石粉對混凝土性能影響及微觀機理分析

李 特，李 琦

（1.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400000；2.東南大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210000）

近年來，機制沙已被廣泛應用于混凝土中［1］。在石材開采過程會產(chǎn)生石粉，大多數(shù)石粉顆粒的范圍從1 μm～100 μm 不等，因此難以處理，運輸和回收［2］。大多數(shù)石粉被填埋，或者作為道路的填充物［3］。在混凝土中摻入石粉作為輔助性膠凝材料，可以有效降低CO2的排放［4］。2018 年，中國對石材裝飾品的年需求量為15 億平方米，并且仍在增長［5］。用廢石粉作為輔助性膠凝材料，可以減少水泥的使用，從而降低能耗，還可以減少處理廢石粉造成的環(huán)境問題［6-7］。

Wang 等［8］的研究表明，石灰石粉的物理填充效應對水泥石的孔結(jié)構(gòu)和強度起著重要的作用。石粉的礦物學成分是石英、正長石［9］，有些還含有粘土礦物，如高嶺土［10］。石粉與其他輔助性膠凝材料復摻具有更好的性能，如硅粉［11］、粉煤灰等。石粉可以促進水泥的水化，誘導水泥水化物的結(jié)晶［12］。但一些試驗研究表明，石粉的加入會影響減水劑的作用［13］。這與外加劑吸附石粉有關(guān)［14］。另外，石粉的加入也會影響水化產(chǎn)物的Ca/Si，Xu 等［15］的研究表明石粉可以吸附Ca2+。

但是在摻量較大時，容易導致抗壓強度的下降以及收縮變大。［16］替代率較小，如5%時，可以提高混凝土的抗壓強度［17-18］。但是石粉添加有利于混凝土抗硫酸鹽性能［19］以及抗氯離子能力［20］的提高。本實驗結(jié)合多種分析方法，研究石粉摻量對混凝土性能的影響，希望可以將廢棄石粉運用于水泥基材料中。

2 原材料與試驗

2.1 原材料

試驗采用PⅡ42.5 硅酸鹽水泥，花崗巖石粉，其密度為2.63 g·cm-3，先用破碎機將其進行處理得到較小試塊，然后使用球磨機進行研磨10 min，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。水泥和石粉主要化學成分見圖1，可知花崗巖石粉中SiO2的含量較高，CaO 含量較低，另外其中堿性氧化物含量較高。為降低顆粒粒徑對實驗的影響，選擇粒徑相差不大原材料進行實驗，粒徑分布圖如圖2 所示。

圖1 化學組成原材料的

圖2 原材料的粒徑分布

2.2 配合比

試驗混凝土基礎(chǔ)配合比見表1，砂的細度模數(shù)為2.7，粗集料為5～31.5 mm 連續(xù)粒級碎石。石粉的替代率為5%、10%、15%、20%，由于水膠比對混凝土影響較大，測得石粉的吸水率為10%，為控制水膠比，先將石粉進行飽和潤濕，再按10%的吸水率進行相應計算，加入所需的水。

表1 混凝土配合比kg/m-3

2.3 工作性能

按照相關(guān)標準進行坍落度測試，為了解石粉對漿體的流變學影響，采用Brookfield 公司生產(chǎn)的R/S 型流變儀測試漿體流變性能，試驗采用Zeta 電位測試儀測量漿體的Zeta 電位。為了了解石粉如何影響水泥漿體的早期水化，采用PerkinElmer NexION 2000 ICP-MS 對漿體的早期孔隙溶液進行表征。

2.4 石粉活性與抗壓強度

根據(jù)GB/T2847-2005《用于水泥中的火山灰質(zhì)混合材料》，采用化學法進行火山灰性試驗。由火山灰活性試驗結(jié)果圖3 可知，石粉在試驗齡期內(nèi)（8 d 或15 d），其試驗結(jié)果數(shù)據(jù)點均落在了火山灰活性曲線圖的上方，表明石粉的火山灰活性不好，按照相關(guān)標準進行抗壓強度測試。

圖3 石粉活性

2.5 超聲脈沖波

采用水泥的超聲脈沖速度（UPV）非破壞性的測試方法，通過使用超聲脈沖的速度測量來檢查水泥的耐久性。UPV 設(shè)備有發(fā)射和接收換能器以及顯示到達時間的指示器。所有的UPV 測試都是使用The Pundit Lab 儀器進行的。

2.6 全周期分析

按照Emily L.Tucker 提供的方法進行玻璃粉的全周期分析，來判斷所獲得的環(huán)境效益與經(jīng)濟效益。［21］

3 結(jié)果與討論

3.1 工作性能

石粉對坍落度的影響見圖4，由于石粉吸水飽和，不會從膠凝材料中吸水，從而不會改變水膠比，但是石粉的加入，導致摩擦增加，從而導致混凝土坍落度下降，由于石粉吸水飽和，對混凝土的長期施工性能有利。

圖4 石粉對坍落度的影響

流變性能的結(jié)果如圖5 所示，與坍落度的結(jié)果相互對應，石粉的加入導致摩擦加大，屈服應力增加，從而混凝土的坍落度下降，隨摻量的升高，摩擦加大，屈服應力變大，對應于坍落度減小，但摻量合適情況下，不會對工作性能產(chǎn)生明顯影響。

圖5 石粉對流變性能的影響

3.2 Zeta 電位

Zeta 電位表征顆粒間作用力大小，其絕對值越大，整個體系越穩(wěn)定，絕對值越小，越容易發(fā)生顆粒凝聚現(xiàn)象。從圖6 可知，隨時間增加，Zeta 電位值的絕對值變大，顆粒趨向于穩(wěn)定，隨替代率的增加，Zeta 電位絕對值減小，其Zeta 電位絕對值增大，因此石粉會對早期的水泥水化產(chǎn)生影響。

圖6 石粉對Zeta 電位的影響

3.3 抗壓強度

從圖7 可以看出，石粉的沒有活性，因此早期強度較低，但可以作為微集料填充到孔隙中所以早期強度沒有顯著性下降，并且在5%、10%強度有所提升，在恒定水膠比情況下，石粉的摻量可以進一步提高，在摻量合理情況下，石粉可以提高混凝土的強度，很大程度在于石粉具有勻質(zhì)化的作用。

圖7 石粉對抗壓強度的影響

3.4 超聲脈沖波

從圖8 中可知，隨替代率的增加，UPV 的值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當摻量較少時，石粉作為微集料填充在混凝土內(nèi)部的有害孔隙中，混凝土因此變得更加密實。當摻量較大時，廢石粉的摻入可能增大了骨料與水泥基體的界面過渡區(qū)，從而降低了界面粘接力，因此過量摻加對于混凝土不利。

圖8 石粉的LCA 分析

3.5 全周期分析

通過圖9 可知，由于石粉只需要經(jīng)過磨細處理，避免了水泥的相關(guān)工藝，因此隨著替代率的增加可以獲得良好的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益，并且從以上討論可知，在摻量適當?shù)臈l件下，其對混凝土的性能沒有顯著性的危害。

圖9 石粉對UPV 值的影響

4 結(jié)論

花崗巖作為廣泛應用的石材，在使用過程中會產(chǎn)生大量放棄石材，通過研磨加入到水泥中，可以解決廢棄石材的堆積問題。本實驗研究石粉對混凝土的影響，試驗表明，石粉會導致離子吸附以及水吸附，從而降低坍落度，隨石粉替代率的增加，抗壓強度先上升后下降，隨替代率的增加，UPV 的值先變小后變大。由于石粉只需要經(jīng)過磨細處理，避免了水泥的相關(guān)工藝，因此石粉合理替代可以獲得良好的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益。