不同石粉摻量對(duì)水泥基材料性能的影響

馮玉強(qiáng)

（重慶建研科之杰新材料有限公司，重慶 璧山 402760）

0 前言

天然砂的日益短缺使得機(jī)制砂成為混凝土生產(chǎn)的替代資源。機(jī)制砂由母巖經(jīng)清洗、破碎、篩分等工藝制得，可根據(jù)需要生產(chǎn)不同細(xì)度模數(shù)和石粉含量的成品。機(jī)制砂多棱角、表面粗糙，通過含粉量的調(diào)節(jié)可生產(chǎn)出和易性良好、強(qiáng)度和耐久性滿足工程要求的混凝土[1,2]。作為機(jī)制砂的重要組成部分，適量的石粉可以增加漿體體積，提高混凝土的和易性[3,4]，但受供應(yīng)影響，機(jī)制砂品質(zhì)良莠不齊，機(jī)制砂石粉含量普遍較高，且 MB 值波動(dòng)較大，對(duì)混凝土生產(chǎn)造成一定波動(dòng)。

外摻石粉是通過外摻引入，通過粉磨至一定細(xì)度，作為礦物摻合料使用。由于制備過程和用途的不同，外摻石粉與同源石粉（指機(jī)制砂自身所帶石粉）在細(xì)度、MB 值等方面存在差異，因此有必要對(duì)外摻與同源石粉進(jìn)行區(qū)分，研究二者在水泥基材料中的應(yīng)用性能，以更好地指導(dǎo)機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）水泥采用 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為Ⅱ級(jí)灰，需水比為 96%；礦粉為 S95，比表面積為 415m2/kg。水泥的性能指標(biāo)結(jié)果見表 1。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

（2）外摻石粉為石灰石經(jīng)水洗、烘干、破碎、粉磨等系列工藝制得，75μm 方孔篩篩余不超過 10%；同源石粉為機(jī)制砂石粉經(jīng)過 75μm 方孔篩，篩余不超過 10%。表 2 為不同石粉主要性能指標(biāo)對(duì)比。

表2 外摻和同源石粉主要性能指標(biāo)對(duì)比結(jié)果

表2 指標(biāo)看，外摻石粉和同源石粉在細(xì)度相近的情況下，有著不同的 MB 值。

（3）外加劑為聚羧酸外加劑，含固量為 15%，推薦摻量為 1.0%～3.0%。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）摻加石粉的水泥凈漿流動(dòng)度：取不同石粉摻量的水泥，按照 GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》，取 300g 水泥、87g 水，外加劑摻量為純水泥凈漿初始流動(dòng)度 (240±5)mm 的用量，測(cè)試兩種石粉加入后水泥凈漿流動(dòng)度和經(jīng)時(shí)損失。

（2）水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)參照 GB/T 17671—2019《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，采用水膠比 0.4，外加劑采用砂漿擴(kuò)展度 (140±5)mm 時(shí)的摻量，覆膜養(yǎng)護(hù) 24h 后拆模，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，測(cè)試摻入石粉后的水泥抗折和抗壓強(qiáng)度。

（3）混凝土坍落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)按 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。混凝土力學(xué)性能參照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行成型和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，測(cè)試混凝土 7d 和 28d 抗壓強(qiáng)度。

（4）混凝土碳化試驗(yàn)參照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)試摻入一種石粉后的混凝土 28d 碳化深度。

（5）混凝土 SEM 樣品制備：取兩種石粉摻量 10%，按照 C30 配比進(jìn)行拌和成型，拆模后標(biāo)養(yǎng) 28d 后破碎，用無水乙醇進(jìn)行浸泡，終止水化待測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 水泥凈漿流動(dòng)度

設(shè)定石粉摻量為 0%、10%、20%、30%、40%、50%，測(cè)試兩種石粉替代水泥后對(duì)凈漿流動(dòng)度的影響，測(cè)試結(jié)果見表 3。

表3 結(jié)果顯示，隨著外摻石粉的加入，水泥凈漿流動(dòng)度先增加后降低，這是因?yàn)檫m量的石粉可以優(yōu)化膠凝材料的顆粒級(jí)配，發(fā)揮自身的形體效應(yīng)[5]，對(duì)水泥漿體的流動(dòng)性有促進(jìn)作用，但隨著石粉量的增多，參與反應(yīng)的水泥量下降，生成的水化產(chǎn)物數(shù)量減少，石粉產(chǎn)生的粘滯阻力增大，水泥凈漿流動(dòng)度下降，到石粉摻量 50% 時(shí)，水泥凈漿流動(dòng)度出現(xiàn)較大損失。同時(shí)，摻入 20% 以內(nèi)的外摻石粉的水泥凈漿經(jīng)時(shí)損失也小于純水泥組，石粉加入后降低水泥水化熱，延緩了水泥的水化速率，間接使得水泥凈漿經(jīng)時(shí)損失降低。

表3 不同石粉對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的影響 mm

而同源石粉由于 MB 值高于外摻石粉，盡管與外摻石粉平均粒徑相近，但仍然表現(xiàn)出對(duì)水分和外加劑較強(qiáng)的吸附性，在加入同源石粉后水泥凈漿初始流動(dòng)度和經(jīng)時(shí)損失均劣于同比例外摻石粉。

2.2 膠砂強(qiáng)度

有研究者發(fā)現(xiàn)石粉可以促進(jìn) Ca(OH)2的溶出，促進(jìn)水泥水化，并伴隨有碳硅酸鈣和碳鋁酸鈣生成[6]，從而對(duì)水泥強(qiáng)度增長(zhǎng)有利，但研究者確定的最佳石粉摻量因各自選材不同而有所差異。對(duì)摻入外摻和同源石粉后的水泥膠砂強(qiáng)度進(jìn)行研究，結(jié)果見表 4 和圖 1。

表4 膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 a) 結(jié)果顯示，外摻石粉和同源石粉加入后水泥膠砂 7d 和 28d 抗折強(qiáng)度均低于純水泥，且隨石粉摻量越高，水泥膠砂抗壓強(qiáng)度降低越多。但摻外摻石粉的水泥膠砂抗折強(qiáng)度損失低于同源石粉。

圖1 外摻石粉和同源石粉對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響

圖2 b) 反映出水泥抗壓強(qiáng)度受石粉摻量影響較大，外摻石粉從 0% 至 50%，水泥 7d 和 28d 抗壓強(qiáng)度先增加后降低，在石粉摻量 20% 時(shí)最高，之后摻量增加，水泥強(qiáng)度下降。摻同源石粉的水泥 7d 抗壓強(qiáng)度隨摻量增加而持續(xù)降低，28d 抗壓強(qiáng)度在其摻量 10% 時(shí)最高，之后開始下降。這說明適量的石粉可以發(fā)揮填充效應(yīng)，促進(jìn)水泥水化[7]，從而使得水泥抗壓強(qiáng)度提高。同源石粉由于 MB 值高于外摻石粉，對(duì)水分和外加劑的吸附較強(qiáng)[8]，使得硬化后的水泥石內(nèi)部出現(xiàn)較多微裂紋，使得水泥強(qiáng)度下降。

2.3 混凝土性能

為研究摻入不同來源石粉對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)強(qiáng)度以及耐久性的影響，選取 C30 混凝土，固定外加劑和用水量，測(cè)試結(jié)果見表 5 和表 6。

表6 同源石粉對(duì)混凝土性能的影響

表5 結(jié)果顯示，當(dāng)外摻石粉在一定摻量范圍（20% 以內(nèi)），混凝土初始坍落度和擴(kuò)展度提高，且 1h 坍落度和擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失也有所改善，這是因?yàn)橥鈸绞圯^細(xì)，在膠凝體系中發(fā)揮了填充效應(yīng)，使得漿體泌水通道減少，保水能力增強(qiáng)，混凝土相應(yīng)的和易性也得到提高。當(dāng)石粉摻量超過 20%，由于石粉的低活性[8]，使得漿體對(duì)骨料的粘聚作用下降，內(nèi)部泌水通道增多，混凝土保水性和保坍能力也隨之下降。

表5 摻入外摻石粉的混凝土性能結(jié)果

與工作性能相對(duì)應(yīng)的，混凝土 7d 強(qiáng)度和 28d 強(qiáng)度隨外摻石粉摻量增加先增加后降低，當(dāng)石粉比例 20% 時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度最高，這是因?yàn)檫m量的外摻石粉能夠提供填充效應(yīng)以及促進(jìn)混凝土早期水化，使得硬化后的混凝土密實(shí)度提高，從而有利于強(qiáng)度增長(zhǎng)。過量的石粉會(huì)降低水泥水化產(chǎn)物的生成量，使得混凝土界面過渡區(qū)弱化，漿體膠結(jié)能力下降。

外摻石粉能夠促進(jìn)氫氧化鈣的溶出及參與水化使得體系堿度下降[9]，從而使得混凝土水化產(chǎn)物穩(wěn)定性下降，從而使得外界的 CO2、SO2等酸性氣體更容易侵入，混凝土碳化深度下降。但同時(shí)可以看到，外摻石粉 20% 替代比例內(nèi)，混凝土碳化深度下降較少，過量后混凝土碳化深度提高。

表6 為同源石粉對(duì)混凝土性能的影響，同源石粉摻比增加都會(huì)降低混凝土初始工作性能，且混凝土經(jīng)時(shí)損失加大，但適量同源石粉所含的泥粉可以提高混凝土保水性[10]，使得混凝土和易性有所改善。同源石粉增加后混凝土強(qiáng)度都有所下降，但摻量在 20% 以內(nèi)時(shí)降低較少，之后由于同源石粉帶來的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化，使得混凝土下降幅度高于同摻量外摻石粉的混凝土。同時(shí)同源石粉含量的增加帶來了混凝土抗碳化性能的下降，且劣于外摻石粉的抗碳化能力。

3 結(jié)論

（1）相同摻量的外摻石粉和同源石粉對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度影響不同，外摻石粉在 20% 摻量以內(nèi)有助于提高凈漿流動(dòng)性，經(jīng)時(shí)損失也較小，但超量后水泥凈漿流動(dòng)度下降，經(jīng)時(shí)損失加大。摻同源石粉的水泥凈漿流動(dòng)度小于同摻量外摻石粉，且隨同源石粉摻量增加，水泥凈漿流動(dòng)度降低，經(jīng)時(shí)損失增大。

（2）無論是外摻石粉還是同源石粉，摻量增加水泥膠砂抗折強(qiáng)度都出現(xiàn)下降，且同源石粉的負(fù)面影響更大。隨著外摻石粉摻量增加，水泥 7d 和 28d 抗壓強(qiáng)度先增加后降低，在石粉摻量 20% 時(shí)最高，同源石粉對(duì)摻量更為敏感，摻量超過 10% 時(shí)，水泥抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降。

（3）一定量的外摻和同源石粉可以提高混凝土的初始工作性能，同時(shí)有助于混凝土保坍性能提升；20% 以內(nèi)的外摻石粉可以提高混凝土抗壓強(qiáng)度，使得減緩混凝土碳化發(fā)展；對(duì)于同源石粉，一定摻量范圍內(nèi)石粉的填充作用可以部分抑制強(qiáng)度下降，與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，但其摻量對(duì)混凝土的負(fù)面作用需要更多關(guān)注。