石粉对混凝土性能影响及微观机理分析

李 特，李 琦

（1.重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400000；2.东南大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210000）

近年来，机制沙已被广泛应用于混凝土中［1］。在石材开采过程会产生石粉，大多数石粉颗粒的范围从1 μm～100 μm 不等，因此难以处理，运输和回收［2］。大多数石粉被填埋，或者作为道路的填充物［3］。在混凝土中掺入石粉作为辅助性胶凝材料，可以有效降低CO2的排放［4］。2018 年，中国对石材装饰品的年需求量为15 亿平方米，并且仍在增长［5］。用废石粉作为辅助性胶凝材料，可以减少水泥的使用，从而降低能耗，还可以减少处理废石粉造成的环境问题［6-7］。

Wang 等［8］的研究表明，石灰石粉的物理填充效应对水泥石的孔结构和强度起着重要的作用。石粉的矿物学成分是石英、正长石［9］，有些还含有粘土矿物，如高岭土［10］。石粉与其他辅助性胶凝材料复掺具有更好的性能，如硅粉［11］、粉煤灰等。石粉可以促进水泥的水化，诱导水泥水化物的结晶［12］。但一些试验研究表明，石粉的加入会影响减水剂的作用［13］。这与外加剂吸附石粉有关［14］。另外，石粉的加入也会影响水化产物的Ca/Si，Xu 等［15］的研究表明石粉可以吸附Ca2+。

但是在掺量较大时，容易导致抗压强度的下降以及收缩变大。［16］替代率较小，如5%时，可以提高混凝土的抗压强度［17-18］。但是石粉添加有利于混凝土抗硫酸盐性能［19］以及抗氯离子能力［20］的提高。本实验结合多种分析方法，研究石粉掺量对混凝土性能的影响，希望可以将废弃石粉运用于水泥基材料中。

2 原材料与试验

2.1 原材料

试验采用PⅡ42.5 硅酸盐水泥，花岗岩石粉，其密度为2.63 g·cm-3，先用破碎机将其进行处理得到较小试块，然后使用球磨机进行研磨10 min，转速为1 200 r/min。水泥和石粉主要化学成分见图1，可知花岗岩石粉中SiO2的含量较高，CaO 含量较低，另外其中碱性氧化物含量较高。为降低颗粒粒径对实验的影响，选择粒径相差不大原材料进行实验，粒径分布图如图2 所示。

图1 化学组成原材料的

图2 原材料的粒径分布

2.2 配合比

试验混凝土基础配合比见表1，砂的细度模数为2.7，粗集料为5～31.5 mm 连续粒级碎石。石粉的替代率为5%、10%、15%、20%，由于水胶比对混凝土影响较大，测得石粉的吸水率为10%，为控制水胶比，先将石粉进行饱和润湿，再按10%的吸水率进行相应计算，加入所需的水。

表1 混凝土配合比kg/m-3

2.3 工作性能

按照相关标准进行坍落度测试，为了解石粉对浆体的流变学影响，采用Brookfield 公司生产的R/S 型流变仪测试浆体流变性能，试验采用Zeta 电位测试仪测量浆体的Zeta 电位。为了了解石粉如何影响水泥浆体的早期水化，采用PerkinElmer NexION 2000 ICP-MS 对浆体的早期孔隙溶液进行表征。

2.4 石粉活性与抗压强度

根据GB/T2847-2005《用于水泥中的火山灰质混合材料》，采用化学法进行火山灰性试验。由火山灰活性试验结果图3 可知，石粉在试验龄期内（8 d 或15 d），其试验结果数据点均落在了火山灰活性曲线图的上方，表明石粉的火山灰活性不好，按照相关标准进行抗压强度测试。

图3 石粉活性

2.5 超声脉冲波

采用水泥的超声脉冲速度（UPV）非破坏性的测试方法，通过使用超声脉冲的速度测量来检查水泥的耐久性。UPV 设备有发射和接收换能器以及显示到达时间的指示器。所有的UPV 测试都是使用The Pundit Lab 仪器进行的。

2.6 全周期分析

按照Emily L.Tucker 提供的方法进行玻璃粉的全周期分析，来判断所获得的环境效益与经济效益。［21］

3 结果与讨论

3.1 工作性能

石粉对坍落度的影响见图4，由于石粉吸水饱和，不会从胶凝材料中吸水，从而不会改变水胶比，但是石粉的加入，导致摩擦增加，从而导致混凝土坍落度下降，由于石粉吸水饱和，对混凝土的长期施工性能有利。

图4 石粉对坍落度的影响

流变性能的结果如图5 所示，与坍落度的结果相互对应，石粉的加入导致摩擦加大，屈服应力增加，从而混凝土的坍落度下降，随掺量的升高，摩擦加大，屈服应力变大，对应于坍落度减小，但掺量合适情况下，不会对工作性能产生明显影响。

图5 石粉对流变性能的影响

3.2 Zeta 电位

Zeta 电位表征颗粒间作用力大小，其绝对值越大，整个体系越稳定，绝对值越小，越容易发生颗粒凝聚现象。从图6 可知，随时间增加，Zeta 电位值的绝对值变大，颗粒趋向于稳定，随替代率的增加，Zeta 电位绝对值减小，其Zeta 电位绝对值增大，因此石粉会对早期的水泥水化产生影响。

图6 石粉对Zeta 电位的影响

3.3 抗压强度

从图7 可以看出，石粉的没有活性，因此早期强度较低，但可以作为微集料填充到孔隙中所以早期强度没有显著性下降，并且在5%、10%强度有所提升，在恒定水胶比情况下，石粉的掺量可以进一步提高，在掺量合理情况下，石粉可以提高混凝土的强度，很大程度在于石粉具有匀质化的作用。

图7 石粉对抗压强度的影响

3.4 超声脉冲波

从图8 中可知，随替代率的增加，UPV 的值呈现出先增大后减小的趋势。当掺量较少时，石粉作为微集料填充在混凝土内部的有害孔隙中，混凝土因此变得更加密实。当掺量较大时，废石粉的掺入可能增大了骨料与水泥基体的界面过渡区，从而降低了界面粘接力，因此过量掺加对于混凝土不利。

图8 石粉的LCA 分析

3.5 全周期分析

通过图9 可知，由于石粉只需要经过磨细处理，避免了水泥的相关工艺，因此随着替代率的增加可以获得良好的经济效益与环境效益，并且从以上讨论可知，在掺量适当的条件下，其对混凝土的性能没有显著性的危害。

图9 石粉对UPV 值的影响

4 结论

花岗岩作为广泛应用的石材，在使用过程中会产生大量放弃石材，通过研磨加入到水泥中，可以解决废弃石材的堆积问题。本实验研究石粉对混凝土的影响，试验表明，石粉会导致离子吸附以及水吸附，从而降低坍落度，随石粉替代率的增加，抗压强度先上升后下降，随替代率的增加，UPV 的值先变小后变大。由于石粉只需要经过磨细处理，避免了水泥的相关工艺，因此石粉合理替代可以获得良好的经济效益与环境效益。