石灰石机制砂中石粉对混凝土性能的影响研究

兰聪，陈景，刘霞，武海轮，刘东

（中建西部建设西南有限公司，四川 成都 610052）

0 前言

随着我国城镇化建设以及基础设施建设的不断升级，混凝土供应量以及砂的消耗量以惊人的速率增长；加之我国的生态环保压力以及天然砂资源的匮乏，机制砂必将完全替代天然砂用于制备混凝土[1-2]。当前各地区机制砂品质与质量参差不齐，制备的机制砂级配和粒形较差，并且石粉含量较高，对混凝土工作性和力学性能影响较大。目前，高校、研究所以及企业对机制砂级配和粒形研究较多，提出了最优的级配组合以及粒形特征建议，但对机制砂中石粉总类以及性能研究较少[3-7]。本文主要针对不同的石灰石机制砂石粉进行了研究，分析了其对减水剂以及力学性能的影响原因和机理，总结判断选择制备石灰石机制砂矿源的方法，为制备机制砂选择石灰石矿山提供了参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：峨胜P·O42.5R水泥，主要化学成分和性能指标分别见表1、表2。

表1 水泥的主要化学成分 %

表2 水泥的基本性能指标

（2）粉煤灰：江油Ⅱ级，细度10.2%，烧失量4.5%，需水量比100%。

（3）砂：成都某地机制砂（CD），细度模数 2.3，石粉量8.0%，MB值为1.0；贵州某地机制砂（GZ），细度模数2.8，石粉量8.0%，MB值为0.5。

（4）碎石：5～25 mm连续级配的碎石。

（5）减水剂：中建西建西南公司自产聚羧酸减水剂，减水率25%，固含量15%，pH值7.1。

（6）拌合水：自来水。

1.2 试验方法

筛分试验：参照GB/T 14684—2011《建筑用砂》将0.075 mm以下粒径级配进行筛分。

亚甲蓝MB值：参照GB/T 14684—2011中MB值检测方法对石粉中具有吸附性物质进行间接测试[8]。

净浆流动度试验：参照GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行测试。

抗压强度：参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。

烧失量：参照GB/T 176—2008《水泥化学分析方法》中灼烧差减法进行测试。

2 试验结果与分析

2.1 机制砂矿源特征分析

对比分析了贵州某地区与成都某地区石灰石矿源特征，结果见图1、图2。

图1 贵州某地石灰石矿的XRD图谱

图2 成都某地石灰石矿的XRD图谱

由图1和图2可知，石灰石矿均主要含方解石以及其它矿物，通过XRD图谱定性分析[9]无法准确地判断石灰石矿的优劣。石灰石其主要矿物为方解石，在高温条件下会分解，通过测试石灰石矿烧失量的方法在一定程度上可以间接验证与判断其矿的纯度，结果见表3。

表3 不同石灰石矿烧失量与部分参数

由表3可知，成都石灰石矿烧失量远小于贵州石灰石矿，其CaO含量相对较低，石灰石矿中方解石含量远小于贵州石灰石矿，贵州石灰石矿含杂质较少，属于一等品，而成都石灰石矿品质极差。

表3中数据与图1和图2中XRD定性分析有相似性，图2中组分比图1多。综上，可采用灼烧差减法判断石灰石矿杂质含量，初步判断其品质。

2.2 机制砂石粉对减水剂的影响

将不同机制砂石粉等量分别取代3%、6%、12%、24%的水泥（300 g），在用水量为87 g的条件下，掺入减水剂使其净浆流动度控制在（190±5）mm时，以减水剂掺量（按占水泥和机制砂石粉总质量计）作为表征依据，参照机制砂测试MB值的方法测试机制砂石粉对亚甲蓝的吸附量，以此间接表征其对减水剂的吸附量，试验结果见图3。

图3 不同石灰石矿品质对外加剂的吸附性与亚甲蓝吸附趋势

由图3（a）可见，随着机制砂石粉掺量的增加，不同品质的石灰石矿机制砂石粉对减水剂掺量影响显著；石灰石矿品质较好，其石粉能表现出具有一定的减水作用（虚线框）；由图3（b）可见，随着机制砂石粉掺量的增加，对亚甲蓝的吸附量线性增大，且直线斜率对应其吸附率，斜率越大其吸附率越大，成都石灰石矿吸附率是贵州石灰石矿吸附率的2.38倍。亚甲蓝吸附趋势与对减水剂掺量的影响规律对比与机制砂矿源特征分析结果一致，成都石灰石矿含有害杂质较多，对减水剂的吸附能力强；若用于制备机制砂其石粉含量较高时，对减水剂掺量的影响显著。

2.3 机制砂中石粉对减水剂以及混凝土力学性能的影响

将成都石灰石机制砂石粉与贵州机制砂石粉进行替换，机制砂中石粉含量均为8%，并通过改变混凝土砂率保证其原材料比表面积基本一致，配置调整混凝土拌合物其工作性相同，研究机制砂中石粉对减水剂以及混凝土力学性能的影响，试配配合比和力学性能见表4。

表4 C30混凝土配合比以及工作性和力学性能

由表4可知，不同石灰石矿源的机制砂对单位用水量、减水剂掺量以及混凝土抗压强度影响显著；并在保持机制砂比表面积不变的条件下，机制砂级配对单位用水量也有一定的影响；优质石灰石矿源机制砂其石粉能降低减水剂掺量0.2～0.4个百分点，混凝土抗压强度显著提高（可提高6～8 MPa）。

2.4 机制砂中石粉作用机理分析

不同矿源的石灰石其组成和纯度存在一定的差异；品质较差的石灰石其杂质较多，在制备机制砂细化过程中，对混凝土工作性和抗压强度有害的成分（如泥粉）作用放大；而优质的石灰石矿纯度高，其细度达到一定程度时，具有良好的微集料效应和火山灰效应。图4为品质较差的Y－2组和品质较好的Y－1组石灰石机制砂混凝土的SEM照片。

图4 Y－2组和Y－1组石灰石机制砂混凝土的SEM照片

由图4可知，品质较差的石灰石机制砂混凝土内部存在裂缝，且结构密实度较差，主要因为石粉中部分细化的有害物质包裹在不同粒级的颗粒上，形成较多的薄弱缺陷区；而优质石灰石机制砂混凝土结构较密实，与不同粒级的机制砂颗粒粘结紧密，主要因为优质石灰石机制砂中极细的石粉在体系中发生反应，更好连接了水泥石与机制砂颗粒，形成较完整的整体。较好地印证了不同矿源的机制砂混凝土强度差异较大的原因，并与国内学者研究石屑混凝土结果基本一致[10]。

3 结论

（1）不同矿源的石灰石制备机制砂，其对混凝土单位用水量、减水剂掺量以及力学性能影响较大。

（2）可通过石灰石烧失量定性地判断其纯度，综合净浆流动度和MB值测定方法评价石灰石中石粉对混凝土减水剂掺量影响的程度；并可据此判定该石灰石矿制备机制砂的经济性。

（3）优质石灰石机制砂中的石粉能改善混凝土水泥石与集料的界面过渡区，较明显地提高混凝土的抗压强度。