石粉含量對石屑混凝土抗裂及抗?jié)B性能的影響

孫明良，李國新，梁麗敏

（1.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院 陜西 西安 710055）

（2.云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司 云南 昆明 650501）

0 引言

砂石骨料作為混凝土主要原材料，近年來隨著房地產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，市場對砂石骨料的需求也隨之快速增長，多年來對天然砂資源的過度開采導(dǎo)致滿足要求的天然砂資源越來越少。在現(xiàn)實(shí)石灰?guī)r開采和骨料生產(chǎn)過程中，除了碎石外，還產(chǎn)生大量石屑，石屑與天然砂有著相似的物理性質(zhì)，是比較適宜的代砂材料，研究和探索將石屑作為細(xì)骨料制備石屑混凝土[1-8]，將是緩解現(xiàn)有砂石資源供求關(guān)系、解決石屑占用土地和對環(huán)境污染的有效途徑。由于石屑中含有還有天然砂所沒有的石粉。適量的石粉摻入混凝土，能夠更好的提高混凝土的密實(shí)度，進(jìn)而提高混凝土的綜合性能。但石屑中石粉含量通常較高，有些甚至達(dá)到30%，石粉含量越高，混凝土需水量越高，開裂風(fēng)險(xiǎn)也會增大，勢必會對混凝土耐久性能產(chǎn)生影響[9]。通過人為模擬配比石屑，研究不同石粉摻量對石屑混凝土綜合性能的影響，以期合理高效利用石屑，提高石屑混凝土綜合性能的目的。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1水泥

云南開遠(yuǎn)某有限公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥，其性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性能表

1.1.2粗集料

粗集料各項(xiàng)性能檢測及篩分結(jié)果見表2和表3。

表2 粗集料性能檢測結(jié)果表

表3 粗集料篩分結(jié)果表

1.1.3細(xì)集料

細(xì)集料各項(xiàng)性能檢測及篩分試驗(yàn)結(jié)果如表4和表5所示。

1.1.4外加劑

表4 細(xì)集料性能檢測試驗(yàn)表

表5 細(xì)集料篩分試驗(yàn)結(jié)果表

上海三瑞生產(chǎn)聚羧酸高效減水劑（PC），固含量17%，飽和摻量條件下減水率18.3%。

1.1.5石粉

瓜子石研磨40min后過80μm篩石粉，采用昆明理工大學(xué)真空冶金國家工程實(shí)驗(yàn)室比表面及孔隙度測定儀（NOVA-2200E）測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6所示。

1.1.6 拌合用水

昆明市生活自來水。

1.2 配合比與試驗(yàn)方法

1.2.1混凝土配合比

混凝土工作性能檢測《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT50080-2002進(jìn)行，由于石屑細(xì)度模數(shù)較大，因此摻加一部分水洗山砂并通過調(diào)整得到石粉含量為9%、16%、20%、25%和30%的石屑A、B、C、D、E配制混凝土，調(diào)整外加劑摻量使坍落度達(dá)到（200∶20）mm，研究不同石粉含量的石屑對石屑混凝土耐久性能的影響。不同石粉含量石屑試配情況如下表7，實(shí)驗(yàn)配合比見表8。

表7 不同石粉含量石屑試配情況表

表8 混凝土試驗(yàn)配合比表

1.2.2 試驗(yàn)方法

采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082中的平板式限制收縮開裂試驗(yàn)方法。其原理是在混凝土試模中放入數(shù)個的誘導(dǎo)開裂三棱體，混凝土澆筑后通過光照產(chǎn)生高溫，并在風(fēng)吹情況下加速混凝土表面的水分損失，這樣就可以加速混凝土表面水分的蒸發(fā)，進(jìn)而促使混凝土表面沿著誘導(dǎo)開裂的三棱體產(chǎn)生裂縫，最后通過測試裂縫寬度及開裂面積就可直觀評價混凝土抗裂性能；抗水滲透試驗(yàn)及（電通量法）分別使用的中國建筑科學(xué)研究院建材所開發(fā)的CABRRCP9型混凝土電通量測試儀和CABR-BSY型真空飽水儀，參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082中的氯離子滲透試驗(yàn)方法進(jìn)行，抗氯離子滲透實(shí)驗(yàn)其原理是將混凝土試件兩端分別浸泡在一定濃度的NaCl和NaOH溶液中，然后向溶液電極兩端通入一定的直流電壓，從而促使氯離子加速在試件中遷移，用一定時間內(nèi)通過試塊的電量多少來反映試塊抗氯離子滲透性優(yōu)劣。混凝土工作性能、力學(xué)性能分別按照GB/T50080—2011《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T50081-2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 石粉摻量對石屑混凝土工作性及力學(xué)性能的影響

通過人工調(diào)整得到石粉含量為9%、15%、20%、25%和30%的石屑A、B、C、D、E配制混凝土，調(diào)整外加劑摻量使坍落度達(dá)到（200∶20）mm，試驗(yàn)結(jié)果見表9所示。

表9 石粉含量對混凝土強(qiáng)度及聚羧酸摻量的影響表

石屑混凝土早期強(qiáng)度增長較明顯。石粉含量達(dá)到15%時，石屑混凝土早期強(qiáng)度達(dá)到拐點(diǎn)，石粉含量繼續(xù)增加時，早期強(qiáng)度不再增加，呈下降趨勢。當(dāng)石屑中石粉含量為15%時，相對9%石粉含量，石粉的增加填充了拌合物之間的空隙，增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)性，從而提高混凝土強(qiáng)度；在拐點(diǎn)以后繼續(xù)增加石粉含量時，石粉的增加對改善混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔孔結(jié)構(gòu)不再起促進(jìn)作用，因此混凝土強(qiáng)度也不再增加，反而由于石粉含量的增加，降低了漿骨料比例，從而降低混凝土早期強(qiáng)度。

石粉含量為30%時混凝土3d強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土提高22.6%，混凝土7d強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土提高17.7%，混凝土28d強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土提高5.5%。由此得到，石粉含量對混凝土早期強(qiáng)度影響較為明顯。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C3S的水化。當(dāng)C3S開始水化時，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Ca2+的吸附作用，由于C-S-H和Ca（OH）2在CaCO3表面上大量生長，導(dǎo)致C3S顆粒周圍Ca2+離子濃度降低，使C3S水化加速，從而加速了水泥的水化，漿體水化產(chǎn)物增多，使得混凝土早期強(qiáng)度提高；而后期，石灰石粉抑制了水泥水化，并使?jié){體孔結(jié)構(gòu)由小孔向大孔轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生的孔粗化效應(yīng)又使混凝土強(qiáng)度降低，當(dāng)石灰石粉摻量超過一定范圍，則是由于水泥量相對太少，水化產(chǎn)物減少，因此對混凝土強(qiáng)度改善效果不明顯。

2.2 石粉摻量對石屑混凝土早期開裂性能的影響

混凝土早期抗裂性能等級劃分如下表10所示，表11為不同石粉含量早期開裂實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表10 混凝土早期抗裂性能的等級劃分表

表11 混凝土的早期開裂性試驗(yàn)結(jié)果

不同石粉含量的石屑配制出來的混凝土單位面積上的總開裂面積C均遠(yuǎn)大于1000，無論哪種石粉含量的石屑配制出的混凝土抗裂性能均比較差。在石屑中的石粉含量從9%增加到15%時，混凝土單位面積上的總開裂面積C是降低的，這主要是由于15%石粉含量配制出的混凝土級配更合理，因此混凝土密實(shí)性更好，減小了混凝土的開裂，之后隨著石屑中的石粉含量增加，混凝土單位面積上的總開裂面積C逐漸增大，并且石屑中石粉含量從15%增加到20%時單位面積上的總開裂面積C增加5%，增加幅度不是很大，之后石屑中的石粉含量從20%增加到25%甚至30%時，混凝土單位面積上的總開裂面積C急劇增加，石粉含量為30%時達(dá)到最大的3281mm2/m2，增加幅度達(dá)到53.6%。

2.3 石粉摻量對石屑混凝土抗水滲透性能的影響

抗水滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表12，圖3所示。

結(jié)合表12：石屑中石粉含量為9%時，滲水高度最大，達(dá)到27mm，此時混凝土抗水滲透性能最差；隨著石屑中石粉含量繼續(xù)增加，達(dá)到15%時，混凝土滲水高度最低，僅有11mm，抗水滲透性最好；當(dāng)石屑中石粉含量達(dá)到15%并繼續(xù)增加時，混凝土滲水高度逐漸增高。

表12 抗水滲透試驗(yàn)結(jié)果表

當(dāng)石屑中石粉含量為9%時，混凝土拌合物漿體非常少，對骨料的包裹不足，拌合物級配較差，在混凝土硬化后，內(nèi)部形成的大于50nm的有害孔較多，因此石屑中石粉含量為9%時，混凝土抗水滲透性能較差；當(dāng)石屑中石粉含量增加到15%時，滲水高度最低，抗水滲透性能最好，這是因?yàn)殡S著石屑中石粉含量的增加，豐富了拌合物漿體，混凝土拌合物級配明顯改善，工作性良好，硬化后混凝土中空隙減少，提高了混凝土密實(shí)性，也就提高了混凝土抗水滲透性能，另外由于石粉具有填充效應(yīng)，使硬化后混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)，提高混凝土抗水滲透性；但是繼續(xù)增加石屑中石粉含量時，體系中石粉與水泥比例過大，水泥不足以完全填充砂與石粉所形成的空隙，不足以產(chǎn)生足夠的膠凝性，使得混凝土硬化后空隙增加，致使混凝土抗水滲透性降低，其次由于石粉比表面積非常大，必然導(dǎo)致包裹石粉所需用水量增加，使得可供水泥水化的水份降低，水泥水化不完全，混凝土硬化后產(chǎn)生孔隙較多，從而降低混凝土抗?jié)B性，另外過量石粉的引入，一部分石粉聚集在骨料表面，降低了骨料的粗糙程度影響了水泥石與骨料之間的膠結(jié)能力損害了界面的性能，因此降低了混凝土的抗?jié)B性。

2.4 石粉摻量對石屑混凝土抗氯離子滲透性能的影響

混凝土抗氯離子滲透電通量試驗(yàn)評價標(biāo)準(zhǔn)見表13。

表13 混凝土抗氯離子滲透電通量試驗(yàn)評價標(biāo)準(zhǔn)表

不同石粉含量石屑配制出的混凝土28d電通量均在2000~4000C之間，抗氯離子滲透性均屬中等水平；石粉含量為9%的機(jī)制砂配制的混凝土28d齡期電通量最大，達(dá)到3117.7C，隨后隨著石粉含量的增加，混凝土電通量呈現(xiàn)逐步上升的趨勢。

在水泥—水體系中，隨著水泥粒子的不斷水化，水化物的體積要大于未水化時水泥粒子的體積，這樣水化物除了占有原來水泥粒子所占有的空間外，還有一部分水化物要占有原來的充水空間，而沒有被水化物占有的原充水空間就形成了毛細(xì)孔，而毛細(xì)孔隙又是引起混凝土滲透的最直接原因。

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)石屑中的石粉含量為9%時，配制出的混凝土粘聚性不好，石屑砂不能夠充分包裹粗集料，也無法充分填充集料間的空隙，同時拌合物漿體非常少，因此無法填充充水空間，導(dǎo)致混凝土孔隙率較高，從而使得9%石粉含量的石屑配制出的混凝土電通量較高；當(dāng)石屑中的石粉含量繼續(xù)增加到15%時，配制出的混凝土漿體明顯增多，混凝土和易性得到明顯改善，提高了混凝土的密實(shí)性，降低了混凝土滲透性能，因此電通量明顯降低；而隨后隨著石屑中石粉含量的增加，混凝土的電通量呈現(xiàn)整體上升的趨勢，這是因?yàn)槁入x子在混凝土中的滲透主要是通過其中漿體進(jìn)行的，隨著石屑中石粉含量的增加，混凝土中漿體量隨之增多，從而氯離子在混凝土中的遷移通道增多，導(dǎo)致混凝土電通量增大。

3 結(jié)語

（1） 石屑混凝土電通量均在2000~4000C之間，抗氯離子滲透性能屬中等。9%石粉含量石屑電通量最大，達(dá)到3117.7C，15%石粉含量石屑電通量最小，隨后隨著石屑中石粉含量的增加，石屑混凝土電通量逐漸增加。石屑中一定量的石粉可以改善石屑混凝土抗氯離子滲透性能，石屑中過量的石粉會降低石屑混凝土抗氯離子滲透性能。

（2） 采用逐級加壓法到1.3MPa，5組石屑混凝土抗水滲透實(shí)驗(yàn)試塊頂端均未出現(xiàn)滲水情況，石屑混凝土抗水滲透性能良好。9%石粉含量石屑混凝土抗水滲透性能最差，15%石粉含量石屑抗水滲透性能最好，之后隨著石屑中石粉含量繼續(xù)增加，石屑混凝土抗水滲透性能變差。

（3）石屑混凝土的抗裂性能不好，均屬Ⅰ級。15%石粉含量石屑混凝土開裂面積最小，之后隨著石屑中石粉含量的增加，開裂面積逐漸增大，30%石粉含量石屑混凝土開裂面積最大。石屑中石粉含量從25%增加到30%時，石屑混凝土單位總開裂面積急劇增加，增加幅度達(dá)到53.6%。