石灰石粉對砂漿耐磨性能的影響及作用機理

王雨利， 蔡基偉， 楊 雷， 羅樹瓊

（1.河南理工大學材料科學與工程學院，河南焦作454000；2.河南大學材料與結構研究所，河南開封475004）

近年來，可開采的河砂資源越來越少，天然砂資源十分匱乏，應用機制砂替代河砂，將其作為建筑用砂勢在必行.但機制砂與河砂相比，具有顯著的特點：機制砂顆粒表面粗糙、多棱角，且其大多級配不良，0.315～0.63mm級配顆粒偏少；機制砂中含有大量與母巖物理化學性質相同，粒徑小于0.075mm且含量一般在10%～20%[1－3]（質量分數，文中涉及的含量、砂灰比除特別注明外均為質量分數或質量比）的石粉.為了探討機制砂應用的可行性，國內外學者就機制砂對混凝土性能的影響進行了大量研究.研究[4－10]表明，機制砂可配制出耐久性優異的高強混凝土，適量的石粉對機制砂混凝土的工作性和強度無不利影響，甚至還可以改善混凝土的抗滲和抗凍性能.李北星等[11]研究了機制砂的粗糙度、壓碎值對混凝土耐磨性的影響，但機制砂中的石粉含量對混凝土耐磨性能的影響還未見報道.

本文以石灰石粉為研究對象，研究了機制砂中石粉含量對水泥砂漿耐磨性能的影響情況，并結合顯微硬度、掃描電鏡（SEM）等進行了機理分析.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

采用華新P·C 32.5復合硅酸鹽水泥，其主要性能指標見表1；細集料為武漢河砂（RS）和華生石灰巖機制砂（MS），其主要性能指標見表2，級配組成見表3.

表1 水泥的主要性能Table 1 Main properties of cement

表2 細集料的主要性能指標Table 2 Main property index of fine aggregate

表3 細集料的級配組成Table 3 Gradation composition of fine aggregate

1.2 試驗方法

水泥砂漿耐磨試件尺寸150mm×150mm× 30mm，試驗按照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》進行.試件的磨耗量按式（1）計算：

式中：G為試件單位面積的磨損量，kg／m2；m1為試件的原始質量，kg；m2為試件磨損后的質量，kg.

2 試驗結果及分析

2.1 石灰石粉對水泥砂漿耐磨性能的影響

固定初始水泥砂漿砂灰比為2.5，水灰比為0.44.采用石灰石粉等質量取代河砂和機制砂，改變其各自石粉的含量，來研究武漢河砂和石灰巖機制砂在石灰石粉含量不同時，對水泥砂漿耐磨性能的影響.水泥砂漿的具體配合比和耐磨試驗結果見表4，其中水粉比mw／mp為水與水泥和石灰石粉質量之和的質量比.

表4 石灰石粉對耐磨性能的影響Table 4 Effects of limestone powder on wear－resisting performance

由表4可以看出，隨著石灰石粉摻量的增加，河砂砂漿的耐磨系數先減小，后增大；當石灰石粉摻量為15%時，其耐磨系數最小，較未摻石灰石粉時減小了35%，也可以說河砂砂漿耐磨能力提高了35%；當石灰石粉摻量為20%時，砂漿耐磨系數也較未摻石灰石粉時有所減小，其減小幅度為20%；當石灰石粉摻量為30%時，砂漿耐磨系數較未摻時略大.這說明，當石灰石粉在摻量不超過20%時，可提高河砂砂漿的耐磨能力，其最佳石灰石粉摻量為15%.

石灰石粉摻量對石灰巖機制砂砂漿耐磨能力的影響與河砂相似，其耐磨系數也是隨著石灰石粉摻量的增大先減小，后增大；當石灰石粉摻量為10%時，石灰巖機制砂砂漿耐磨系數最小，較未摻時減小了21%；但當石灰石粉摻量增大為15%時，其耐磨系數迅速變大，較未摻時增大了19%，耐磨系數值為3.52kg／m2，大于標準中規定的中輕交通路面與橋面28d磨耗最大值3.0kg／m2，即石灰巖機制砂的石灰石粉最佳摻量為10%，且不應超過10%.

2.2 機理分析

2.2.1 顯微硬度測試

王雨利等[12]采用濕堆積密度法測試了水泥與石灰石粉混合后的密實度，得出石粉摻量在15%以內可增大二者的密實度，且變化規律與石灰石粉對混凝土抗壓強度和抗滲性能的改善相似的結論.為了進一步探索石灰石粉對混凝土性能的改善機理，采用上海尚光顯微鏡有限公司生產的HXS－1000型智能顯微硬度儀，測試了石灰石粉摻量為3.5%～14.0%的28d齡期水泥石的顯微硬度，水泥石的顯微硬度測試壓痕見圖1.固定水泥砂漿的水灰比為0.4，砂灰比為2.5，水泥石顯微硬度測試結果見圖2.

圖1 水泥石的顯微硬度測試壓痕圖Fig.1 Micro－hardness test of hydrated cement

圖2 水泥石的顯微硬度Fig.2 Micro－hardness of hydrated cement

由圖2可以看出，水泥石與骨料的界面過渡區厚度基本在10～20μm，水泥石硬度從小到大的順序分別是石灰石粉摻量為3.5%，7.0%，14.0%和10.5%，也就是說，隨著石灰石粉摻量的增加，水泥石的硬度先增大，后減小，當石灰石粉摻量為10.5%時，水泥石的硬度最大，從而說明石灰石粉提高了水泥石的硬度；界面過渡區的硬度從小到大的順序分別為石灰石粉摻量3.5%，7.0%，10.5%和14.0%，即隨著石灰石粉摻量的增加，過渡區的硬度逐漸增大，這說明石灰石粉改善了界面過渡區.

2.2.2 SEM測試

石灰石粉在水泥水化過程中可起到晶核作用，誘導水泥的水化產物析晶，加速水泥水化，石灰石粉還對鈣礬石向單硫型轉化有阻止作用，從而提高混凝土性能[13－15].為了進一步研究石灰石粉對水泥水化的影響，將石灰石粉分別以0%，5%，10%的外摻比例加入到水泥凈漿中，試驗配合比見表5.7，28d的水泥砂漿SEM照片見圖3.

表5 水泥砂漿試驗配合比Table 5 Mix proportions of cement mortar in test

圖3 水泥砂漿的SEM照片Fig.3 SEM photos of cement mortar

由圖3（a），（c），（e）可以看出，7d的水泥砂漿，當未摻石灰石粉時，C－S－H的形貌為纖維狀粒子，且顆粒之間有一定的空隙；當石灰石粉摻量為5%時，由于石灰石粉的填充作用，顆粒之間接觸很緊密，且C－S－H的形貌為網絡狀粒子，較未摻時的C－S－H凝膠數量明顯增多；當石灰石粉摻量為10%時，顆粒間的空隙有變大趨勢，C－S－H的形貌又演變為纖維狀粒子.28d的水泥砂漿SEM照片（圖3（b），（d），（f））則表明，隨著水泥水化產物的增多，水泥石變得更加密實，C－S－H的凝膠逐漸演變為網絡狀粒子；相比不摻石粉而言，摻有石粉的水泥石中C－S－H凝膠更多一些.這說明由于石粉的物理填充效應和化學稀釋作用，加速了C－S－H凝膠的生成，且使水泥石變得更加密實.

3 結論

（1）砂中含有一定比例的石灰石粉，其對水泥砂漿的耐磨能力有提高作用.其中當細集料為河砂時，水泥砂漿中的最佳石灰石粉摻量為15%；當細集料為石灰巖機制砂時，水泥砂漿中最佳石灰石粉摻量為10%，且不要超過10%.

（2）顯微硬度測試表明，石灰石粉可提高水泥石的顯微硬度，改善水泥石與骨料的界面過渡區；SEM表明，石灰石粉加速了C－S－H凝膠的生成，且使水泥石變得更加密實.

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