石粉含量对石屑混凝土抗裂及抗渗性能的影响

孙明良，李国新，梁丽敏

（1.西安建筑科技大学材料与矿资学院 陕西 西安 710055）

（2.云南建投绿色高性能混凝土股份有限公司 云南 昆明 650501）

0 引言

砂石骨料作为混凝土主要原材料，近年来随着房地产和基础设施建设的快速发展，市场对砂石骨料的需求也随之快速增长，多年来对天然砂资源的过度开采导致满足要求的天然砂资源越来越少。在现实石灰岩开采和骨料生产过程中，除了碎石外，还产生大量石屑，石屑与天然砂有着相似的物理性质，是比较适宜的代砂材料，研究和探索将石屑作为细骨料制备石屑混凝土[1-8]，将是缓解现有砂石资源供求关系、解决石屑占用土地和对环境污染的有效途径。由于石屑中含有还有天然砂所没有的石粉。适量的石粉掺入混凝土，能够更好的提高混凝土的密实度，进而提高混凝土的综合性能。但石屑中石粉含量通常较高，有些甚至达到30%，石粉含量越高，混凝土需水量越高，开裂风险也会增大，势必会对混凝土耐久性能产生影响[9]。通过人为模拟配比石屑，研究不同石粉掺量对石屑混凝土综合性能的影响，以期合理高效利用石屑，提高石屑混凝土综合性能的目的。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

1.1.1水泥

云南开远某有限公司生产的P.O42.5水泥，其性能指标见表1。

表1 水泥的物理力学性能表

1.1.2粗集料

粗集料各项性能检测及筛分结果见表2和表3。

表2 粗集料性能检测结果表

表3 粗集料筛分结果表

1.1.3细集料

细集料各项性能检测及筛分试验结果如表4和表5所示。

1.1.4外加剂

表4 细集料性能检测试验表

表5 细集料筛分试验结果表

上海三瑞生产聚羧酸高效减水剂（PC），固含量17%，饱和掺量条件下减水率18.3%。

1.1.5石粉

瓜子石研磨40min后过80μm筛石粉，采用昆明理工大学真空冶金国家工程实验室比表面及孔隙度测定仪（NOVA-2200E）测试。实验结果见表6所示。

1.1.6 拌合用水

昆明市生活自来水。

1.2 配合比与试验方法

1.2.1混凝土配合比

混凝土工作性能检测《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GBT50080-2002进行，由于石屑细度模数较大，因此掺加一部分水洗山砂并通过调整得到石粉含量为9%、16%、20%、25%和30%的石屑A、B、C、D、E配制混凝土，调整外加剂掺量使坍落度达到（200∶20）mm，研究不同石粉含量的石屑对石屑混凝土耐久性能的影响。不同石粉含量石屑试配情况如下表7，实验配合比见表8。

表7 不同石粉含量石屑试配情况表

表8 混凝土试验配合比表

1.2.2 试验方法

采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082中的平板式限制收缩开裂试验方法。其原理是在混凝土试模中放入数个的诱导开裂三棱体，混凝土浇筑后通过光照产生高温，并在风吹情况下加速混凝土表面的水分损失，这样就可以加速混凝土表面水分的蒸发，进而促使混凝土表面沿着诱导开裂的三棱体产生裂缝，最后通过测试裂缝宽度及开裂面积就可直观评价混凝土抗裂性能；抗水渗透试验及（电通量法）分别使用的中国建筑科学研究院建材所开发的CABRRCP9型混凝土电通量测试仪和CABR-BSY型真空饱水仪，参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082中的氯离子渗透试验方法进行，抗氯离子渗透实验其原理是将混凝土试件两端分别浸泡在一定浓度的NaCl和NaOH溶液中，然后向溶液电极两端通入一定的直流电压，从而促使氯离子加速在试件中迁移，用一定时间内通过试块的电量多少来反映试块抗氯离子渗透性优劣。混凝土工作性能、力学性能分别按照GB/T50080—2011《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》。

2 试验结果与分析

2.1 石粉掺量对石屑混凝土工作性及力学性能的影响

通过人工调整得到石粉含量为9%、15%、20%、25%和30%的石屑A、B、C、D、E配制混凝土，调整外加剂掺量使坍落度达到（200∶20）mm，试验结果见表9所示。

表9 石粉含量对混凝土强度及聚羧酸掺量的影响表

石屑混凝土早期强度增长较明显。石粉含量达到15%时，石屑混凝土早期强度达到拐点，石粉含量继续增加时，早期强度不再增加，呈下降趋势。当石屑中石粉含量为15%时，相对9%石粉含量，石粉的增加填充了拌合物之间的空隙，增强了混凝土的密实性，从而提高混凝土强度；在拐点以后继续增加石粉含量时，石粉的增加对改善混凝土内部的毛细孔孔结构不再起促进作用，因此混凝土强度也不再增加，反而由于石粉含量的增加，降低了浆骨料比例，从而降低混凝土早期强度。

石粉含量为30%时混凝土3d强度较基准混凝土提高22.6%，混凝土7d强度较基准混凝土提高17.7%，混凝土28d强度较基准混凝土提高5.5%。由此得到，石粉含量对混凝土早期强度影响较为明显。其原因是石屑中的石粉在水泥水化过程中起到了晶核作用（晶核效应），加速了水泥中C3S的水化。当C3S开始水化时，便大量释放出Ca2+，Ca2+具有比[SiO4]4-离子团高得多的迁移能力，根据吸附理论，首先发生CaCO3微粒表面对Ca2+的吸附作用，由于C-S-H和Ca（OH）2在CaCO3表面上大量生长，导致C3S颗粒周围Ca2+离子浓度降低，使C3S水化加速，从而加速了水泥的水化，浆体水化产物增多，使得混凝土早期强度提高；而后期，石灰石粉抑制了水泥水化，并使浆体孔结构由小孔向大孔转变，产生的孔粗化效应又使混凝土强度降低，当石灰石粉掺量超过一定范围，则是由于水泥量相对太少，水化产物减少，因此对混凝土强度改善效果不明显。

2.2 石粉掺量对石屑混凝土早期开裂性能的影响

混凝土早期抗裂性能等级划分如下表10所示，表11为不同石粉含量早期开裂实验数据。

表10 混凝土早期抗裂性能的等级划分表

表11 混凝土的早期开裂性试验结果

不同石粉含量的石屑配制出来的混凝土单位面积上的总开裂面积C均远大于1000，无论哪种石粉含量的石屑配制出的混凝土抗裂性能均比较差。在石屑中的石粉含量从9%增加到15%时，混凝土单位面积上的总开裂面积C是降低的，这主要是由于15%石粉含量配制出的混凝土级配更合理，因此混凝土密实性更好，减小了混凝土的开裂，之后随着石屑中的石粉含量增加，混凝土单位面积上的总开裂面积C逐渐增大，并且石屑中石粉含量从15%增加到20%时单位面积上的总开裂面积C增加5%，增加幅度不是很大，之后石屑中的石粉含量从20%增加到25%甚至30%时，混凝土单位面积上的总开裂面积C急剧增加，石粉含量为30%时达到最大的3281mm2/m2，增加幅度达到53.6%。

2.3 石粉掺量对石屑混凝土抗水渗透性能的影响

抗水渗透实验结果如表12，图3所示。

结合表12：石屑中石粉含量为9%时，渗水高度最大，达到27mm，此时混凝土抗水渗透性能最差；随着石屑中石粉含量继续增加，达到15%时，混凝土渗水高度最低，仅有11mm，抗水渗透性最好；当石屑中石粉含量达到15%并继续增加时，混凝土渗水高度逐渐增高。

表12 抗水渗透试验结果表

当石屑中石粉含量为9%时，混凝土拌合物浆体非常少，对骨料的包裹不足，拌合物级配较差，在混凝土硬化后，内部形成的大于50nm的有害孔较多，因此石屑中石粉含量为9%时，混凝土抗水渗透性能较差；当石屑中石粉含量增加到15%时，渗水高度最低，抗水渗透性能最好，这是因为随着石屑中石粉含量的增加，丰富了拌合物浆体，混凝土拌合物级配明显改善，工作性良好，硬化后混凝土中空隙减少，提高了混凝土密实性，也就提高了混凝土抗水渗透性能，另外由于石粉具有填充效应，使硬化后混凝土结构密实，提高混凝土抗水渗透性；但是继续增加石屑中石粉含量时，体系中石粉与水泥比例过大，水泥不足以完全填充砂与石粉所形成的空隙，不足以产生足够的胶凝性，使得混凝土硬化后空隙增加，致使混凝土抗水渗透性降低，其次由于石粉比表面积非常大，必然导致包裹石粉所需用水量增加，使得可供水泥水化的水份降低，水泥水化不完全，混凝土硬化后产生孔隙较多，从而降低混凝土抗渗性，另外过量石粉的引入，一部分石粉聚集在骨料表面，降低了骨料的粗糙程度影响了水泥石与骨料之间的胶结能力损害了界面的性能，因此降低了混凝土的抗渗性。

2.4 石粉掺量对石屑混凝土抗氯离子渗透性能的影响

混凝土抗氯离子渗透电通量试验评价标准见表13。

表13 混凝土抗氯离子渗透电通量试验评价标准表

不同石粉含量石屑配制出的混凝土28d电通量均在2000~4000C之间，抗氯离子渗透性均属中等水平；石粉含量为9%的机制砂配制的混凝土28d龄期电通量最大，达到3117.7C，随后随着石粉含量的增加，混凝土电通量呈现逐步上升的趋势。

在水泥—水体系中，随着水泥粒子的不断水化，水化物的体积要大于未水化时水泥粒子的体积，这样水化物除了占有原来水泥粒子所占有的空间外，还有一部分水化物要占有原来的充水空间，而没有被水化物占有的原充水空间就形成了毛细孔，而毛细孔隙又是引起混凝土渗透的最直接原因。

在试验过程中发现当石屑中的石粉含量为9%时，配制出的混凝土粘聚性不好，石屑砂不能够充分包裹粗集料，也无法充分填充集料间的空隙，同时拌合物浆体非常少，因此无法填充充水空间，导致混凝土孔隙率较高，从而使得9%石粉含量的石屑配制出的混凝土电通量较高；当石屑中的石粉含量继续增加到15%时，配制出的混凝土浆体明显增多，混凝土和易性得到明显改善，提高了混凝土的密实性，降低了混凝土渗透性能，因此电通量明显降低；而随后随着石屑中石粉含量的增加，混凝土的电通量呈现整体上升的趋势，这是因为氯离子在混凝土中的渗透主要是通过其中浆体进行的，随着石屑中石粉含量的增加，混凝土中浆体量随之增多，从而氯离子在混凝土中的迁移通道增多，导致混凝土电通量增大。

3 结语

（1） 石屑混凝土电通量均在2000~4000C之间，抗氯离子渗透性能属中等。9%石粉含量石屑电通量最大，达到3117.7C，15%石粉含量石屑电通量最小，随后随着石屑中石粉含量的增加，石屑混凝土电通量逐渐增加。石屑中一定量的石粉可以改善石屑混凝土抗氯离子渗透性能，石屑中过量的石粉会降低石屑混凝土抗氯离子渗透性能。

（2） 采用逐级加压法到1.3MPa，5组石屑混凝土抗水渗透实验试块顶端均未出现渗水情况，石屑混凝土抗水渗透性能良好。9%石粉含量石屑混凝土抗水渗透性能最差，15%石粉含量石屑抗水渗透性能最好，之后随着石屑中石粉含量继续增加，石屑混凝土抗水渗透性能变差。

（3）石屑混凝土的抗裂性能不好，均属Ⅰ级。15%石粉含量石屑混凝土开裂面积最小，之后随着石屑中石粉含量的增加，开裂面积逐渐增大，30%石粉含量石屑混凝土开裂面积最大。石屑中石粉含量从25%增加到30%时，石屑混凝土单位总开裂面积急剧增加，增加幅度达到53.6%。