石粉种类及含量对C60机制砂混凝土性能的影响

姜同辉,杨雄峰,阳佳丁,钱枫华,平 乐,杨腾宇,王 晶,张 营,冷发光

(1.广东佛盈汇建工程管理有限公司,佛山 528051;2.佛山市交通科技有限公司,佛山 528000;3.建研建材有限公司,北京 100013)

0 引 言

目前，由于天然河砂资源的开采受到天然储备量和相关政策的限制，机制砂已成为混凝土材料中细骨料的环保经济来源，极大地缓解了混凝土生产过程中河砂供需失衡的矛盾。机制砂由岩石母体经多重破碎、筛分而成，在生产过程中难免含有大量粒径较小且矿物组成相同的石粉颗粒(粒径小于75 μm)。母体岩石的类型和破碎工艺差异往往造成机制砂中细颗粒含量波动较大，而机制砂石粉含量对混凝土的各项性能指标均存在较大的影响，是机制砂混凝土研究中需要重点关注的问题之一。

近年来，随着对机制砂认识的深入，研究人员对机制砂石粉对混凝土性能影响的研究更加聚焦，总体可分为石粉吸附性、机制砂亚甲蓝值(MBV)和石粉活性等方面，所关注的对象逐渐从宏观性能转向材料微观结构层面。于本田等[1]从混凝土孔隙结构和微观样貌探究了高吸附性花岗斑岩石粉含量对混凝土和易性和体积稳定性的影响，认为花岗斑岩石粉通过填充和成核效应等正面效应改善了混凝土性能，但是石粉含量应控制在8%以内。李北星等[2]通过总有机碳(TOC)、Zeta电位和MBV等指标分析了花岗岩机制砂中石粉颗粒对聚羧酸系减水剂的吸附性能，发现细粉中黏土类物质含量不同是造成石粉对减水剂分子吸附性能出现差异的主要原因。孙辉等[3]从孔隙结构演变规律角度探讨了机制砂MB值对混凝土抗碳化性能的影响。李家和等[4]将机制砂中超过5%部分的石粉视为矿物掺合料，对胶凝材料总量和水胶比进行计算，探讨了高石粉含量机制砂混凝土的配合比设计方法。

事实上，当前研究主要集中于C60以下强度等级的混凝土，关于石粉含量及种类对C60机制砂混凝土影响的研究较少，关于其影响机理的研究更少。同时，考虑到机制砂中石粉种类不同，其含量的变化对细骨料的比表面积、分散程度，以及C60机制砂混凝土的和易性、力学性能和耐久性的影响程度不同，因此对于不同种类及含量机制砂在C60混凝土中的应用需要展开系统的研究。

本文采用含不同砂粉比的花岗岩机制砂和石灰岩机制砂制备C60混凝土，探明砂粉比参数及石粉种类对混凝土和易性、抗压强度、干燥收缩变形以及抗氯离子渗透性的影响，并通过对混凝土微观结构的分析总结其作用规律，为推进机制砂在C60混凝土中的应用提供参考。

1 实 验

1.1 原材料

使用金隅牌P·O 42.5水泥。矿物掺合料使用F类Ⅱ级粉煤灰，烧失量为3.25%，需水比为95%，45 μm筛余率为29.8%。粗骨料使用玄武岩5～25 mm连续级配碎石，细骨料使用细度模数为2.7的石灰岩机制砂和花岗岩机制砂。配制混凝土拌合物前，将细骨料中75 μm以下颗粒筛出备用。减水剂使用江苏苏博特新材料股份有限公司销售的聚羧酸高性能减水剂，减水率为 26%。

1.2 配合比

混凝土拌合物配合比如表1所示。水胶比为0.30，通过控制机制砂中石粉质量占比分别为0%、5%、10%、15%、20%来调整细骨料的砂粉比(细骨料中0.075～4.75 mm颗粒与0.075 μm以下颗粒的质量比)。以同等坍落度原则控制不同配合比的减水剂用量。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete

1.3 试验方法

遵循《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T 50080—2016对新拌混凝土坍落度、扩展度和倒置坍落度筒排空时间(倒筒时间)进行试验。依照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T 50081—2019对硬化混凝土的抗压强度(7 d、28 d、90 d)进行测试。依照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082—2009 对混凝土干燥收缩率(3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d)和电通量(56 d)进行测试。采用扫描电子显微镜(FEI QUANTA 200FEG,SEM)观察分析不同砂粉比混凝土养护28 d后的新鲜断面微观结构。混凝土的新鲜断面样品被采集后，迅速放入无水乙醇中浸泡24 h以终止水化进程，然后被转移到真空干燥箱中于65 ℃干燥48 h。

2 结果与讨论

2.1 新拌性能

表2为不同砂粉比对混凝土新拌性能影响的测试结果。结合表1和表2可知，在坍落度接近前提下，砂粉比降低导致混凝土减水剂用量增大。随着砂粉比下降，S组初始扩展度和倒筒时间均先增大后下降，H组均先降低后增大；S1～S5样品的30 min扩展度先增大后降低，H组的30 min扩展度均为200 mm，已完全失去流动性。S1和H1组石粉含量为0%，虽然减水剂用量最低，但是拌合物和易性差，出现泌水现象。随着石粉含量增大，S组和H组拌合物黏聚性和保水性得到改善，S3和H3混凝土和易性最优。进一步降低砂粉比时，混凝土黏聚性提高，减水剂用量增大，混凝土扩展度下降，倒筒时间延长。

表2 混凝土新拌性能Table 2 Fresh mixing performance of concrete

上述现象可从骨料颗粒级配和岩石粉吸水特性两方面进行阐述。与机制砂粗颗粒相比，石粉粒径较小，可以填充机制砂粗颗粒之间的空隙，改善机制砂的颗粒级配，改善拌合物的流动性。同时石粉含量增加(即砂粉比下降)可提高机制砂的比表面积。机制砂需要吸收更多水分才能润湿石粉颗粒表面形成水膜[5]，造成混凝土需水量增大，黏聚性和保水性提高，抑制离析和泌水现象，如S2、S3和H2、H3。若进一步降低砂粉比，机制砂粗颗粒含量偏低，石粉颗粒的填充效应趋于饱和，拌合物需水量过高，减水剂用量增大，如S5和H5。另一方面，不同岩性机制砂石粉对水分和外加剂分子的吸附性能也存在差异，有研究[6]表明，采用聚羧酸系减水剂制备胶砂时，石灰石粉-水泥胶砂流动度比为97%，花岗岩石粉-水泥胶砂流动度比为79%。因此，当石粉含量增大时，为维持相同坍落度，H组减水剂用量较S组显著增大。总体而言，适当降低砂粉比有利于改善C60机制砂混凝土和易性，但是超过临界值将提高减水剂用量。

2.2 抗压强度

图1为混凝土抗压强度。图1表明，由于S1和H1机制砂中不含石粉，混凝土骨料体系级配不佳，拌合物硬化后强度较低。随着砂粉比下降，S组和H组混凝土强度均出现明显提高。若砂粉比低于临界值(砂粉比为9，对应10%石粉含量)，混凝土强度随砂粉比降低而下降，与现有研究吻合[7-8]。这是因为适量机制砂粗颗粒被置换成石粉而带来的填充效应改善了骨料体系的颗粒级配，其成核效应则促进了胶凝材料的水化进程，有利于生成更多水化产物，共同提高了混凝土的密实程度，增强混凝土抗压强度。然而，当砂粉比进一步降低(如S4、S5和H4、H5)，一方面，石粉颗粒填充、成核效应仍发挥正面作用，有利于提高混凝土强度；但另一方面，过多的石粉含量破坏了机制砂各粒径的紧密堆积状态[9-10]，粗颗粒之间充满石粉颗粒而无法形成荷载传递接触位点，不利于混凝土承受更高的负载作用力。此外，石粉颗粒作为惰性组分，在胶凝材料水化过程中几乎不发生水化反应，其与胶凝材料之间的界面过渡区属于受力薄弱位点，导致混凝土界面缺陷增多，强度有所下降[9,11]。最后，从图1还可发现延长养护龄期可有效补偿砂粉比过低对抗压强度的负面影响。总体而言，在一定范围内引入石粉以降低砂粉比有利于提高混凝土抗压强度，但超过临界值将带来负面效应。

图1 混凝土抗压强度Fig.1 Compressive strength of concrete

2.3 干燥收缩

不同砂粉比条件下混凝土干燥收缩变形曲线如图2所示。首先，即使机制砂岩性不同，S组和H组混凝土干燥收缩变形发展规律仍基本一致，早龄期3～7 d内干缩变形快速发展，此后收缩速率有所趋缓，但保持持续增加状态。当砂粉比下降时，混凝土干缩变形率随之下降，例如龄期达到90 d时，S5和H5组干缩率分别为482%和472%，分别比S1和H1降低6.9个百分点和9.8个百分点。毛永琳等[12]发现使用石粉取代20%胶凝材料可使混凝土28 d干燥收缩率降低18个百分点，外掺33%石粉可以降低干燥收缩率12个百分点。何涛等[13]也发现石粉抑制混凝土干燥收缩变形的现象。石粉通常被归类为惰性材料，弹性模量高，几乎不参与胶凝材料的水化进程。当机制砂粗颗粒被石粉取代时，细骨料体系比表面积提高，其中石粉颗粒可以填充胶凝材料浆体内部的空隙，促使细骨料在胶凝材料浆体中的分散更加均匀，强化细骨料的刚性骨架效应，更有利于发挥机制砂抵抗、限制水泥收缩的正面作用；其次，石粉颗粒在拌和过程中吸收了部分拌合水以润湿自身表面，形成水膜，间接造成胶凝材料实际水胶比降低，形成了更加紧密的水化产物结构。另外，从上文中对强度变化规律的分析可知，机制砂的砂粉比降低时，混凝土形成了更加紧密的颗粒堆积结构，毛细孔体系致密化，强度得以增强，同时自由水分往外界蒸发的路径阻碍增多，干燥收缩变形因而下降。因此，降低C60机制砂混凝土的砂粉比在一定程度上有利于降低混凝土的干燥收缩变形。

图2 不同砂粉比条件下混凝土干燥收缩变形曲线Fig.2 Drying shrinkage deformation curves of concrete under different sand-powder ratios

2.4 电通量

混凝土电通量测试结果如图3所示。不同混凝土的56 d抗氯离子渗透性能均属于低渗透性水平[1]。与0%石粉含量的基准组相比，S2～S5和H2～H5组电通量值均下降。但是随着砂粉比持续增大，混凝土电通量出现先减小后增大现象，这一研究与其他文献[1]相同。混凝土孔结构测试结果如表3所示。与0%石粉含量的基准组相比，S2～S5和H2～H5组总孔隙率和平均孔径均出现下降。众多研究学者[14-18]研究发现，提高花岗岩机制砂石粉含量会使高强混凝土抗氯离子渗透性不断降低，在混凝土中适当掺加石粉可以增强界面力学性能，改善水泥石孔隙结构，提高混凝土致密程度，但是大掺量石粉取代细骨料将削弱混凝土骨架，骨料体系对氯离子渗透通道的阻碍作用降低，导致电通量上升，大掺量使用石粉对混凝土抗氯离子渗透性不利，其机理除了与密实度有关以外，还与石粉颗粒表面电荷量有关。

图3 混凝土电通量Fig.3 Electric flux of concrete

图3和表3表明，当砂粉比不低于9(石粉含量为10%)时，石粉的填充、成核效应对混凝土毛细孔结构有一定正面作用，有利于提高混凝土密实程度，改善混凝土抗氯离子渗透性。于本田等[1]研究发现，当石粉含量不超过8%时，随着石粉含量增大，混凝土孔隙率下降，最可几孔径从26.0 nm降低至18.2 nm，直径大于20 nm的毛细孔体积明显降低。若石粉含量继续增多，石粉的填充效应趋于饱和，剩余的石粉颗粒游离分散在骨料界面处，削弱骨料与胶凝材料浆体之间的黏结性能，或者稀释胶凝材料中单位体积内水泥浆体含量，使界面面积增大，微小孔体积上升。换言之，石粉颗粒的稀释、游离作用增加了混凝土中毛细孔连通程度，降低混凝土抗氯离子渗透性。此外，S组电通量低于H组电通量，这可能是因为S组的总孔隙率和平均孔径低于H组，石灰岩石粉颗粒在孔溶液中溶解出Ca2+后，颗粒表面产生负电荷，阻挡了氯离子传输，进而降低电通量[18]。

表3 混凝土的孔结构Table 3 Pore structure of concrete

2.5 微观样貌

图4～图6为不同砂粉比C60石灰岩机制砂混凝土在标准养护至28 d测试获得的SEM照片。C60花岗岩机制砂混凝土微观结构测试结果与C60石灰岩机制砂混凝土接近，故不作展示。观察图4可发现，S1组样品存在较多孔隙，孔径粗大，孔隙内部水化产物稀疏，粉煤灰颗粒表面光洁无褶皱，尚未形成紧密搭接的水化产物网状骨架结构，导致混凝土抗压强度和耐久性能不佳。

图4 S1混凝土水化28 d后的SEM照片Fig.4 SEM images of S1 concrete after hydration 28 d

如图5所示，若将部分机制砂粗颗粒置换为石粉，形成较低砂粉比状态时，粉煤灰表面因发生二次水化反应而被侵蚀形成粗糙样貌，水化产物紧密结合，水化硅酸钙(C-S-H)凝胶呈现出扭曲片箔状，钙矾石从细小针状发展成短粗、扭绞状，并与C-S-H凝胶相互搭接而形成致密的无孔洞结构。如图5(a)所示，在高放大倍数下可发现水泥水化产物形态良好，几乎不存在微小孔隙。分析可知，微小的石粉颗粒通过填充作用改善了混凝土的细骨料乃至粉体材料的颗粒级配体系，使混凝土更加密实。另外，石粉的成核效应也有可能是混凝土浆骨界面致密性增加的原因[19-21]。研究[22]表明，掺入5%超细石灰石粉后，水泥熟料矿物水化反应表观活化能从49 kJ/mol降低至14 kJ/mol，意味着水泥水化被加速，有利于水化产物结晶析出。与S1组相比，S3组抗压强度和抗氯离子渗透性显著增强。

图5 S3混凝土水化28 d后的SEM照片Fig.5 SEM images of S3 concrete after hydration 28 d

当砂粉比进一步降低时，C-S-H凝胶等水化产物的含量仍继续升高，但结晶状态较差，以团簇状颗粒分散存在，空间网状完整性较低，如图6(a)、(b)所示。图6中还可发现游离状的石粉微小颗粒和明显的贯通微裂缝。分析可知，S5中砂粉比过低，石粉在拌合物体系中的填充作用已经接近饱和，剩余的石粉颗粒以游离状态分散在粉体材料或骨料界面过渡区中，阻碍水化产物晶体的生长和相互搭接，不利于水化产物形成黏结密实的空间立体结构，并导致界面出现较多微小裂缝，削弱混凝土的抗压强度和耐久性。与S3组相比，S5组抗压强度和抗氯离子渗透性有所降低。

图6 S5混凝土水化28 d后的SEM照片Fig.6 SEM images of S5 concrete after hydration 28 d

3 结 论

(1)将机制砂中的砂粉比控制在一定范围内有利于提高混凝土的和易性。砂粉比低于一定值后混凝土需水量增大，流动性降低，需要消耗更多减水剂。

(2)随砂粉比降低，混凝土抗压强度先增大后降低；干燥收缩变形发展模式几乎不发生变化，但90 d收缩率有所降低；56 d电通量先减小后增大，但均处于低渗透性范围。综合而言，C60机制砂混凝土砂粉比应不低于9。

(3)机制砂中砂粉比降低意味着一部分细骨料的粗颗粒被粉体取代，整体比表面积明显升高，在混凝土中的分散程度更高，所发挥的填充效应更为显著，更有利于改善混凝土细骨料乃至粉体材料的颗粒级配，促进水泥矿物水化，形成更加致密的微观结构，增强混凝土力学性能和耐久性。若砂粉比过低，石粉的填充效应趋于饱和，多余石粉颗粒以游离状态分散于水泥石和界面处，形成较多微观缺陷，降低混凝土性能。