不同石粉摻量對水泥基材料性能的影響

馮玉強

（重慶建研科之杰新材料有限公司，重慶 璧山 402760）

0 前言

天然砂的日益短缺使得機制砂成為混凝土生產的替代資源。機制砂由母巖經清洗、破碎、篩分等工藝制得，可根據需要生產不同細度模數和石粉含量的成品。機制砂多棱角、表面粗糙，通過含粉量的調節可生產出和易性良好、強度和耐久性滿足工程要求的混凝土[1,2]。作為機制砂的重要組成部分，適量的石粉可以增加漿體體積，提高混凝土的和易性[3,4]，但受供應影響，機制砂品質良莠不齊，機制砂石粉含量普遍較高，且 MB 值波動較大，對混凝土生產造成一定波動。

外摻石粉是通過外摻引入，通過粉磨至一定細度，作為礦物摻合料使用。由于制備過程和用途的不同，外摻石粉與同源石粉（指機制砂自身所帶石粉）在細度、MB 值等方面存在差異，因此有必要對外摻與同源石粉進行區分，研究二者在水泥基材料中的應用性能，以更好地指導機制砂在混凝土中的應用。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥采用 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為Ⅱ級灰，需水比為 96%；礦粉為 S95，比表面積為 415m2/kg。水泥的性能指標結果見表 1。

表1 水泥的主要性能指標

（2）外摻石粉為石灰石經水洗、烘干、破碎、粉磨等系列工藝制得，75μm 方孔篩篩余不超過 10%；同源石粉為機制砂石粉經過 75μm 方孔篩，篩余不超過 10%。表 2 為不同石粉主要性能指標對比。

表2 外摻和同源石粉主要性能指標對比結果

表2 指標看，外摻石粉和同源石粉在細度相近的情況下，有著不同的 MB 值。

（3）外加劑為聚羧酸外加劑，含固量為 15%，推薦摻量為 1.0%～3.0%。

1.2 試驗方法

（1）摻加石粉的水泥凈漿流動度：取不同石粉摻量的水泥，按照 GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》，取 300g 水泥、87g 水，外加劑摻量為純水泥凈漿初始流動度 (240±5)mm 的用量，測試兩種石粉加入后水泥凈漿流動度和經時損失。

（2）水泥膠砂強度試驗參照 GB/T 17671—2019《水泥膠砂強度試驗方法》，采用水膠比 0.4，外加劑采用砂漿擴展度 (140±5)mm 時的摻量，覆膜養護 24h 后拆模，進行標準養護，測試摻入石粉后的水泥抗折和抗壓強度。

（3）混凝土坍落度和擴展度試驗按 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行。混凝土力學性能參照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行成型和標準養護，測試混凝土 7d 和 28d 抗壓強度。

（4）混凝土碳化試驗參照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，測試摻入一種石粉后的混凝土 28d 碳化深度。

（5）混凝土 SEM 樣品制備：取兩種石粉摻量 10%，按照 C30 配比進行拌和成型，拆模后標養 28d 后破碎，用無水乙醇進行浸泡，終止水化待測。

2 試驗結果及討論

2.1 水泥凈漿流動度

設定石粉摻量為 0%、10%、20%、30%、40%、50%，測試兩種石粉替代水泥后對凈漿流動度的影響，測試結果見表 3。

表3 結果顯示，隨著外摻石粉的加入，水泥凈漿流動度先增加后降低，這是因為適量的石粉可以優化膠凝材料的顆粒級配，發揮自身的形體效應[5]，對水泥漿體的流動性有促進作用，但隨著石粉量的增多，參與反應的水泥量下降，生成的水化產物數量減少，石粉產生的粘滯阻力增大，水泥凈漿流動度下降，到石粉摻量 50% 時，水泥凈漿流動度出現較大損失。同時，摻入 20% 以內的外摻石粉的水泥凈漿經時損失也小于純水泥組，石粉加入后降低水泥水化熱，延緩了水泥的水化速率，間接使得水泥凈漿經時損失降低。

表3 不同石粉對水泥凈漿流動度的影響 mm

而同源石粉由于 MB 值高于外摻石粉，盡管與外摻石粉平均粒徑相近，但仍然表現出對水分和外加劑較強的吸附性，在加入同源石粉后水泥凈漿初始流動度和經時損失均劣于同比例外摻石粉。

2.2 膠砂強度

有研究者發現石粉可以促進 Ca(OH)2的溶出，促進水泥水化，并伴隨有碳硅酸鈣和碳鋁酸鈣生成[6]，從而對水泥強度增長有利，但研究者確定的最佳石粉摻量因各自選材不同而有所差異。對摻入外摻和同源石粉后的水泥膠砂強度進行研究，結果見表 4 和圖 1。

表4 膠砂強度試驗結果

圖1 a) 結果顯示，外摻石粉和同源石粉加入后水泥膠砂 7d 和 28d 抗折強度均低于純水泥，且隨石粉摻量越高，水泥膠砂抗壓強度降低越多。但摻外摻石粉的水泥膠砂抗折強度損失低于同源石粉。

圖1 外摻石粉和同源石粉對水泥膠砂強度的影響

圖2 b) 反映出水泥抗壓強度受石粉摻量影響較大，外摻石粉從 0% 至 50%，水泥 7d 和 28d 抗壓強度先增加后降低，在石粉摻量 20% 時最高，之后摻量增加，水泥強度下降。摻同源石粉的水泥 7d 抗壓強度隨摻量增加而持續降低，28d 抗壓強度在其摻量 10% 時最高，之后開始下降。這說明適量的石粉可以發揮填充效應，促進水泥水化[7]，從而使得水泥抗壓強度提高。同源石粉由于 MB 值高于外摻石粉，對水分和外加劑的吸附較強[8]，使得硬化后的水泥石內部出現較多微裂紋，使得水泥強度下降。

2.3 混凝土性能

為研究摻入不同來源石粉對混凝土工作性能、力學強度以及耐久性的影響，選取 C30 混凝土，固定外加劑和用水量，測試結果見表 5 和表 6。

表6 同源石粉對混凝土性能的影響

表5 結果顯示，當外摻石粉在一定摻量范圍（20% 以內），混凝土初始坍落度和擴展度提高，且 1h 坍落度和擴展度經時損失也有所改善，這是因為外摻石粉較細，在膠凝體系中發揮了填充效應，使得漿體泌水通道減少，保水能力增強，混凝土相應的和易性也得到提高。當石粉摻量超過 20%，由于石粉的低活性[8]，使得漿體對骨料的粘聚作用下降，內部泌水通道增多，混凝土保水性和保坍能力也隨之下降。

表5 摻入外摻石粉的混凝土性能結果

與工作性能相對應的，混凝土 7d 強度和 28d 強度隨外摻石粉摻量增加先增加后降低，當石粉比例 20% 時混凝土抗壓強度最高，這是因為適量的外摻石粉能夠提供填充效應以及促進混凝土早期水化，使得硬化后的混凝土密實度提高，從而有利于強度增長。過量的石粉會降低水泥水化產物的生成量，使得混凝土界面過渡區弱化，漿體膠結能力下降。

外摻石粉能夠促進氫氧化鈣的溶出及參與水化使得體系堿度下降[9]，從而使得混凝土水化產物穩定性下降，從而使得外界的 CO2、SO2等酸性氣體更容易侵入，混凝土碳化深度下降。但同時可以看到，外摻石粉 20% 替代比例內，混凝土碳化深度下降較少，過量后混凝土碳化深度提高。

表6 為同源石粉對混凝土性能的影響，同源石粉摻比增加都會降低混凝土初始工作性能，且混凝土經時損失加大，但適量同源石粉所含的泥粉可以提高混凝土保水性[10]，使得混凝土和易性有所改善。同源石粉增加后混凝土強度都有所下降，但摻量在 20% 以內時降低較少，之后由于同源石粉帶來的混凝土內部結構劣化，使得混凝土下降幅度高于同摻量外摻石粉的混凝土。同時同源石粉含量的增加帶來了混凝土抗碳化性能的下降，且劣于外摻石粉的抗碳化能力。

3 結論

（1）相同摻量的外摻石粉和同源石粉對水泥凈漿流動度影響不同，外摻石粉在 20% 摻量以內有助于提高凈漿流動性，經時損失也較小，但超量后水泥凈漿流動度下降，經時損失加大。摻同源石粉的水泥凈漿流動度小于同摻量外摻石粉，且隨同源石粉摻量增加，水泥凈漿流動度降低，經時損失增大。

（2）無論是外摻石粉還是同源石粉，摻量增加水泥膠砂抗折強度都出現下降，且同源石粉的負面影響更大。隨著外摻石粉摻量增加，水泥 7d 和 28d 抗壓強度先增加后降低，在石粉摻量 20% 時最高，同源石粉對摻量更為敏感，摻量超過 10% 時，水泥抗壓強度出現下降。

（3）一定量的外摻和同源石粉可以提高混凝土的初始工作性能，同時有助于混凝土保坍性能提升；20% 以內的外摻石粉可以提高混凝土抗壓強度，使得減緩混凝土碳化發展；對于同源石粉，一定摻量范圍內石粉的填充作用可以部分抑制強度下降，與基準混凝土相當，但其摻量對混凝土的負面作用需要更多關注。