石灰石粉对砂浆耐磨性能的影响及作用机理

王雨利， 蔡基伟， 杨 雷， 罗树琼

（1.河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作454000；2.河南大学材料与结构研究所，河南开封475004）

近年来，可开采的河砂资源越来越少，天然砂资源十分匮乏，应用机制砂替代河砂，将其作为建筑用砂势在必行.但机制砂与河砂相比，具有显著的特点：机制砂颗粒表面粗糙、多棱角，且其大多级配不良，0.315～0.63mm级配颗粒偏少；机制砂中含有大量与母岩物理化学性质相同，粒径小于0.075mm且含量一般在10%～20%[1－3]（质量分数，文中涉及的含量、砂灰比除特别注明外均为质量分数或质量比）的石粉.为了探讨机制砂应用的可行性，国内外学者就机制砂对混凝土性能的影响进行了大量研究.研究[4－10]表明，机制砂可配制出耐久性优异的高强混凝土，适量的石粉对机制砂混凝土的工作性和强度无不利影响，甚至还可以改善混凝土的抗渗和抗冻性能.李北星等[11]研究了机制砂的粗糙度、压碎值对混凝土耐磨性的影响，但机制砂中的石粉含量对混凝土耐磨性能的影响还未见报道.

本文以石灰石粉为研究对象，研究了机制砂中石粉含量对水泥砂浆耐磨性能的影响情况，并结合显微硬度、扫描电镜（SEM）等进行了机理分析.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

采用华新P·C 32.5复合硅酸盐水泥，其主要性能指标见表1；细集料为武汉河砂（RS）和华生石灰岩机制砂（MS），其主要性能指标见表2，级配组成见表3.

表1 水泥的主要性能Table 1 Main properties of cement

表2 细集料的主要性能指标Table 2 Main property index of fine aggregate

表3 细集料的级配组成Table 3 Gradation composition of fine aggregate

1.2 试验方法

水泥砂浆耐磨试件尺寸150mm×150mm× 30mm，试验按照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行.试件的磨耗量按式（1）计算：

式中：G为试件单位面积的磨损量，kg／m2；m1为试件的原始质量，kg；m2为试件磨损后的质量，kg.

2 试验结果及分析

2.1 石灰石粉对水泥砂浆耐磨性能的影响

固定初始水泥砂浆砂灰比为2.5，水灰比为0.44.采用石灰石粉等质量取代河砂和机制砂，改变其各自石粉的含量，来研究武汉河砂和石灰岩机制砂在石灰石粉含量不同时，对水泥砂浆耐磨性能的影响.水泥砂浆的具体配合比和耐磨试验结果见表4，其中水粉比mw／mp为水与水泥和石灰石粉质量之和的质量比.

表4 石灰石粉对耐磨性能的影响Table 4 Effects of limestone powder on wear－resisting performance

由表4可以看出，随着石灰石粉掺量的增加，河砂砂浆的耐磨系数先减小，后增大；当石灰石粉掺量为15%时，其耐磨系数最小，较未掺石灰石粉时减小了35%，也可以说河砂砂浆耐磨能力提高了35%；当石灰石粉掺量为20%时，砂浆耐磨系数也较未掺石灰石粉时有所减小，其减小幅度为20%；当石灰石粉掺量为30%时，砂浆耐磨系数较未掺时略大.这说明，当石灰石粉在掺量不超过20%时，可提高河砂砂浆的耐磨能力，其最佳石灰石粉掺量为15%.

石灰石粉掺量对石灰岩机制砂砂浆耐磨能力的影响与河砂相似，其耐磨系数也是随着石灰石粉掺量的增大先减小，后增大；当石灰石粉掺量为10%时，石灰岩机制砂砂浆耐磨系数最小，较未掺时减小了21%；但当石灰石粉掺量增大为15%时，其耐磨系数迅速变大，较未掺时增大了19%，耐磨系数值为3.52kg／m2，大于标准中规定的中轻交通路面与桥面28d磨耗最大值3.0kg／m2，即石灰岩机制砂的石灰石粉最佳掺量为10%，且不应超过10%.

2.2 机理分析

2.2.1 显微硬度测试

王雨利等[12]采用湿堆积密度法测试了水泥与石灰石粉混合后的密实度，得出石粉掺量在15%以内可增大二者的密实度，且变化规律与石灰石粉对混凝土抗压强度和抗渗性能的改善相似的结论.为了进一步探索石灰石粉对混凝土性能的改善机理，采用上海尚光显微镜有限公司生产的HXS－1000型智能显微硬度仪，测试了石灰石粉掺量为3.5%～14.0%的28d龄期水泥石的显微硬度，水泥石的显微硬度测试压痕见图1.固定水泥砂浆的水灰比为0.4，砂灰比为2.5，水泥石显微硬度测试结果见图2.

图1 水泥石的显微硬度测试压痕图Fig.1 Micro－hardness test of hydrated cement

图2 水泥石的显微硬度Fig.2 Micro－hardness of hydrated cement

由图2可以看出，水泥石与骨料的界面过渡区厚度基本在10～20μm，水泥石硬度从小到大的顺序分别是石灰石粉掺量为3.5%，7.0%，14.0%和10.5%，也就是说，随着石灰石粉掺量的增加，水泥石的硬度先增大，后减小，当石灰石粉掺量为10.5%时，水泥石的硬度最大，从而说明石灰石粉提高了水泥石的硬度；界面过渡区的硬度从小到大的顺序分别为石灰石粉掺量3.5%，7.0%，10.5%和14.0%，即随着石灰石粉掺量的增加，过渡区的硬度逐渐增大，这说明石灰石粉改善了界面过渡区.

2.2.2 SEM测试

石灰石粉在水泥水化过程中可起到晶核作用，诱导水泥的水化产物析晶，加速水泥水化，石灰石粉还对钙矾石向单硫型转化有阻止作用，从而提高混凝土性能[13－15].为了进一步研究石灰石粉对水泥水化的影响，将石灰石粉分别以0%，5%，10%的外掺比例加入到水泥净浆中，试验配合比见表5.7，28d的水泥砂浆SEM照片见图3.

表5 水泥砂浆试验配合比Table 5 Mix proportions of cement mortar in test

图3 水泥砂浆的SEM照片Fig.3 SEM photos of cement mortar

由图3（a），（c），（e）可以看出，7d的水泥砂浆，当未掺石灰石粉时，C－S－H的形貌为纤维状粒子，且颗粒之间有一定的空隙；当石灰石粉掺量为5%时，由于石灰石粉的填充作用，颗粒之间接触很紧密，且C－S－H的形貌为网络状粒子，较未掺时的C－S－H凝胶数量明显增多；当石灰石粉掺量为10%时，颗粒间的空隙有变大趋势，C－S－H的形貌又演变为纤维状粒子.28d的水泥砂浆SEM照片（图3（b），（d），（f））则表明，随着水泥水化产物的增多，水泥石变得更加密实，C－S－H的凝胶逐渐演变为网络状粒子；相比不掺石粉而言，掺有石粉的水泥石中C－S－H凝胶更多一些.这说明由于石粉的物理填充效应和化学稀释作用，加速了C－S－H凝胶的生成，且使水泥石变得更加密实.

3 结论

（1）砂中含有一定比例的石灰石粉，其对水泥砂浆的耐磨能力有提高作用.其中当细集料为河砂时，水泥砂浆中的最佳石灰石粉掺量为15%；当细集料为石灰岩机制砂时，水泥砂浆中最佳石灰石粉掺量为10%，且不要超过10%.

（2）显微硬度测试表明，石灰石粉可提高水泥石的显微硬度，改善水泥石与骨料的界面过渡区；SEM表明，石灰石粉加速了C－S－H凝胶的生成，且使水泥石变得更加密实.

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