石粉含量对机制砂混凝土力学性能与微观结构的影响.pdf

2 0 1 1 年第 1 2期 1 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C 0NCR E r E AND C E MEN T P RODUC T S 2 0ll No1 2 De c e mb e r 石粉含量对机制砂混凝土力学性能与 微观结构的影响 张礼华 ， 刘来 宝 ， 周永生 ， 王忠祥 1 ． 四川省非金属复合与功能材料重点实验室一省部共建国家重点实验室培育基地 ， 西南科技大学 ， 绵 阳 6 2 1 0 1 0； 2 ． 绵阳职业技术学院材料系 6 2 1 0 0 0 摘要 采 用石 英质机 制砂 石粉 ， 讨论 了石粉含 量对 中低 等级强度混凝土工作性和力 学性能 的影响规律 ， 并选 取 三种不同岩性机制砂石粉 ， 运 用 S E M 、 XR D 等测试方法研究其对水泥水化 产物及其微结构的影响。 结果表明 ， 石 粉的掺入 可明显改善 混凝土的和易性及力学性能 ， 混凝土强度等级越高 ， 其石粉合 理掺 量应越 小 ； 石粉 对水泥水化 产物及其微观 形貌 影响较 小； 石粉含量 变化 引起 细骨料 机制砂 级配优化作用是普通机制砂混凝 土工作性和 力学 性能得到改善 的主要原 因。 关键词 机制砂 ； 混凝土 ； 石粉 ； 水化 Ab s t r a c t T h e i n f l u e n c e s o f t h e c o n t e n t o f q u a r t z i f e r o u s r o c k p o w d e r O ff t h e wo r k a b i l i t y a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f mo d e r a t e a n d l o w- g r a d e c o n c r e t e a r e d i s c u s s e d ． B y X r a y d i f f r a c t i o n a n a l y s i s a n d s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y ， t h e e l- f e c t s o f t h r e e ma n u c t u r e d s a n d r o c k p o wd e r wi t h d i f f e r e n t r o c k c h a r a c t e r s o n h y d r a t i o n p r o d u c t s a n d mi c r o s t r u c t u r e o f c e me n t a r e a l s o s t u d i e d ．T } l e r e s u l t s r e v e a l t h a t r o c k p o wd e r c a n o b v i o u s l y i mp r o v e t h e w o r k a b i l i t y a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e ． T h e mi n o r c o n t e n t o f r o c k p o wd e r i s s u i t a b l e f o r t h e h i g h e r s t r e n g t h c o n c r e t e ． T h e r o c k p o w d e r h a s l i t t l e i n f l u e n c e s o n h y d r a t i o n p r o d u c t s a n d mi c r o s t r u c t u r e o f c e me n t ． 1 1 1 e g r a d e d o p t i mi z a t i o n f u n c t i o n o f fi n e a g g r e g a t e f ma n u f a c t u r e d s a n d c a u s e d b y t h e v a r i o u s c o n t e n t o f r o c k p o w d e r p l a y s t h e l e a d i n g r o l e i n i mp r o v i n g t h e w o r k a b i l i t y a n d m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s o f g e n e r a l ma n u f a c t u r e d s a n d c o n c r e t e ． Ke y wo r d s Ma n u f a c t u r e d s a n d ； Co n c r e t e ； Ro c k p o w d e r ； Hy d r a t i o n 中图分类号 T U 5 2 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 6 3 7 2 0 1 1 1 2 2 2 0 5 0前 言 砂作为大宗建筑材料 ，不适宜远距离运输 ， 一 般建筑施工均采取就地取材的方式选取原材料 ， 特 别是云南 、 贵州等石多砂少地 区 ， 采用机制砂代替 天然砂将产生积极的经济效益和社会效益。机制砂 是岩石经破碎 、 粉碎 、 选粉等流程生产而得到的， 在 这过程中必然会产生一定量小于 7 5 I．z m的细颗粒 ， 即石粉。石粉含量的差异是机制砂区别于天然砂 的 最主要特征之一f 1 l 。目前 ， 对于机制砂混凝土缺乏系 统和基础的理论及实验研究 ， 尤其是对石粉适宜含 量及其对混凝土性 能的影 响仍然存在较大争议[ 2 1 。 G B ／ T 1 4 6 8 4 2 0 0 1 建筑用砂 中规定 了机制砂石粉 含量 的最大值 强度等级为小于 C 3 0、 C 3 0 ～ C 6 0和大 于 C 6 0混凝土的石粉 含量最大值 分别为 7 ％、 5 ％、 3 ％。 该标准对石粉含量的要求与实际应用存在一定 基金项 目 国家科 技支撑计划项 目 2 0 1 1 B A A 0 4 B 0 4 。 一 2 2～ 差距 ， 限制了机制砂 的推广和应用。本文选取石英 质机制砂 ， 研究其石粉含量对低等级 C 3 0 和中等 强度 等级 C 5 0 混凝土工作性和力学性能的影响 ， 同时 ， 选取三种不同岩性 的机制砂石粉 ， 研究探讨 其对水泥水化产物及其微结构的影 响， 揭示石粉对 混凝土性能的影响机理。 1 试验 原材 料与 方法 1 ． 1 试验原材料 试验用水 泥为 P 0 4 2 ． 5级 水泥 ，密度为 2 ． 9 5 k g ／ m。 ， 比表面积为 3 5 5 m2 ／ ， 主要物理性能见表 1 。 采用峨眉山玄武岩经破碎制备玄武岩机制砂 ； 石英 质机制砂 ， 来 自四川华蓥山市 ； 河砂取 自绵 阳涪 江， 经水洗晒干备用。 1 ． 2 试验方法 分别按 G B ／ T 1 4 6 8 4 2 0 0 1 建筑用砂 和 J G J 5 2 2 0 0 6 { 普通混凝 土用砂 、 石质量及检验方法标准 测 定堆积密度 、 空隙率 、 级配和细度模数 ； 分别按 G B ／ 张礼华 ， 刘来堂 ， 周永生 ， 等石粉含量对机制砂混凝土力学性能与微观结构的影响 T 5 0 0 8 0 2 0 0 2 普通混凝土拌合物性能试验方法标 准 和 G B ／ T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验 方法标准测定混凝土的工作性能和力学性 能 ， 试 模 尺 寸 为 1 0 0 mmx l 0 0 mm 1 0 0 m m，修 正 系 数 为 0 ． 9 5 。 物相分析在荷兰 P A N a l y t i c a l 公司 X P e r t P R O 型粉 晶 X射线衍射仪上完成 ； S E M分析在 日本东芝 公司 T M一 1 0 0 0型扫描 电子显微镜上完成。 2结果 与讨 论 2 ． 1 石粉 的物性与微结构 机制砂石粉的粒径分布及微观结构见表 2 、 图 l 。由表 2可知， 石英质机制砂石粉中， 0 4 0 tx m颗粒 占 8 4 ％， 大于 6 0 I x m的颗粒仅 3 ％。由图 1可知 ， 石 粉颗粒尖锐 ， 有 明显 的棱角 ， 粗颗粒表面吸附了较 多的超细颗粒 ； 矿物组成主要为 S i O z ， 同时含有钠长 石 N a A 1 S i 3 0 。 等杂质矿物。 2 ． 2石粉含量对 C 3 0 、 C 5 0混凝土工作性能的影响 试验过程 中保持基础配合 比不变 ， 通过控制机 制砂 中石粉含量 ， 探讨石粉含量对低等级 C 3 0 和 中等强度 C 5 0 普通混凝 土工作性 的影响规律 ， 试 验结果如图 2所示 。 试验中 C 3 0和 C 5 0混凝土的基 础配合 比见表 3 。 在 C 3 0混凝土中 ， 混凝土的坍落度随石粉含量 表 2 石粉粒度分析 ％ 2011 ∞5- 1 8 O9 1 L 0k 1O0 um a S E M 2 0 3 0 4 0 5 O 6 O 7 0 2 0 1 。 b XRD 图 1 石英质机制砂石粉的 S E M和 X R D 表 3 混凝土基础配合 比 k m 窨 皑 ， 艇 蜜 石粉 含量／ ％ A C3 0 量 量 毪 鲢 ， 犍 宝 O 5 1 O l 5 石粉含量／ ％ B C 5 0 图 2 石粉含量对 C 3 0 、 C 5 0混凝土工作性的影响 一 2 3 2 0 1 1 年第 l 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 8期 的增加先增加后减小。 在石粉含量较小 1 5 ％ ， 坍落度损失较多 ， 离析泌水 现象逐渐消失 ； 当石粉含量为 2 0 ％时 ， 混凝土拌合 物变得很粘稠 ， 严重影响混凝土的和易性 。究其原 因， 随着石粉 的掺入 ， 混凝 土体系 中细颗粒含量增 大 ， 增加 了固体表面积对水体积 的比例 ， 减少了离 析和泌水 ，而且石粉还能与水泥形成更多的浆体 ， 从而改善混凝土的工作性 。但随着石粉含量的继续 增加 ， 使混凝土 的需水量也增加 ， 在单方用水量不 变的情况 下 ， 混凝土拌合物将变得 干稠 ， 降低 了混 凝土 的施 工性 能 。 石粉含量对 C 5 0混凝 土工作性的影响规律如 图 2 B 所示。 随石粉含量的增加 ， 扩展度 、 坍落度与 C 3 0混凝土有相似的变化规律 ，但其对中等强度混 凝土工作性的影响较 C 3 0更为显著。当石粉含量在 5 ％左右时， 其工作性得到明显改善。当石粉含量超 过 1 0 ％， 继续增大掺量 ， 对扩展度产生不利影响 ， 当 石粉含量超过 1 5 ％后 ， 坍落度亦 开始下 降 ， 混凝土 拌合物变粘稠 ，成型困难。由于 C 5 0混凝土比 C 3 0 的用水量小 ， 当石粉含量合 理时 ， 这些细粉填充于 骨料搭接产生的空 隙中 ， 将原本仅起填充作用的填 充水从这些空隙中置换 出来成为 自由水 ， 增加 了骨 料颗粒间水膜层 的厚度 ，使浆体和骨料的 比例增 大 ，因而在一定程度上改善了混凝土的和易性 ； 但 随着其含量 的继续增加 ， 大量的 自由水包裹在细粉 颗粒表面 ， 减少 了 自由水含量 ， 当这二者作用相当 时 ， 即出现石粉含量增加 ， 而坍落度基本保持不变 的情 况 。 2 _ 3 石粉含量对 C 3 0 、 C 5 0混凝土力学性能的影响 图 3为 石 粉 含 量 对 C 3 0 、 C 5 0混 凝 土 抗 压 强 度 的影 响 皇 嘿 出 一 2 4 一 对低 、 中强度 的混凝土而言 ， 石粉掺量对抗压 强度的影响规律相似 ，当石粉含量小于 2 0 ％t t ， 混 凝土 3 d 、 2 8 d强度均随石粉含量 的增加先增加后降 低 ， 不 同程度 的增加 了混凝土的抗压强度 ， 同时 ， 其 变化对 中等 强度 C 5 0 混 凝土 的影响较低 等级 C 3 0 更显著。这是因为随微细石粉含量的增加 ， 其 填充效应发挥作用 ，填补了混凝土 中的有害空隙 ， 使混凝土更加密实， 强度增加 。但超过合理含量后 ， 其需水量将大大增加 ， 混凝土变得干稠 ， 成型时浆 体难 以拌合均匀 ， 均匀性 和密实度下降 ， 导致其强 度随之降低。当石粉含量小于 1 0 ％时， 对抗压强度 的提高有利 ， 超过 1 0 ％则强度逐渐降低 ， 但 均不低 于未掺石粉的基准混凝土。 在机制砂混凝土中， 石粉对混凝土强度 的影 响 因素主要有 级配效应 ， 石粉细度小 ， 对混凝土有 一 定 的微集料填充效应 ； ②微 晶核效应 ， 合理 的掺 量起到加速水泥水化的作用 。这些都是石粉对混凝 土强度带来的正效应问 。同时 ， 由图 1 可知 ， 石粉颗 粒多棱角， 且尖锐 ， 成不规则 多面体 ， 颗粒表面附着 较多细粉 ， 随石粉含量的不断增加 ， 一方面 ， 固体 总 比表面积增大 ， 势必增加需水量 ， 在相同水胶 比时 ， 混凝土 的工作性 自然下降 ； 另一方面 ， 破 坏混凝 土 的最紧密堆积结构 ， 使混凝土的胶骨 比不再是最佳 值 。从表 2可以看出 ， 本次试验用石粉颗粒级配与 水泥颗粒相似 ， 小于 4 0 Ix m颗粒 占 8 4 ％， 当混凝 土 中胶凝材料较多时 ， 混凝土宏观和微观结构的孑 L 隙 被胶凝 材料的水化产物填充 ， 过量石粉 的引入必然 破坏混凝土整体结构的颗粒级配 ， 石粉的正面效应 就会相对减弱 ， 而负面效应则会变得显著 ， 表现 为 混凝土的工作性下降和抗压强度降低[5 1 。综合工作 性和强度 的影响规律 对低等级 C 3 0 混凝土而言 ， 其机制砂石粉含量控制在 1 5 ％为宜 ；对 中等强度 C 5 0 混凝 土而言 ， 石 粉 的适宜含 量 为 5 ％一 1 0 ％。 凸_ 皇 骥 石粉含量／ ％ 石粉含量， ％ a C 3 0 b C 5 0 图 3 石粉含量对 C 3 0、 C 5 0混凝土抗压强度的影响 张礼华 ， 刘来堂 ， 周永生 ， 等石粉含量对机制砂混凝土力学性能与微观结构的影响 2 ． 4 不同岩性石粉对水化产物及其形貌 的影响 由于机制砂通常是通过机械破碎得到 ， 不 同岩 性 的矿物在破碎过程 中产生 的石 粉亦 会有不 同的 颗粒级配和微观形貌 。本文对不同岩性机制砂石粉 的这些特性对水泥水化产生 的影响进行初步讨论 。 试验 中将石粉 1 0 ％等量取代水 泥， 水胶 比为 0 ． 3 ， 制 作成尺寸为 2 0 minx 2 0 m m 2 0 mm水泥净浆试块 ， 并对其 2 8 d龄期样 品进行水化产物及微观形貌的 分析 ， 如 图 4 一 图 6所示。 自 从图 4 ～ 图 6可以看 出， 在掺入石英质石粉和河 砂石粉 的试样中均有明显的 S i O 衍射峰， 而在掺人 玄武岩质石粉试样 中并未发现。由于石英质石粉和 河砂石粉的主要成分均为 S i O ， 且其结晶良好 ， 峰形 尖锐 ， 因此可 以断定 ， 水化试样 中 S i O z 衍射峰的出 现是掺入石粉的结果 ，且该石英矿物结 晶良好 ， 为 “ 惰性” 填料 ， 并未参与水化过程 。对掺人玄武岩质 石粉的试样而言 图 5 ， 由于其含有 1 0 ％左右的玻 璃质 ， 具有一定的“ 微活性效应” ， 但 由于其掺量小 ， 图 4 掺河砂石粉净浆的 X R D和 S E M 2 8 d 1 0 2 O 3 O 4 0 2 0 ／ o a XR D 2 0 “ t 1 - 05 - t 6 1 3 f O L 1 O k 1 O Ou w I b S E M 图 5 掺玄 武岩石粉净浆的 XR D和 S E M 2 8 d b S EM 图 6 掺石英质石粉 净浆 的 X R D和 S E M 2 8 d 一 2 5一 ∞ ∞ ∞ ∞ 驯 X O 3 加 m ∞ X 、 a O 3 O 2 O I 2 0 1 1 年第 l 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 8期 对水泥水化的影响亦十分微弱。 从各试样的 S E M 图 可知 ， 不同岩性石粉对水泥石的微观结构并未产生 明显影响 。因此 ， 石粉的掺入对水泥水化及水泥石 自身的微观形貌并未产生明显的改善 。综上所述 ， 石粉含量变化引起细骨料 机制砂 模数 以及最终 对混凝土颗粒群级配的优化作用是普通机制砂混 凝 土工作性和力学性能得到改善的主要原 因。同 时 ， 对于不 同等级的混凝 土而言 ， 石粉含量均存 在 合理 的掺量范围 ， 一般而言， 混凝土强度等级越大 ， 其石粉含量合理掺量应越小。 3结论 1 对 中低强度等级混凝土而言 ， 适量石粉能 使机制砂 的级配更完善 ， 机制砂混凝土 中浆体含量 增加 ， 有利于机制砂混凝土坍落度 的提高和扩展度 的增加， 并减少拌合物泌水 。同时， 石粉的掺入明显 改善混凝 土的强度 ， 一般而言 ， 混凝土强度等级越 大 ， 其石粉的合理掺量应越小。 2 在本试验条件下 ， 综合石粉含量对工作性 和强度 的影响 ，当石粉含量保持在合理范 围时 ， 对 混凝土的综合性能是有利的。对 C 3 0混凝土而言 ， 石粉含量不宜超过 1 5 ％。石粉含量为 5 ％左右 ， C 5 0 混凝土工作性和力学性能均达到最优值 ， 其石粉含 量可放宽到 5 ％～ 1 0 ％。 3 石粉对水泥水化及其水化产物微结构影响 较小 ， 石粉含量变化引起细骨料 机制砂 模数及最 终对混凝土颗粒群级配的优化作用是普通机制砂 混凝土工作性和力学性能得到改善的主要原因。 参考文献 [ 1 ] 刘崇熙等． 混凝土骨料性 能和制造 工艺[ M] ． 广州 华 南理 工大学 出版社 ， 1 9 9 9 ． f 2 1 Uc h i k a wa H Ha n e h a r a S ，Hi r a o H． I n fl u e n c e o f mi c r o s t r u e t u r e o n t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e p r e p a r e d b y s u b s t i t u t i n g m i n e r a l p o w d e r f o r p a rt o f fi n e a g g r e g a t e [ J ] ． C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h ， 1 9 9 6 2 6 1 01 一 I 1 I ． 【 3 】 洪锦祥 ， 王嘉琪 ， 蒋林华 ． 石 屑代砂在混 凝土 中的研 究与 应用[ J ] ． 混凝土 ， 2 0 0 2 6 5 6 - 5 8 ． 『 4 ] 李兴贵． 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