石粉对低强度自密实混凝土抗氯离子渗透和微观结构的影响

黄快忠，张明，连亚明

（1. 厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，福建　厦门　361004；2. 厦门天润锦龙建材有限公司，福建　厦门　361009；3. 中国建筑第四工程局有限公司厦门分公司，福建　厦门　361002）

石粉对低强度自密实混凝土抗氯离子渗透和微观结构的影响

黄快忠1,2，张明3，连亚明1,2

（1. 厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，福建厦门361004；2. 厦门天润锦龙建材有限公司，福建厦门361009；3. 中国建筑第四工程局有限公司厦门分公司，福建厦门361002）

本文以不同比例石粉和粉煤灰复掺（40%～60%）取代水泥制备低强度自密实混凝土，研究了石粉对低强度自密实混凝土工作性、抗压强度、抗氯离子渗透性和微观结构的影响。结果表明：石粉可改善低强度自密实混凝土的流动性，适量的石粉能提高混凝土抗压强度，并表现优良的抗氯离子渗透性能和致密的微观结构，石粉的掺量宜控制在20% 以内。

石粉；低强度自密实混凝土；抗氯离子渗透性；微观结构

0　引言

近年来石材加工业得到了迅猛发展，石材加工过程产生的废弃物造成的污染问题越来越严重。据报道，我国石材的利用率仅为60%，每生产30 平方米的板材，产生的石粉等废料大约有1吨，仅我国石粉废料的年产量就有上千万吨。由于石粉颗粒较细，雨天时和雨水混合成石粉泥，四处横流，晴天时则随风四处飘飞，对环境造成了二次污染，大片耕地及水资源、空气等受到严重污染，生态环境遭到严重破坏。如果能合理有效地利用这些石粉，不仅可以节约资源，还能改善环境，从而取得良好的经济效益和社会效益[1-2]。

关于石粉在混凝土中所起的作用：一种观点认为石粉是一种惰性材料，不参与水泥的水化反应，在混凝土中起集料填充作用[3]；另一种观点认为石粉具有一定活性，参与水泥的水化反应，并且对混凝土的工作性能、力学性能和耐久性都有一定影响[4]。本文通过石粉取代部分胶凝材料，制备出低胶凝材料用量的自密实混凝土，并研究石粉对自密实混凝土工作性能、力学性能、抗氯离子渗透性能和微观性能的影响，确定了石粉的适宜掺量。

1　试验概况

1.1原材料

水泥：采用润丰 P·O42.5普通硅酸盐水泥，水泥各项物理化学指标见表1。

粉煤灰：采用华阳电业漳州后石电厂生产的 F 类Ⅱ级粉煤灰。其各项性能指标见表2。

表1　水泥各项物理化学指标

表2　粉煤灰各项性能指标　%

石粉：采用福建某石材厂花岗岩废石粉，其各项性能指标见表3。

表3　花岗岩石粉主要成份　%

细骨料：采用细度模数为2.6、级配范围为Ⅱ区的河砂，含泥量为 0.8%。

粗骨料：采用粒形较好的5～20mm 的反击破石子。

外加剂：采用福建科之杰新材料有限公司生产的聚羧酸高浓型缓凝高性能减水剂（Point-400S）。

1.2试验配合比

试验采用相同胶凝材料用量（450kg/m3），通过掺加不同比例矿物掺合料进行试验，混凝土配合比见表4。试验编号1～3的矿物掺合料总量为40%，石粉掺量分别为10%～30%；试验编号4～6的矿物掺合料总量为50%，石粉掺量分别为10%～30%；试验编号7～9的矿物掺合料总量为60%，石粉掺量分别为20%～40%。

表4　自密实混凝土配合比

1.3试验方法

（1）混凝土拌合物性能按 JGJ/T283—2012《自密实混凝土应用技术规程》进行测试。

（2）抗压强度按 GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，采用 (150×150×150)mm3的立方体试件。

（3）混凝土抗氯离子渗透性能依据 GB50082—2009《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》进行测试。本试验采用的 RCM 法测试抗氯离子渗透系数。抗氯离子渗透试验采用 (150×150×515)mm3的棱柱体试件，成型的试件即刻以塑料薄膜覆盖并移入标准养护室。在 (24±2)h 内拆模，之后将试件浸没在处于标准养护室的水池中养护至28d。试验前7d 将试件加工成直径 (100±1)mm，高度 (50±2)mm的标准尺寸，并将初次切口面暴露在氯离子溶液中作测试面。试件加工后将之打磨光滑，完毕后将试件继续浸没在水池中养护至试验龄期。

（4）自密实混凝土试件微观结构分析采用 ETD-2000 小型离子溅射仪以及 COXI EM-20 桌面台式扫描电子显微镜进行测试。试样采用尺寸为 (20×20×20)mm3的试模成型净浆试件，成型1d 后脱模，移入标准养护室养护至规定龄期。SEM 前敲取净浆试件碎片放进无水乙醇中48h，终止继续水化，之后放入烘箱在75℃下干燥至恒重，取出试件碎片，进行SEM试验观察。

2　试验结果与分析

2.1石粉对自密实混凝土工作性和强度的影响

图1显示了不同矿物掺合料掺量及石粉掺量下对自密实混凝土扩展度的影响结果。随着总矿物掺合料掺量的增加（40%～60%），自密实混凝土的扩展度大体上逐渐增大，这表明自密实混凝土的工作性能有所提高。这是因为石粉具有比表面积大的特性，掺入混凝土可显著提高粉体的总比表面积，改善了自密实混凝土在低胶材状况下自由水偏多、浆体黏聚性偏差的问题，适当黏聚性的浆体有利于骨料的移动，提高混凝土坍落扩展度。另外，石粉颗粒还能发挥级配效应，填充粉料与细骨料界面间的空隙，改善自密实混凝土的孔结构，使级配更合理，提高自密实混凝土的流动性。

图1　自密实混凝土扩展度

图2　自密实混凝土的抗压强度

图2显示了不同矿物掺合料掺量及石粉掺量对自密实混凝土抗压强度的影响结果。在40% 的矿物掺合料下，随着石粉掺量的增加，混凝土各龄期强度均有所提高（编号1～3）。这是由于水泥水化产物占据了更多混凝土的有限空间[5]，而且石粉作为一种微细填充颗粒，可以加速水泥水化产物的生成，因此，适量的石粉能促进混凝土抗压强度的提高。事实上，大量的细微石粉颗粒在混凝土中可发挥其晶核作用[6]。这是一个物理效应，它能够使水泥颗粒被石粉颗粒充分包裹，从而分散开来，为水泥水化创造更有利的条件。此外，石粉颗粒可以填充混凝土空隙，如过渡区和毛细孔，减少混凝土自由水[7]。

然而当矿物掺合料掺量为50%、60% 时，总体上，混凝土的抗压强度出现了较明显的下降。这是由于矿物掺合料过多，水泥用量减少，微集料效应不能发挥优势，同时过多的矿物掺合料使浆体中的颗粒级配更不合理，因此导致了混凝土强度的降低[8]。

2.2石粉对自密实混凝土抗氯离子渗透的影响

由于表4中设计配合比矿物掺合料总量均超过40%，编号9掺量为60%，编号5和4的掺量均为50%，综合考虑标准养护28d 和60d 强度，同时为了最大化地利用石粉，笔者选取了编号9、5、4的配合比分别对应低强度的自密实混凝土，并研究石粉对抗氯离子渗透性能的影响。混凝土的配合比及氯离子扩散系数如表5所示。

表5　混凝土配合比及氯离子扩散系数

由表5可知，矿物掺合料的掺量为60% 时（粉煤灰、石粉掺量分别为20%、40%），编号9为 C20 的自密实混凝土，根据 JGJ/T193—2009《混凝土耐久性评定标准》，混凝土抗氯离子扩散等级较低（RCM-II），这是因为适量的矿物掺合料可以起到微集料效应和填充效应[9]，但大量掺量的石粉足以打破这种“复合超叠加效应”，大孔结构越来越多，28d时粉煤灰的水化产物也不够填充孔隙。因此 C20 自密实混凝土的氯离子扩散系数最大。

矿物掺合料的掺量为50%，总体上混凝土的抗氯离子渗透系数较好，编号5达到 RCM-IV，编号4达到 RCM-V，均高于编号9。这是因为石粉在自密实混凝土中的填充效应，增强了混凝土密实度，并与水泥中的 C3A 和 C4AF 发生发应，生成可与其他水化产物相互搭接的水化碳铝酸钙，使水泥石结构更加密实，从而提高了混凝土的抗氯离子渗透性能[10]。另外，粉煤灰后期的水化作用改善了混凝土孔隙率和孔径的分布，以及二次水化产物的吸附作用延缓氯离子在混凝土中的渗透速度。因此，编号4抗氯离子渗透性能优于编号5。

2.3石粉对自密实混凝土微观结构的影响

为进一步研究石粉在低强度自密实混凝土中的作用机理以及石粉对水化的影响，成型了净浆试件和砂浆试件，以进行微观试验和力学试验。

微观结构分析进行了12组试验，净浆试件以单掺石粉进行试验，水胶比为 0.39，试件成型后标养护至规定龄期，分别进行试验研究，配合比如表6所示。利用 SEM 观测的28d龄期净浆试件的微观结构、水化产物以及形貌等，研究石粉对混凝土微观结构的影响。

不同石粉掺量下净浆的28d 微观结构如图3所示。

表6　微观结构分析试验配合比

图3　不同石粉掺量的水泥浆体微观结构

由图3-a 可以看出，28d 龄期的水化产物有着致密的CSH 凝胶，孔中可见针棒状钙矾石，板状堆积的氢氧化钙。与图3-a 相比，图3-b（石粉掺量为10%）的微观结构更加致密，这是由于石粉在混凝土中没有火山灰活性，作为填充材料，在骨料与水泥浆体之间起到很好的粘结作用[11]。掺入的少量石粉完善了浆体结构，随着大量水泥中水化产物的增加，胶结作用也愈加明显，因此石粉掺量为10% 较 0% 更加致密；当石粉掺量增加至30%，从图3-c 可以看出，图中出现部分孔隙，水化产物结构离散，不如10% 石粉掺量的水泥石结构致密；当石粉掺量增加至50%，从3-d 可以看出大量没有参与水化的石粉颗粒，在石粉颗粒附近聚集了大小不一的孔隙，因此过量的石粉会破坏混凝土致密的堆积结构。

3　结论

（1）石粉可改善自密实混凝土在低胶材状况下的自由水偏多、浆体黏聚性偏差的问题，还能发挥级配效应，填充粉料与细骨料界面间的空隙，改善自密实混凝土的级配，提高自密实混凝土的流动性。

（2）适量的石粉能促进混凝土抗压强度的提高，它能够使水泥颗粒被石粉颗粒充分包裹，从而分散开来，为水泥水化创造更有利的条件，石粉的掺量不宜高于20%。

（3）当石粉掺量为20%、粉煤灰掺量为30% 时，自密实混凝土结构更加密实，抗氯离子渗透性能最佳。

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[2] Gulden Cagin Ulubeyli, Recep Artir. Properties of Hardened Concrete Produced by Waste Marble Powder[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences195(2015):2181–2190.

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［通讯地址］厦门市同安区新民镇凤岭路760 号（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

黄快忠（1987—），男，硕士研究生，研发工程师。