石材廢棄石粉對(duì)水泥水化作用微觀(guān)機(jī)理研究

陳學(xué)雄

(福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，福州 350001)

1 引言

福建省作為石材大省， 在石材生產(chǎn)過(guò)程中形成了大量廢棄石粉漿，其中，廢漿中含水約為50%，通過(guò)壓榨、烘干可獲得石材廢棄石粉。 通過(guò)相關(guān)研究顯示，每年，福建省生產(chǎn)板材產(chǎn)生了約1.2 千萬(wàn)噸的石材廢棄石粉。 石粉廢棄石粉主要以石灰石粉、大理石粉(以CaCO3為主)和花崗巖石粉(以SiO2、Al2O3為主)為主，這兩類(lèi)石粉對(duì)水泥混凝土性能的影響存在著差異， 為更加具體地研究石材廢棄石粉作為混凝土摻合料對(duì)水泥混凝土的水化硬化過(guò)程的影響， 本文利用掃描電鏡對(duì)摻石材廢棄石粉的水泥凈漿進(jìn)行微觀(guān)結(jié)構(gòu)觀(guān)察， 以探明不同石材石粉對(duì)混凝土的水化過(guò)程的作用機(jī)理。

2 原材料性能

2.1 水泥

本次試驗(yàn)選取了福建閩福水泥P·O42.5， 物理性能指標(biāo)如表1 所示：

表1 水泥物理性能

2.2 石粉

試驗(yàn)選用了3 種石粉，即石灰石石粉、花崗巖石粉、大理石石粉。 性能指標(biāo)如表2 所示：

表2 3 種石粉性能指標(biāo)

2.3 水

拌和用水為普通飲用水。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

3.1 石粉-水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度比反映的是石粉作為摻和料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響程度，雖然有學(xué)者指出，石粉并不具有活性，但是作為混凝土質(zhì)量控制指標(biāo)是必要的。 故本試驗(yàn)針對(duì)3 種石粉開(kāi)展了抗壓強(qiáng)度比試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 石粉試驗(yàn)方案

3.2 石粉-水泥水化機(jī)理研究

試驗(yàn)水泥凈漿采用0.5 的水膠比，并將大理石粉、花崗巖石粉和石灰石粉分別以10%、20%、30%和50%的比率取代水泥，試驗(yàn)配比見(jiàn)表4，試件尺寸為10mm×10mm試塊。

當(dāng)凈漿試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到1d、7d 和28d 時(shí)，從經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的水泥凈漿試件中取面積約為1cm2的塊狀試樣，放入無(wú)水乙醇中至水化反應(yīng)中止。試驗(yàn)前取出試樣，在烘箱中烘干，烘箱溫度設(shè)定為50℃，裝入封口袋，在干燥器中保存。在進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)前，先在觀(guān)察面上鍍金， 然后放入掃描電鏡中抽真空， 觀(guān)測(cè)水泥凈漿微觀(guān)結(jié)構(gòu)。

表4 石粉-水泥凈漿配合比

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 石粉-水泥膠砂強(qiáng)度

由表5 可以得出：石灰石粉、大理石粉、花崗巖石粉7d 的抗壓強(qiáng)度比分別為73.8%、71.9%、66.7%，28d 的抗壓強(qiáng)度比分別為69.4%、66.3%、63.0%。。 同時(shí)也可以看出， 石灰石粉粉活性≥大理石石粉活性≥花崗巖石粉活性。

3 種石粉抗壓強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 3 種石粉抗壓強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果

4.2 不同石粉對(duì)水泥水化的影響

為對(duì)比大理石粉、 花崗巖石粉和石灰石粉對(duì)水泥水化的影響， 分別選取了石粉摻量為20%時(shí)， 對(duì)水泥水化1d、7d 和28d 的影響。 從圖1 和圖3 可以看出，摻入大理石粉和石灰石粉時(shí)，對(duì)水泥水化的影響基本相同：在齡期1d 時(shí)，和基準(zhǔn)水泥試件一樣，開(kāi)始出現(xiàn)較多的Ca(OH)2和硫鋁酸鹽水化產(chǎn)物， 在7d 時(shí)生成大量的鈣礬石，28d 時(shí)C-S-H 凝膠、Ca(OH)2和鈣礬石互相交替，結(jié)構(gòu)物相互連接， 并未見(jiàn)明顯的石粉顆粒。 而從圖2 可以看出， 摻入20%的花崗巖石粉時(shí)，其1d 時(shí)，水化產(chǎn)物中未見(jiàn)明顯的鈣礬石，在7d 的SEM 圖片中，整體鈣礬石和Ca(OH)2 較少， 可見(jiàn)一些細(xì)小的石粉顆粒與水化產(chǎn)物相互膠結(jié)在一起；在28d 時(shí)，雖然仍可以看到花崗巖石粉顆粒，但水泥凈漿整體是較為密實(shí)的。

圖1 大理石粉摻量為20%時(shí)水泥凈漿SEM 微觀(guān)形貌

圖2 花崗巖石粉摻量為20%時(shí)水泥凈漿SEM 微觀(guān)形貌

圖3 石灰石粉摻量為20%時(shí)水泥凈漿SEM 微觀(guān)形貌

從3 種石粉的SEM 圖可以看出，大理石粉和石灰石粉由于其主要成分都為碳酸鈣， 兩種石粉對(duì)水泥水化的影響基本相同。 結(jié)合3.1 石粉-水泥膠砂強(qiáng)度研究，可知大理石粉和石灰石粉的CaCO3參與了水泥的水化過(guò)程，CaCO3作為核心為晶體的生長(zhǎng)提供了結(jié)晶核， 在碳酸鈣微粒表面能吸附C3S 水化時(shí)釋放出的大量Ca2+，使得C3S顆粒周?chē)腃a2+離子濃度降低，使C3S 水化加速，并隨著水化的進(jìn)行，逐漸與水泥水化產(chǎn)物融合為一體。從圖1 和3 也可以看出， 在摻了20%石粉的水泥凈漿中并未發(fā)現(xiàn)明顯的石粉顆粒。而花崗巖石粉主要由Al2O3 和SiO2 組成，二者占總組分的70%～80%，從圖2 可以看出，摻入花崗巖石粉后，水泥水化產(chǎn)物較少，而且可以看見(jiàn)明顯的石粉顆粒，這表明在花崗巖石粉是一種惰性材料，并未參與水泥水化過(guò)程。所以，摻石灰石粉和大理石粉的抗壓強(qiáng)度比相對(duì)于摻花崗巖石粉的抗壓強(qiáng)度比要高一點(diǎn)。但是，由于花崗巖石粉的粒徑級(jí)配比水泥粒徑小， 因而在水泥中產(chǎn)生微集料效應(yīng)，起到填充水泥水化產(chǎn)物的作用，花崗巖石粉可以填充到界面的孔隙中， 使水泥石結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)更為致密，因而在較少摻量時(shí)，水泥混凝土的強(qiáng)度下降并不明顯。

4.3 石粉摻量對(duì)水泥水化的影響

為進(jìn)一步研究石粉摻量對(duì)水泥水化的影響， 選擇大理石粉摻量為10%、20%、30%和50%的水泥凈漿進(jìn)行SEM 掃描電鏡觀(guān)察。由圖4 和圖5 可以看出，石粉摻量小于20%時(shí)，大理石粉的摻入，對(duì)水泥水化的水化進(jìn)程、水化產(chǎn)物以及水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)形貌和界面都影響不大，其SEM 圖片與基準(zhǔn)水泥的SEM 圖差別不大， 在7d 生成大量的Ca(OH)2和鈣礬石Aft；在28d 時(shí)，Aft 由針狀變成柱狀， 結(jié)構(gòu)開(kāi)始變得致密； 整個(gè)水化過(guò)程未見(jiàn)明顯石粉顆粒。 而大理石粉摻量到30%時(shí)(圖6)，水泥水化產(chǎn)物開(kāi)始出現(xiàn)較為明顯的變化，可見(jiàn)石粉顆粒分散在水化產(chǎn)物中，并未與水泥水化產(chǎn)物良好的銜接為整體。 整個(gè)水化過(guò)程的水泥的水化產(chǎn)物較少。 當(dāng)石粉摻量達(dá)到50%時(shí)(圖7)，這種情況更加明顯， 在7d 時(shí)到處為分散的石粉顆粒，而幾乎未發(fā)現(xiàn)鈣礬石，在28d 時(shí)，水化產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)大量的單硫型水化硫鋁酸鈣AFm，說(shuō)明水泥中的硫酸鹽已經(jīng)不足以支持C3A 水化，AFt 會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為AFm，這從側(cè)面證實(shí)摻入大理石粉可以促進(jìn)水泥的水化。

圖4 大理石粉摻量為10%時(shí)水泥凈漿SEM 微觀(guān)形貌

圖5 大理石粉摻量為20%時(shí)水泥凈漿SEM 微觀(guān)形貌

圖6 大理石粉摻量為30%時(shí)水泥凈漿SEM 微觀(guān)形貌

圖7 大理石粉摻量為50%時(shí)水泥凈漿SEM 微觀(guān)形貌

5 總結(jié)

通過(guò)石粉-水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)及對(duì)摻入石粉的水泥凈漿進(jìn)行SEM 微觀(guān)分析，可得出以下結(jié)論：

(1)石灰石粉粉活性≥大理石石粉活性≥花崗巖石粉活性。

(2)大理石粉和石灰石粉對(duì)水泥的水化影響機(jī)理基本相同，可促進(jìn)水泥的水化作用，而花崗巖石粉僅起到填充作用，并未參與水化。

(3)在石粉摻量小于20%時(shí)，對(duì)水泥的水化產(chǎn)物影響不大。摻量大于20%時(shí)，石粉的摻入會(huì)減少水泥的水化產(chǎn)物，水泥水化產(chǎn)物不能有效包裹石粉顆粒。