石粉对机制砂混凝土性能的影响研究
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关键词： 石粉 机制砂混凝土 性能影响
一.引言
（1）通常认为，机制砂含有的石粉弥补了天然河砂中细粒含量偏小的缺陷，填补了混凝土骨架之间的空隙，另外，石灰岩类石粉中的碳酸盐在水泥水化过程中能与水泥的水化产物Ca（OH）2、水化铝酸盐发生反应，形成水化碳铝酸盐，使得水泥混凝土的空隙率减少，并阻止钙矾石向单硫型的水化硫铝酸钙转化，改善机制砂混凝土中的薄弱环节，提高强度。
（2）机制砂中的石粉使得砂浆的保水性增强、泌水减少，从而减少自由水在界面上聚集，因而有利于浆―集料界面的改善。此外，当混凝土硬化后，被石粉吸收的水分会慢慢释放，用于补偿混凝土后期水化用水，从而减少混凝土的收缩。但石粉含量过量会影响混凝土集料的颗粒级配，反而会降低混凝土结构的密实度。
（3）在机制砂混凝土拌合物中，石粉浆体的存在弥补了机制砂表面粗糙的缺点，有利于减少机制砂与碎石之间的摩擦，可以改善混凝土拌合物的和易性。但石粉的含量有一个限制，超过限制后，随着石粉含量的增加，单位混凝土的粉体含量会明显增加，导致需水量增加，从而降低混凝土的流动性。
（4）机制砂中的石粉在水泥水化反应中起晶核作用，诱导水泥的水化产物析晶，加速水泥水化并参加水泥的水化反应。
二.石粉影响混凝土性能内部成因分析的部分试验
（1）通过水泥水化产物的研究可以部分说明石粉影响的内部成因。电镜扫描（SEM）试验在西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室进行，扫描电镜型号为荷兰飞利浦的Quanta200型。实验时，首先在每个试块要观察的表面上喷银，待银层凝固后，再放入扫描仪中进行观察，然后利用扫描电镜拍摄有特征的微区形貌。XRD测试仪器为日本RIGAKU公司生产的D/MAX一YB型X一射线衍射仪，试验试样样品采用0.4水胶比的净浆，石粉及粉煤灰等采用等质量取代的方式加入，取代量为10%。在掺加石粉的水泥水化样中，可以看到石粉颗粒表面有大量水化产物附着生长。这说明石粉在水泥水化反应中起晶核作用，诱导水泥水化产物在其表面析晶，加速水泥的水化反应。
从XRD的结果可以看出，纯水泥及掺加粉煤灰与石英岩性石粉的ld水化样有钙矾石，但28d水泥样中钙矾石逐渐消失，单硫型硫铝酸钙出现；而在掺加石灰岩等岩性石粉的水化样中，无论ld还是28d均有钙矾石存在。这表明，加入含有CaCO3的石粉，可以抑制水化早期形成的钙矾石在后期向单硫型硫铝酸钙的转化。从而也可以对水泥石强度的提高产生贡献。且掺加含有以碳酸盐为主石灰岩石粉的水泥样中，有水化碳铝酸钙形成。水化碳铝酸钙的生成，有助于水泥石强度的提高，另外还可以消耗水化样中的钙、铝组分，而抑制钙矾石向单硫型硫铝酸钙的转化。该过程的水化反应式为：
C3A+3CaSO4?2H2O+26H2O―C3A?3CaSO4?32H2O
2C3A+C3A?3CaSO4?32H2O+4H2O―3[C3A?CaSO4?12H2O]
C3A+CaCO3+11H2O―C3A?CaCO3?11H2O
因此，从水化产物中可以看出，石粉岩性差异对水泥水化会产生一定的影响，且石粉中碳酸盐含量对水泥水化影响最为显著
三.石粉含量对机制砂空隙率及水泥砂浆孔分布的影响
机制砂的堆积密度随着石粉含量的增加而增加，本试验只做到20%的石粉含量，有资料显示，当石粉含量再增加时，堆积密度可能会减小。同时，随着石粉含量的增加，机制砂空隙率的变化规律与之刚好相反。主要原因是由于适量的石粉含量可以完善机制砂的级配，填充机制砂颗粒之间的空隙。但当石粉含量过高时，过高的石粉含量可能会导致机制砂中细小颗粒过多，破坏机制砂的连续级配，使得高石粉含量的机制砂空隙率增大。因此，对于机制砂而言，适量石粉对于机制砂是必要的，石粉可以完善机制砂的级配，有利于机制砂混凝上强度与抗渗性能的提高。同时，也必须认识到，对于机制砂而言，单纯的关注机制砂的堆积密度和空隙率是不够的，该项指标不能完全反映机制砂的优劣。
有关资料表明，石粉的粒度比水泥略粗，由于石粉的粒度略大或接近于水泥的粒度，因此水泥所形成的空隙很难由石粉去填充，因此石粉也很难像粉煤灰或硅灰等矿物掺和料一样，对水泥起到一种填充效应。但石粉的颗粒接近于水泥的颗粒的粒径，石粉可以起到增加浆体含量，填充机制砂由于级配不良形成的堆积空隙，因此对于机制砂混凝土而言，石粉在混凝土中更多的起到优化机制砂级配和丰富浆体含量的效果。同时，对于石粉而言，其形貌接近于水泥颗粒形貌，颗粒形状不规则、多棱角，因此石粉颗粒需要更多的包裹水。这也是通常机制砂中含有大量石粉时，混凝土的需水量大幅增加或混凝土的保水性明显提高的重要原因。对于机制砂砂浆而言，随着石粉含量的增加，相当于降低砂浆的总水胶比，砂浆中水胶比的降低，将明显的降低砂浆的总孔隙率。但当机制砂中的石粉达到一定数量时，水灰比降低到一定程度时，将出现部分游离态的石粉，游离态石粉的出现将降低水泥石的强度、削弱水泥石与界面的粘结，也导致了水泥石中无害孔数量的降低。
四.小结：
（1）机制砂粗糙度明显大于河砂，这是机制砂混凝土强度高于普通河砂混凝土的主要原因之一，也是机制砂混凝土流动性比普通河砂混凝土小的主要原因，粗糙度大还是机制砂混凝土保水性好，不易泌水的主要原因。
（2）石粉岩性对水泥的水化产生影响主要是碳酸盐矿物成分起作用，其中的碳酸盐可以与水泥矿物中C3A反应生成水化碳铝酸钙，且石粉中CaCO3的还可抑制水化早期形成的钙矾石在后期向单硫型硫铝酸钙的转化，有助于水泥石强度的提高。而石粉中的其它矿物成分则对水泥水化无明显影响。
（3）从相变热力学的角度分析，机制砂中石粉充当了CSH凝胶的成核基体，降低了成核位垒，加速了水泥的水化。
（4）机制砂中石粉颗粒的粒径与水泥粒径、粒度分布基本相同，可以降低混凝土中实际的水胶比，有利降低自由水所形成的孔隙率，提高混凝土的密实性和强度，但当石粉含量过高时，水泥石中或界面过渡区出现游离态的石粉，则将不利于集料与水泥石的粘结，降低混凝土强度。
（5）泥粉对水泥的水化有一定的阻碍作用，不利于水泥石强度的发展。