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1、石粉掺量对混凝土力学性能及耐久性的影响第12卷第3期2009年6月建筑材料学报J0URNAL0FBUIIDINGMATERIALSV01.12,No.3Jun.,2009文章编号:10079629(2009)03026606石粉掺量对混凝土力学性能及耐久性的影响郭育霞,贡金鑫,李晶(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024)摘要:通过研究外掺和内掺不同质量分数的石粉对混凝土工作性能,强度,弹性模量,干缩,渗透系数和抗冻性能的影响,确定了石粉的最佳掺量及掺入方式,并对其进行了机理分析.结果表明,当混凝土中外掺15-20(质量分数)石粉时,混凝土的力学性能及耐久性最好.关键词
2、:石灰石粉;混凝土;力学性能;耐久性中图分类号:TU528.0文献标识码:AInfluence0fMassFractionsofLimestonePowderonMechanicalPropertyandDurabilityofConcreteGUOYuxia.GONGJinxin,LIJing(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)Abstract:Aseriesofexperimentswerecarriedouttoinvestig
3、atetheeffectofstonepowdercontentanddifferentwayofmixtureontheworkability,differentageofcompressivestrength,modulusofelasticity,dryingshrinkage,coefficientofpermeabilityaswellasfreezingthawingresistanceofconcrete.Themechanismsofaction,thebestmassfractionsandoptima1wayofstonepowderwereanalyzed.Thestud
4、iesshowthattheperformanceofconcreteisthebestwhenthestonepowercontentiSbetween150Aand20.Keywords:limestonepower;concrete;mechanica1property;durability混凝土中常用的细集料主要是来自江河中的自然砂,随着混凝土工业的日益发展,江河中的自然砂已经很难满足人类的需要,在我国许多地方已经开始限制在江河中挖掘砂石.在很难获得河砂的情况下,河砂的价格开始不断上涨.为了获得相对便宜而且来源广泛的建筑材料,越来越多的工程中使用破碎的石灰石来替代河砂.但是在石灰石破碎
5、过程中会产生大量石粉,造成环境污染和资源浪费.如果能合理有效地利用这些石粉,不仅可以节约资源,还能改善环境,从而取得良好的经济效益和社会效益.关于石灰石粉(以下简称石粉)在混凝土中所起的作用有两种观点:一种认为石粉是一种惰性掺和料,它不参与水泥的水化过程,只是在混凝土中起集料微填充作用_1;另一种则认为石粉参与水泥的水化过程,并且对混凝土的工作性能,力学性能和耐久性都有一定影响.本文研究了在混凝土中将石粉以不同方式,不同掺量(质量分数,本文所涉及的掺量,含泥量,含水率,组成等除特别注明外均为质量分数)掺加时对混凝土工作性能,力学性能和耐久性的影响,确定了石粉的最佳掺量和掺入方式.1试验概况1.
6、1原材料水泥:大连小野田水泥有限责任公司生产的P?O42.5R普通硅酸盐水泥.细骨料:普通河砂,含泥量为1.9,细度模数收稿日期:20070920;修订Et期:200901-04基金项目:教育部创新团队资助项目(IRT0518)第一作者:郭育霞(1977一),女,山西阳城人,大连理工大学博士生.Email:gyx771221163.corn第3期郭育霞,等:石粉掺量对混凝土力学性能及耐久性的影响为2.88.试块制作时测得砂子的含水率为0.189/6.因其含水率较低且一直保持稳定,所以在试验过程中含水率的影响可忽略不计.粗骨料:普通碎石骨料,530mm连续级配.本试验采用的碎石全部经过筛洗,碎石
7、中的石粉含量可忽略不计.石粉:产自山东济南,比表面积为3757cm/g,用x射线荧光光谱仪对石粉的化学成分进行分析,结果见表1.水:自来水.表1石粉的化学组成Table1Chemicalcomposition(bymass)oflimestonepowderCaOSiO2MgOAlzOaFeeO3K2OSrOSO3Others90.63342.R11.3101010130090401.2配合比试验中混凝土的基准配合比为:m(水泥):(砂):(石粉):(减水剂):(水)一487.5:601.2:1116.4:5.606:195,水灰比为0.4.试验中考虑了6种外掺量(5,10,15,20,25,
8、3O)和3种内掺量(5,1O9/6,20),对应的试件标号分别为w5,WlO,w15,W20,W25,W30和N5,N10,N20.1.3试验方法(1)拌和物性能按普通混凝土拌合物性能试验方法标准(GB/T500802002)进行测试.(2)抗压强度按普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T50081-2002)进行测试.采用尺寸为150mm150mm150mm与100mm100Filmx100mm的立方体试件.试验机为多功能动态液压伺服万能试验机(3000kN).(3)弹性模量按GB/T50081-2002进行测试.采用尺寸为150mm1501Tim300mm的棱柱体试件,采用的试验机与抗压
9、强度试验相同.为了测量试件变形,在试件的对立面贴应变片.(4)于缩性能试验按普通混凝土长期性能和耐久性能试验规程(GBJ8285)进行.采用尺寸为100rnm100mrn515rnm的棱柱体试件.试件成型后标准养护1d,再移入干燥恒温室(202),相对湿度(605)内.将试件两侧磨平,每侧用AB胶固定一个薄玻璃片.试件竖直放在测量干缩的架子上,上面固定千分表,让玻璃片与千分表充分接触,记录干分表的数值,以此数值作为基本值.干缩龄期从测量此值后算起,分别在1,3,7,14,28,6O,90d时读数,记录其变形值.(5)抗渗试验参照GBJ8285进行.试件采用高150mm,顶面直径175mill,
10、底面直径1851Tim的圆台形试件.渗透性采用天津建筑仪器厂生产的HS一40型混凝土抗渗仪进行测量.(6)抗冻融耐久性按GBJ8285进行,试件尺寸为1001Tim100mlTl400rflm,龄期28d,冻融循环试验机为北京燕科公司生产的TRD1型混凝土冻融试验设备.动弹性模量采用天津建筑仪器厂生产的DT-8W动弹仪测试.2试验结果及分析2.1石粉掺量对混凝土工作性能的影响石粉掺量对混凝土工作性能的影响结果如表2所示.表2不同石粉掺量混凝土的工作性能Table2Workabilityofconcretewithdifferentlimestonepowdercontents从表2可见,在不改
11、变水泥含量即石粉外掺的情况下,混凝土坍落度随石粉掺量的增大而减小.未掺石粉的混凝土坍落度为1601Tim,石粉外掺量为5,10,15%,20,25和3O时,混凝土的坍落度分别减少了20,55,80,95,120,140ITlm.混凝土黏聚性也随着石粉外掺量的增加有较明显改善.当石粉外掺量达到15时,混凝土黏聚性由很差变为良好,混凝土保水性由不好变为较好,泌水情况得到明显改善.这是由于石粉的掺入增加了浆体的黏滞性,使混凝土拌和物的黏聚性增加,从而降低了混凝土拌和物的坍落度,减少了混凝土的离析泌水.同时,由于石粉的比表面积远高于砂子,因此随着石粉掺量的增加,必然导致包裹石粉所需的用水量增加,从而降
12、低了混凝土拌和物的流变性.内掺时,混凝土坍落度随石粉取代水泥质量的268建筑材料学报第12卷多少而产生较明显的变化.石粉内掺量为5,10,2O时,混凝土的坍落度分别增加了25,65,80mlTl,混凝土的黏聚性,保水性以及泌水情况则没有明显改善.由于石粉的比表面积略小于水泥,石粉与水泥间可相互发生填充效应,使颗粒问的空隙减少,空隙水量降低,自由水量增加,进而使混凝土拌和物的流变性能增大,故随着石粉取代水泥质量的增加,混凝土的坍落度不断增大.此外,石粉的密度(3.05g/cm.)与水泥密度(3.10g/cm)无明显差异,在胶凝材料总量不变的情况下,混凝土的含浆量几乎没有变化,固体的表面积相对水体
13、积的比例没有改变,故混凝土的泌水和离析没有明显改善.2.2石粉掺量对混凝土力学性能的影晌2.2.1石粉掺量对混凝土抗压强度的影响不同龄期的混凝土抗压强度.厂随石粉掺量的变化如图1所示,图中负号表示石粉为内掺.-20一l00l02U3Uw(1imestonepowder)/%图1不同龄期混凝土抗压强度与石粉掺量的关系Fig.1RelationshipbetweencompressivestrengthofconcreteindifferentageanddifferentlimestonepowderCOntentinconcrete从图1可以看出:石粉外掺时,混凝土各个龄期的强度随掺量的增加均
14、呈现先增加后减小的趋势.当石粉外掺量为2O时,混凝土的3,7,28d抗压强度都处于最高值,比不掺石粉时相应龄期的混凝土抗压强度分别提高了30.3,19.2和15.7;当石粉外掺量超过20时,由于过多石粉的加入,使得混凝土的级配不合理,粗颗粒的含量相对减少,骨架作用减弱,从而导致混凝土抗压强度下降.所以,石粉的外掺量以1520为最佳.从图l还可以看出:石粉对混凝土3d抗压强度影响最大,其次是7d抗压强度;石粉对混凝土抗压强度提高的幅度随混凝土龄期的增加而不断降低.可见,外掺石粉对混凝土早期强度的提高有较大帮助.其原因是石粉的加入促进了C.S的早期水化:水泥中的C.S开始水化时,会释放出大量的Ca
15、抖,并且Ca”+的迁移能力比SiO一离子团高得多.根据吸附理论,当Ca.扩散到CaCO.颗粒表面附近时,首先发生CaCO.颗粒表面对Ca的物化吸附作用,由于这种吸附,导致在水化中C.S颗粒周围的ca抖浓度降低,从而加速了c.s的水化,而C.S是水泥石强度的主要贡献者,故混凝土的早期强度得到了提高.从石粉外掺时混凝土3d抗压强度也可明显看出,无论石粉的外掺量是多少,混凝土的强度均比不掺石粉的混凝土高.当石粉内掺时,随着石粉取代水泥质量的增加,混凝土强度逐渐降低,其降低幅度随着龄期的增加而提高.当石粉内掺量为5时,混凝土的力学性能没有明显降低;内掺量为1O时,随着龄期的增加,混凝土强度明显降低,说
16、明石粉取代水泥时,混凝土早期强度的损失较少.为了进一步研究石粉对混凝土强度影响的微观机理,对未掺石粉的水泥石粉末与外掺20石粉的水泥石粉末进行X射线衍射试验,结果如图2,3所示.比较后可以发现:掺石粉的水泥石其XRD衍射图谱上Ca(OH)的数量明显降低,这说明有新的物质生成,只是因其含量较小,在XRD图谱上没有被发现.国内外许多研究也有相同的发现,并认为这种新生成物质是Ca.(CO.)(OH)?1.5HzO,即碱式碳酸钙.该物质的生成使得水化产物CsS和CaCO.之间微界面区结构变得更加紧密,c.s浆体.II0102O304O506020/(.)图2普通硅酸盐水泥水化28d后的x衍射图谱Fig
17、.2XRDdiagramofPortlandcementhydrated28dAZtl1_ll?.j.土.J5I.Li.-L一010203040506020/(.)图3外掺2o石粉水泥石水化28d后的x衍射图谱Fig.3XRDdiagramofconcretecontaining20limestonepowerhydrated28d第3期郭育霞,等:石粉掺量对混凝土力学性能及耐久性的影响269的力学性能有所提高.同时,由于大部分Ca(OH):在CaC0s表面而不是在特定的局部位置生长成大晶体,致使Ca(OH)晶粒细化,从而有利于界面黏结.碱式碳酸钙微晶体随着龄期增加而变得更完善,CaCO.表面
18、被蚀刻,因此,该新相的生成对过渡区有增强作用.从图3还可知,加入石粉后,水泥石的水化产物发生了明显变化,CaC0.与含铝相生成了碳铝酸盐(C.A?CaCO.?I1H.O),这种物质为六方板状结晶lE.这些结晶的尺寸在水化初期会迅速增大,并且转变为牢固连生的结晶聚集体.大量的连生体在碳酸钙颗粒表面生成密集的毡状堆积物和清晰的毛丛区,从而提高了黏结强度.C.A?CaC0.?11H.O与AFt共存,其水化产物高于单一的AFt水化层,使水分子和其他离子易于扩散,从而加速了C.A与石膏的作用_7,结果使C.ACaSO?H.O体系的抗压强度上升,有利于提高水泥石的抗压强度.2.2.2石粉掺量对混凝土抗折强
19、度的影响混凝土28d抗折强度随石粉掺量的变化如图4所示.图4混凝土28d抗折强度与石粉掺量的关系Fig.4Relationshipbetween28dflexuralstrengthofconcreteandlimestonepowdercontentinconcrete从图4可以看出,无论是外掺还是内掺,石粉对混凝土抗折强度的影响规律与其对混凝土抗压强度的影响规律基本一致.混凝土抗折强度的高低与水泥石的抗压强度密切相关,抗折强度随水泥石抗压强度的增大而增大.前面已经证明石粉掺量对水泥石抗压强度的影响,石粉掺量对混凝土抗折强度的影响有着同样的规律.外掺量小于2O时,混凝土抗折强度随石粉掺量的增
20、加而增加.当外掺量大于2O9/5时,由于过多的石粉降低了混凝土过渡区的黏结性能,从而降低了混凝土的抗折强度.石粉内掺时,由于取代了水泥从而降低了水泥石的强度,故混凝土抗折强度随石粉掺量的增加有所降低.2.2.3石粉掺量对混凝土弹性模量的影响图5为混凝土弹性模量随石粉掺量的变化.图5混凝土28d弹性模量与石粉掺量的关系Fig.5Relationshipbetween28delasticimodulus0fconcreteandlimestonepowdercontentinconcrete由图5可见,石粉外掺量分别为5%00,10%,15,20,25时,混凝土的28d弹性模量分别提高了3.5,4
21、.6,5.4%,6.7,4.500;混凝土外掺30石粉时,混凝土弹性模量与未掺石粉的普通混凝土基本一致.由图5还可以看出,石粉掺量对混凝土弹性模量的影响与它对混凝土强度的影响规律相同,说明混凝土强度与弹性模量之间有着密切的关系.3石粉掺量对混凝土长期变形性能的影响石粉掺量对混凝土变形(即干缩)性能的影响结果见表3.表3不同石粉掺量下混凝土的变形性能Table3Deformationofconcretewithdifferentlimestonepowdercontents由表3可以看出:外掺时,石粉掺量对混凝土干缩性能的影响随干缩龄期的不同而不同,3d干缩率随石粉掺量的增大而逐渐增大;714d
22、的干缩率在石粉掺量小于15时,随石粉掺量的增加而增大;而在15d之后,石粉掺量小于10时,干缩率随石粉掺量的增加而增大,石粉掺量大于lO时,干缩率随龄期的增加而逐渐降低,外掺15,2O,25,3O石粉时,混凝土90d的干缩率分别降低了3.69/6,9.0,13.09/6,16.0.究其原因,是石粉27O建筑材料学报第12卷的加入加速了水泥的水化反应,并且在加速水化硅酸钙和水化铝酸钙形成的同时,其自身与氢氧化钙和水化铝酸钙发生反应生成水化碳铝酸钙晶体,从而造成混凝土早期干缩增大的趋势,这种作用效应在石粉掺量小于15时一直占强势,且石粉掺量越高,效应越明显;但当石粉掺量超过15时,大部分的石粉填充
23、了胶凝材料空隙,使混凝土结构更加密实,反而抑制了混凝土的收缩.故外掺时,石粉对混凝土干缩的作用是正反两方面的,这是由石粉的加速效应和填充效应共同作用而产生的.石粉内掺时,混凝土的干缩在任意龄期时都随着石粉掺量的增大而增大,内掺10,2O石粉时,混凝土90d干缩率增大了1.9,5.9.对于内掺石粉对混凝土干缩性能的影响,除了以上原因外,石粉对水泥水化的加速效应也是造成混凝土早期干缩增大的一个重要原因.研究表明,水泥水化所需的用水量只占水泥质量的25左右(即水灰比为0.25),而随着石粉的加入,水泥用量不断减少,但用水量不变,远高于水泥水化所需要的水分,混凝土中多余,可蒸发的水越来越多,故随着石粉
24、掺量的增多及龄期的加长,混凝土干缩逐渐增大.尽管石粉对混凝土的干缩有一定的抑制作用,但十分有限,故内掺石粉对抑制混凝土干缩是不利的.4石粉掺量对混凝土耐久性的影响石粉掺量对混凝土抗渗性以及抗冻性能的影响见表4.由表4可以看到,石粉外掺量在2O%范围内,表4不同石粉掺量下混凝土的耐久性Table4DurabilityofconcretewithdifferentlimestonepowdercontentsPermeabilitycoefficientSk/(mlTl?h)混凝土的渗透系数s随石粉外掺量的增加而逐渐降低.内掺时,渗透系数随石粉取代水泥质量的增加而增大.石粉对混凝土抗冻性能的影响与
25、其对混凝土抗渗性能的影响类似.石粉对混凝土抗渗性及抗冻性的影响主要是因为它改善了混凝土的密实度,主要体现在以下几点:(1)微集料填充效应.石粉的掺入填充和优化了硬化后混凝土的孔隙结构,提高了新拌混凝土的均一性,不但使毛细孔得到细化,而且使孔隙率减小,从而使得孔结构改善,同时也改善了水泥石之间的界面过渡区.(2)活性效应.活性效应是指石粉中的碳酸钙CaC0.在与水泥中的C.A反应生成碳铝酸盐的同时,还改善了石粉颗粒的表面状态,有利于石粉颗粒与水化产物间的黏结,改善并细化了孔结构.(3)晶核效应.石粉会加速C.S的水化,从而使水化产物增多,并避免了晶体的集中生长,降低了孑L隙率.(4)吸水效应.尽
26、管石粉可以促进硅酸盐的水化和各种铝酸盐反应,但它不是一种胶结材料_s.掺人石粉后使得混凝土的实际水灰比小于同配比的普通混凝土,从而使水化产物变少了,混凝土的密实性也就相应变差了.5结论1.由微观分析可知,石粉的填充效应,晶核效应,活性效应,吸水效应以及形态效应的共同作用,促成了混凝土性能的改善.2.混凝土的坍落度随石粉外掺量的增大而逐渐减小,但随石粉内掺量的增大而增大.石粉的外掺改善了混凝土的保水性,黏聚性以及泌水性.3.石粉对混凝土早期抗压强度的影响较为明显.当石粉外掺量达到2O时,混凝土3,7,28d抗压强度分别提高了3O.49/5,19.1,15.7.石粉外第3期郭育霞,等:石粉掺量对混
27、凝土力学性能及耐久性的影响掺量超过2O时,随石粉掺量的增加,混凝土抗压强度明显降低,外掺30石粉时混凝土的抗压强度与不掺石粉时普通混凝土的抗压强度相当.内掺时,只有当石粉内掺量为5时,混凝土的3,7,28d抗压强度无明显变化,力学性能较好.4.石粉掺量对混凝土抗折强度的影响与其对混凝土抗压强度的影响类似.当石粉外掺量达到2O时,混凝土28d抗折强度提高了26.1%;内掺时,只有当石粉内掺量为5时,混凝土抗折强度无明显变化.5.外掺时,当石粉外掺量低于20时,混凝土的弹性模量随石粉外掺量的增加不断增加,当石粉外掺量低于2O时,混凝土的弹性模量随石粉外掺量的增加而降低;内掺时,昆凝土的弹性模量随石
28、粉内掺量的增加而降低.6.石粉掺量对混凝土干缩性能的影响随干缩龄期的不同而不同,是由石粉的加速效应与填充效应共同作用完成的.石粉外掺量小于15时,其加速效应起主要作用,但过多石粉的加入会抑制混凝土的干缩.石粉内掺时,混凝土干缩随内掺量的增加不断增大.7.当石粉外掺量在2O9/6范围内,石粉的抗渗透系数和抗冻性能随石粉外掺量的增加而提高;内掺时混凝土的耐久性随石粉取代水泥质量的增加而逐渐变差.参考文献:1吴明威,付兆岗,李铁翔,等.机制砂中石粉含量对混凝土性能影响的实验研究J.铁道建筑术,2000,26(4):4649.WUMingwei,FUZhaogang,LITie-xiang,eta1.
29、ExperimentalresearchontheeffectofcrusherdustcontentonconcreteperformanceJ3.RailwayConstructionTechnology,2000,26(4):4649.(inChinese)E2PUTERMANM,MALORNYW.SomedoubtsandideasonthemierostructureformationofPCCJ.CementandConcreteResearch,1998,18(4):166-178.3胡曙光,李悦,陈卫军,等.石灰石混合材掺量对水泥性能的影响J.水泥工程,1996,23(4):2
30、224.HUShuguang,LIYue,CHENWeijun,eta1.ImpactofchargeoflimestoneasadditiveuponpropertiesofcementJ.CementEngineering,l996,23(4):2224.(inChinese)4RAHHALV,TALEROR.EarlyhydrationofPortlandcementwithlimestonemineraladditions,J.CementandConcreteResearch,2005,35(7):12851291.Is陆平,陆树标.CaCO.对C3S水化作用的影响lJ.硅酸盐学报,
31、1987,l5(4):289294.LUPing,LUShubiao.EffectofcalciumcarbonateonthehydrationofC3SJ.JournaloftheChineseCeramicSociety,1987,15(4):289294.(inChinese)6李悦,胡曙光,杨德坡,等.铝酸盐矿物与碳酸钙的水化活性作用J.河北理工学院学报,1996,27(5):5457.LIYue,HUShuguang,YANGDepo,ela1.Hydrationactivityreactionbetweenthealuminatemineralsandcalciumcarbona
32、teJ.JournalofHeheiInstituteofTechnology,1996,27(5):5457.(inChinese)7ZHOUMingkai,PENGShaoruing,XUJian,eta1.Effectofstonepowderonstonechippingsconcrete,J.JournalofWuhanUniversityofTechnology,1996,11(4):2934.83徐定华,徐敏.混凝土材料学概论M.北京:中国标准出版社,2002.XUDinghua,XUMin.GeneralityofconcretematerialM.Beijing:StandardsPressofChina,2002.(inChinese)