石粉對低強度自密實混凝土抗氯離子滲透和微觀結構的影響

黃快忠，張明，連亞明

（1. 廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司，福建　廈門　361004；2. 廈門天潤錦龍建材有限公司，福建　廈門　361009；3. 中國建筑第四工程局有限公司廈門分公司，福建　廈門　361002）

石粉對低強度自密實混凝土抗氯離子滲透和微觀結構的影響

黃快忠1,2，張明3，連亞明1,2

（1. 廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司，福建廈門361004；2. 廈門天潤錦龍建材有限公司，福建廈門361009；3. 中國建筑第四工程局有限公司廈門分公司，福建廈門361002）

本文以不同比例石粉和粉煤灰復摻（40%～60%）取代水泥制備低強度自密實混凝土，研究了石粉對低強度自密實混凝土工作性、抗壓強度、抗氯離子滲透性和微觀結構的影響。結果表明：石粉可改善低強度自密實混凝土的流動性，適量的石粉能提高混凝土抗壓強度，并表現(xiàn)優(yōu)良的抗氯離子滲透性能和致密的微觀結構，石粉的摻量宜控制在20% 以內。

石粉；低強度自密實混凝土；抗氯離子滲透性；微觀結構

0　引言

近年來石材加工業(yè)得到了迅猛發(fā)展，石材加工過程產生的廢棄物造成的污染問題越來越嚴重。據(jù)報道，我國石材的利用率僅為60%，每生產30 平方米的板材，產生的石粉等廢料大約有1噸，僅我國石粉廢料的年產量就有上千萬噸。由于石粉顆粒較細，雨天時和雨水混合成石粉泥，四處橫流，晴天時則隨風四處飄飛，對環(huán)境造成了二次污染，大片耕地及水資源、空氣等受到嚴重污染，生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞。如果能合理有效地利用這些石粉，不僅可以節(jié)約資源，還能改善環(huán)境，從而取得良好的經濟效益和社會效益[1-2]。

關于石粉在混凝土中所起的作用：一種觀點認為石粉是一種惰性材料，不參與水泥的水化反應，在混凝土中起集料填充作用[3]；另一種觀點認為石粉具有一定活性，參與水泥的水化反應，并且對混凝土的工作性能、力學性能和耐久性都有一定影響[4]。本文通過石粉取代部分膠凝材料，制備出低膠凝材料用量的自密實混凝土，并研究石粉對自密實混凝土工作性能、力學性能、抗氯離子滲透性能和微觀性能的影響，確定了石粉的適宜摻量。

1　試驗概況

1.1原材料

水泥：采用潤豐 P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥各項物理化學指標見表1。

粉煤灰：采用華陽電業(yè)漳州后石電廠生產的 F 類Ⅱ級粉煤灰。其各項性能指標見表2。

表1　水泥各項物理化學指標

表2　粉煤灰各項性能指標　%

石粉：采用福建某石材廠花崗巖廢石粉，其各項性能指標見表3。

表3　花崗巖石粉主要成份　%

細骨料：采用細度模數(shù)為2.6、級配范圍為Ⅱ區(qū)的河砂，含泥量為 0.8%。

粗骨料：采用粒形較好的5～20mm 的反擊破石子。

外加劑：采用福建科之杰新材料有限公司生產的聚羧酸高濃型緩凝高性能減水劑（Point-400S）。

1.2試驗配合比

試驗采用相同膠凝材料用量（450kg/m3），通過摻加不同比例礦物摻合料進行試驗，混凝土配合比見表4。試驗編號1～3的礦物摻合料總量為40%，石粉摻量分別為10%～30%；試驗編號4～6的礦物摻合料總量為50%，石粉摻量分別為10%～30%；試驗編號7～9的礦物摻合料總量為60%，石粉摻量分別為20%～40%。

表4　自密實混凝土配合比

1.3試驗方法

（1）混凝土拌合物性能按 JGJ/T283—2012《自密實混凝土應用技術規(guī)程》進行測試。

（2）抗壓強度按 GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試，采用 (150×150×150)mm3的立方體試件。

（3）混凝土抗氯離子滲透性能依據(jù) GB50082—2009《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗方法標準》進行測試。本試驗采用的 RCM 法測試抗氯離子滲透系數(shù)。抗氯離子滲透試驗采用 (150×150×515)mm3的棱柱體試件，成型的試件即刻以塑料薄膜覆蓋并移入標準養(yǎng)護室。在 (24±2)h 內拆模，之后將試件浸沒在處于標準養(yǎng)護室的水池中養(yǎng)護至28d。試驗前7d 將試件加工成直徑 (100±1)mm，高度 (50±2)mm的標準尺寸，并將初次切口面暴露在氯離子溶液中作測試面。試件加工后將之打磨光滑，完畢后將試件繼續(xù)浸沒在水池中養(yǎng)護至試驗齡期。

（4）自密實混凝土試件微觀結構分析采用 ETD-2000 小型離子濺射儀以及 COXI EM-20 桌面臺式掃描電子顯微鏡進行測試。試樣采用尺寸為 (20×20×20)mm3的試模成型凈漿試件，成型1d 后脫模，移入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定齡期。SEM 前敲取凈漿試件碎片放進無水乙醇中48h，終止繼續(xù)水化，之后放入烘箱在75℃下干燥至恒重，取出試件碎片，進行SEM試驗觀察。

2　試驗結果與分析

2.1石粉對自密實混凝土工作性和強度的影響

圖1顯示了不同礦物摻合料摻量及石粉摻量下對自密實混凝土擴展度的影響結果。隨著總礦物摻合料摻量的增加（40%～60%），自密實混凝土的擴展度大體上逐漸增大，這表明自密實混凝土的工作性能有所提高。這是因為石粉具有比表面積大的特性，摻入混凝土可顯著提高粉體的總比表面積，改善了自密實混凝土在低膠材狀況下自由水偏多、漿體黏聚性偏差的問題，適當黏聚性的漿體有利于骨料的移動，提高混凝土坍落擴展度。另外，石粉顆粒還能發(fā)揮級配效應，填充粉料與細骨料界面間的空隙，改善自密實混凝土的孔結構，使級配更合理，提高自密實混凝土的流動性。

圖1　自密實混凝土擴展度

圖2　自密實混凝土的抗壓強度

圖2顯示了不同礦物摻合料摻量及石粉摻量對自密實混凝土抗壓強度的影響結果。在40% 的礦物摻合料下，隨著石粉摻量的增加，混凝土各齡期強度均有所提高（編號1～3）。這是由于水泥水化產物占據(jù)了更多混凝土的有限空間[5]，而且石粉作為一種微細填充顆粒，可以加速水泥水化產物的生成，因此，適量的石粉能促進混凝土抗壓強度的提高。事實上，大量的細微石粉顆粒在混凝土中可發(fā)揮其晶核作用[6]。這是一個物理效應，它能夠使水泥顆粒被石粉顆粒充分包裹，從而分散開來，為水泥水化創(chuàng)造更有利的條件。此外，石粉顆?？梢蕴畛浠炷量障?，如過渡區(qū)和毛細孔，減少混凝土自由水[7]。

然而當?shù)V物摻合料摻量為50%、60% 時，總體上，混凝土的抗壓強度出現(xiàn)了較明顯的下降。這是由于礦物摻合料過多，水泥用量減少，微集料效應不能發(fā)揮優(yōu)勢，同時過多的礦物摻合料使?jié){體中的顆粒級配更不合理，因此導致了混凝土強度的降低[8]。

2.2石粉對自密實混凝土抗氯離子滲透的影響

由于表4中設計配合比礦物摻合料總量均超過40%，編號9摻量為60%，編號5和4的摻量均為50%，綜合考慮標準養(yǎng)護28d 和60d 強度，同時為了最大化地利用石粉，筆者選取了編號9、5、4的配合比分別對應低強度的自密實混凝土，并研究石粉對抗氯離子滲透性能的影響?；炷恋呐浜媳燃奥入x子擴散系數(shù)如表5所示。

表5　混凝土配合比及氯離子擴散系數(shù)

由表5可知，礦物摻合料的摻量為60% 時（粉煤灰、石粉摻量分別為20%、40%），編號9為 C20 的自密實混凝土，根據(jù) JGJ/T193—2009《混凝土耐久性評定標準》，混凝土抗氯離子擴散等級較低（RCM-II），這是因為適量的礦物摻合料可以起到微集料效應和填充效應[9]，但大量摻量的石粉足以打破這種“復合超疊加效應”，大孔結構越來越多，28d時粉煤灰的水化產物也不夠填充孔隙。因此 C20 自密實混凝土的氯離子擴散系數(shù)最大。

礦物摻合料的摻量為50%，總體上混凝土的抗氯離子滲透系數(shù)較好，編號5達到 RCM-IV，編號4達到 RCM-V，均高于編號9。這是因為石粉在自密實混凝土中的填充效應，增強了混凝土密實度，并與水泥中的 C3A 和 C4AF 發(fā)生發(fā)應，生成可與其他水化產物相互搭接的水化碳鋁酸鈣，使水泥石結構更加密實，從而提高了混凝土的抗氯離子滲透性能[10]。另外，粉煤灰后期的水化作用改善了混凝土孔隙率和孔徑的分布，以及二次水化產物的吸附作用延緩氯離子在混凝土中的滲透速度。因此，編號4抗氯離子滲透性能優(yōu)于編號5。

2.3石粉對自密實混凝土微觀結構的影響

為進一步研究石粉在低強度自密實混凝土中的作用機理以及石粉對水化的影響，成型了凈漿試件和砂漿試件，以進行微觀試驗和力學試驗。

微觀結構分析進行了12組試驗，凈漿試件以單摻石粉進行試驗，水膠比為 0.39，試件成型后標養(yǎng)護至規(guī)定齡期，分別進行試驗研究，配合比如表6所示。利用 SEM 觀測的28d齡期凈漿試件的微觀結構、水化產物以及形貌等，研究石粉對混凝土微觀結構的影響。

不同石粉摻量下凈漿的28d 微觀結構如圖3所示。

表6　微觀結構分析試驗配合比

圖3　不同石粉摻量的水泥漿體微觀結構

由圖3-a 可以看出，28d 齡期的水化產物有著致密的CSH 凝膠，孔中可見針棒狀鈣礬石，板狀堆積的氫氧化鈣。與圖3-a 相比，圖3-b（石粉摻量為10%）的微觀結構更加致密，這是由于石粉在混凝土中沒有火山灰活性，作為填充材料，在骨料與水泥漿體之間起到很好的粘結作用[11]。摻入的少量石粉完善了漿體結構，隨著大量水泥中水化產物的增加，膠結作用也愈加明顯，因此石粉摻量為10% 較 0% 更加致密；當石粉摻量增加至30%，從圖3-c 可以看出，圖中出現(xiàn)部分孔隙，水化產物結構離散，不如10% 石粉摻量的水泥石結構致密；當石粉摻量增加至50%，從3-d 可以看出大量沒有參與水化的石粉顆粒，在石粉顆粒附近聚集了大小不一的孔隙，因此過量的石粉會破壞混凝土致密的堆積結構。

3　結論

（1）石粉可改善自密實混凝土在低膠材狀況下的自由水偏多、漿體黏聚性偏差的問題，還能發(fā)揮級配效應，填充粉料與細骨料界面間的空隙，改善自密實混凝土的級配，提高自密實混凝土的流動性。

（2）適量的石粉能促進混凝土抗壓強度的提高，它能夠使水泥顆粒被石粉顆粒充分包裹，從而分散開來，為水泥水化創(chuàng)造更有利的條件，石粉的摻量不宜高于20%。

（3）當石粉摻量為20%、粉煤灰摻量為30% 時，自密實混凝土結構更加密實，抗氯離子滲透性能最佳。

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［通訊地址］廈門市同安區(qū)新民鎮(zhèn)鳳嶺路760 號（361100）

Effects of stone dust on resistance to chloride ion permeability and on microstructure of low-strength self-compacting concrete

Huang Kuaizhong1,2, Zhang Ming3, Lian Yaming1,2
(1. XiaMen Academy of Building Research Group Co., Ltd., Xiamen361004;2. Xiamen Toprain Building material Co., Ltd., Fujian361009;3. China Construction Fourth Engineering Division of XiaMen Co., Ltd., Xiamen361002)

Stone dust and fly ash mixed in different proportions (40%～60%) instead of cement prepared low-strength self-compacting concrete. Study stone dust impact on compressive strength, resistance to chloride ion permeability and microstructure. Results show that stone dust can improve workability of self-compacting concrete. The moderate stone dust can promote the improvement of compressive strength, and shows excellent resistance to chloride ion penetration and microstructure. The content of stone dust should be controlled within20%.

stone dust; self-compacting concrete; chloride ion permeability; microstructure

黃快忠（1987—），男，碩士研究生，研發(fā)工程師。