摻量會(huì)改變混凝土集料的級(jí)配，降低膠凝材料比例等，將對(duì)其強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響[13]。
此外，有研究表明，石粉在水泥水化析晶的過(guò)程中可作為成核晶體，降低成核位壘，從而加速水化晶體的析出，促進(jìn)水泥的水化[14]；而且本文所用石粉的主要成分為CaCO3，其并不是完全惰性的，可能參與C3A的水化反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣，促進(jìn)水泥的水化[14-18]。為充分驗(yàn)證石粉是否具有活性效應(yīng)和晶核效應(yīng)，進(jìn)一步對(duì)不同配比機(jī)制砂混凝土進(jìn)行了微觀(guān)測(cè)試分析。
3.2混凝土微觀(guān)性能分析
對(duì)不同設(shè)計(jì)強(qiáng)度、齡期及石粉摻量的機(jī)制砂混凝土進(jìn)行形貌測(cè)試，SEM測(cè)試結(jié)果如圖8～11，可見(jiàn)：
（1）同批混凝土，隨齡期增長(zhǎng)，7d、28d、90d混凝土的孔隙逐漸減少，而固體材料的孔隙率與強(qiáng)度存在基本的反比關(guān)系[20]，這充分揭示了前文混凝土強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增加的必然性。水泥水化程度直接影響孔隙率，而宏觀(guān)力學(xué)性能測(cè)試也表明28d后混凝土強(qiáng)度仍有較大的增長(zhǎng)，表明水化反應(yīng)歷程較長(zhǎng)，這除與本文采用的中熱硅酸鹽水泥有關(guān)外，可能與粉煤灰和石粉的摻入也有關(guān)；
（2）28d前粉煤灰圓球狀形貌保持完好，大面積未反應(yīng)，至90d齡期后才明顯減少。這表明28d齡期內(nèi)粉煤灰與Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)并不充分，但在7d和28d的SEM圖中并未發(fā)現(xiàn)大量的Ca(OH)2晶體，據(jù)此推測(cè)應(yīng)是石粉參與了水化反應(yīng)消耗了部分Ca(OH)2；
（3）隨齡期增加，石屑顆粒表面水化產(chǎn)物聚多，與周?chē)辰Y(jié)漸趨緊密，到90d時(shí)邊界已模糊不清，這說(shuō)明石粉顆粒有一定的晶核促進(jìn)效應(yīng)，而且石粉在混凝土內(nèi)分布較均勻，使水泥水化產(chǎn)物的分布更趨均勻，有利于減小混凝土內(nèi)部的孔隙率和應(yīng)力集中；
（4）同齡期混凝土，石粉含量20%的混凝土均比15%的密實(shí)，這除與石粉填充效應(yīng)的增強(qiáng)有關(guān)外，也與其晶核促進(jìn)效應(yīng)和水化活性效應(yīng)相關(guān)。
已有研究表明CaCO3微粒對(duì)鋁酸鹽礦物都具有水化活性作用，其水化反應(yīng)產(chǎn)物為三碳型水化碳鋁酸鈣和單碳型水化碳鋁酸鈣，水化碳鋁酸鈣的形成對(duì)水泥強(qiáng)度的發(fā)展有促進(jìn)作用[14-15]。為此采用XRD對(duì)不同石粉含量、不同齡期混凝土的水化產(chǎn)物進(jìn)行了測(cè)試，如圖12，結(jié)果表明，石粉含量及水化齡期對(duì)其水化產(chǎn)物類(lèi)型影響不明顯，各配比混凝土中水化產(chǎn)物主要為Ca(OH)2、AFt、C3S，CaCO3、CaMg(CO3)2及SiO2（骨料中原有成分）等，但均未發(fā)現(xiàn)碳鋁酸鹽產(chǎn)物，分析其原因，一方面碳鋁酸鹽本身生成量較少，很難得到明顯的衍射峰值；另一方面碳鋁酸鹽化學(xué)成分復(fù)雜，本身并不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生二次反應(yīng)，所以不易得到衍射峰值[18]。
綜上可知，由于石粉顆粒的粒徑、粒形、化學(xué)活性等特點(diǎn)致使其在機(jī)制砂混凝土中具有填充、形態(tài)、吸水、晶核甚至活性效應(yīng)，從而使得適量的石粉摻量能有效提高混凝土的抗力性能，當(dāng)然如果摻量過(guò)多則會(huì)造成膠凝材料過(guò)少，機(jī)制砂級(jí)配不合理等多種不利影響，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降，正如試驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)石粉摻量大于25%，混凝土強(qiáng)度開(kāi)始下降。
4 結(jié)語(yǔ)
（1）石粉的微集料填充效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)、吸水效應(yīng)、晶核效應(yīng)和活性效應(yīng)共同作用，使得混凝土的力學(xué)性能在一定范圍內(nèi)得到改善，適量的石粉摻量對(duì)機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能有很大的改善，使混凝土強(qiáng)度提高；
（2）隨著齡期的增長(zhǎng)，石粉在混凝土中所起的效應(yīng)，特別是晶核效應(yīng)和活性效應(yīng)逐漸發(fā)揮，促使混凝土孔隙逐漸減少，微細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)更為緊密，內(nèi)部受力更為均勻合理；
（3）機(jī)制砂泵送混凝土抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著石粉含量的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。對(duì)中低強(qiáng)度機(jī)制砂泵送混凝土其強(qiáng)度最佳石粉摻量范圍為22%～25%。
王青，江滿(mǎn)1，徐港1，趙娟1，張斌2
（1.防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，三峽大學(xué)宜昌 443002; 2.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都610081）
參考文獻(xiàn)
[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn). 水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程（DL/T5151-2014）[S]. 北京: 中國(guó)電力出版社，2014.
[2] 王稷良,牛開(kāi)民,劉英,李北星,周明凱. 機(jī)制砂中石粉對(duì)混凝土性能影響的研究現(xiàn)狀[J]. 公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2008,(S1):302-307+322.
[3] 蔡基偉. 石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響及機(jī)理研究[D]. 武漢理工大學(xué) 2006 .
[4] 蔡基偉, 李北星, 周明凱,等. 石粉對(duì)中低強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土性能的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 28(4):27-30.
[5] Singh S, Nagar R, Agrawal V. A review on Properties of Sustainable Concrete using granite dust as replacement for river sand[J]. Journal of Cleaner Production, 2016, 126:74-87.
[6] Xiong Z, Wang P, Wang Y. Hydration Behaviors of Portland Cement with Different Lithologic Stone Powders[J]. International Journal of Concrete Structures and Materials, 2015, 9(1):55-60.
[7] 徐健, 蔡基偉, 王稷良,等. 人工砂與人工砂混凝土的研究現(xiàn)狀[J]. 建材世界, 2004, 25(3):20-24.
[8] 洪錦祥, 蔣林華. 人工砂石粉對(duì)混凝土性能影響及其作用機(jī)理研究[J]. 公路交通科技, 2005, 22(11): 84-88.
[9] Kim J K, Lee C S, Park C K, et al. The fracture characteristics of crushed limestone sand concrete[J]. Cement & Concrete Research, 1997, 27(11):1719-1729.
[10] 宋少民, 劉娟紅. 廢棄資源與低碳混凝土[M]. 中國(guó)電力出版社, 2016.
[11] 楊玉輝. C80機(jī)制砂混凝土的配制與性能研究[D]. 武漢理工大學(xué), 2007.
[12] 中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). 水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程（DL/T 5150-2001）[S].北京:中國(guó)電力出版社，2002.
[13] 李興貴. 高石粉含量人工砂在混凝土中的應(yīng)用研究[J]. 建筑材料學(xué)報(bào), 2004, 7(1):66-71.
[14] 陸平, 陸樹(shù)標(biāo). CaCO3對(duì)C3S水化的影響[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 1987(4):3-8.
[15] TahirC,andKnaled M. Effects of Crushed Stone Dust on Some Properties of Concrete[J]. Cement and Concrete Rearch,1996,26(7):1121-1130.
[16] 章春梅, V.S.Ramachandran. 碳酸鈣微集料對(duì)硅酸三鈣水化的影響[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 1988.16(2):52-57.
[17] 劉煥芹, 徐志峰, 李維濱,等. 石灰石粉對(duì)硅酸鹽水泥水化的影響[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015, 33(2):185-188.
[18] Kakali G, Tsivilis S, Aggeli E, et al. Hydration products of C3A, C3S and Portland cement in the presence of CaCO3[J]. Cement & Concrete Research, 2000, 30(7):1073-1077.
[19] 李?lèi)? 胡曙光, 楊德坡,等. 鋁酸鹽礦物與碳酸鈣的水化活性作用[J]. 河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1996(2):54-57.
[20] P. K. Mehta. 混凝土微觀(guān)結(jié)構(gòu)、性能和材料[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.
------------------------------------
山東華偉銀凱建材科技股份有限公司，專(zhuān)注混凝土外加劑研發(fā)與生產(chǎn)。科技創(chuàng)造未來(lái)，讓混凝土施工可以更輕松。主營(yíng)產(chǎn)品：聚羧酸高性能減水劑、混凝土高效減水劑、增效劑、速凝劑等。
以上信息來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)容有調(diào)整，旨在傳播與分享，如有侵權(quán)，請(qǐng)直接通知我們，謝謝！
獲取更多資訊，歡迎關(guān)注官方公眾號(hào)
