王雨利， 蔡基偉， 楊 雷， 羅樹瓊

（1.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000；2.河南大學(xué)材料與結(jié)構(gòu)研究所，河南開封475004）

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

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

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

采用華新P·C 32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，其主要性能指標(biāo)見表1；細(xì)集料為武漢河砂（RS）和華生石灰?guī)r機(jī)制砂（MS），其主要性能指標(biāo)見表2，級(jí)配組成見表3.

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

表2 細(xì)集料的主要性能指標(biāo)Table 2 Main property index of fine aggregate

表3 細(xì)集料的級(jí)配組成Table 3 Gradation composition of fine aggregate

1.2 試驗(yàn)方法

水泥砂漿耐磨試件尺寸150mm×150mm× 30mm，試驗(yàn)按照J(rèn)TG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行.試件的磨耗量按式（1）計(jì)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(zhì)量，kg；m2為試件磨損后的質(zhì)量，kg.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 石灰石粉對(duì)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(zhì)量取代河砂和機(jī)制砂，改變其各自石粉的含量，來(lái)研究武漢河砂和石灰?guī)r機(jī)制砂在石灰石粉含量不同時(shí)，對(duì)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(yàn)結(jié)果見表4，其中水粉比mw／mp為水與水泥和石灰石粉質(zhì)量之和的質(zhì)量比.

表4 石灰石粉對(duì)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(shù)先減小，后增大；當(dāng)石灰石粉摻量為15%時(shí)，其耐磨系數(shù)最小，較未摻石灰石粉時(shí)減小了35%，也可以說河砂砂漿耐磨能力提高了35%；當(dāng)石灰石粉摻量為20%時(shí)，砂漿耐磨系數(shù)也較未摻石灰石粉時(shí)有所減小，其減小幅度為20%；當(dāng)石灰石粉摻量為30%時(shí)，砂漿耐磨系數(shù)較未摻時(shí)略大.這說明，當(dāng)石灰石粉在摻量不超過20%時(shí)，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(duì)石灰?guī)r機(jī)制砂砂漿耐磨能力的影響與河砂相似，其耐磨系數(shù)也是隨著石灰石粉摻量的增大先減小，后增大；當(dāng)石灰石粉摻量為10%時(shí)，石灰?guī)r機(jī)制砂砂漿耐磨系數(shù)最小，較未摻時(shí)減小了21%；但當(dāng)石灰石粉摻量增大為15%時(shí)，其耐磨系數(shù)迅速變大，較未摻時(shí)增大了19%，耐磨系數(shù)值為3.52kg／m2，大于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的中輕交通路面與橋面28d磨耗最大值3.0kg／m2，即石灰?guī)r機(jī)制砂的石灰石粉最佳摻量為10%，且不應(yīng)超過10%.

2.2 機(jī)理分析

2.2.1 顯微硬度測(cè)試

王雨利等[12]采用濕堆積密度法測(cè)試了水泥與石灰石粉混合后的密實(shí)度，得出石粉摻量在15%以內(nèi)可增大二者的密實(shí)度，且變化規(guī)律與石灰石粉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能的改善相似的結(jié)論.為了進(jìn)一步探索石灰石粉對(duì)混凝土性能的改善機(jī)理，采用上海尚光顯微鏡有限公司生產(chǎn)的HXS－1000型智能顯微硬度儀，測(cè)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(cè)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(cè)試結(jié)果見圖2.

圖1 水泥石的顯微硬度測(cè)試壓痕圖Fig.1 Micro－h(huán)ardness test of hydrated cement

圖2 水泥石的顯微硬度Fig.2 Micro－h(huán)ardness of hydrated cement

由圖2可以看出，水泥石與骨料的界面過渡區(qū)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(dāng)石灰石粉摻量為10.5%時(shí)，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(qū)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(qū)的硬度逐漸增大，這說明石灰石粉改善了界面過渡區(qū).

2.2.2 SEM測(cè)試

石灰石粉在水泥水化過程中可起到晶核作用，誘導(dǎo)水泥的水化產(chǎn)物析晶，加速水泥水化，石灰石粉還對(duì)鈣礬石向單硫型轉(zhuǎn)化有阻止作用，從而提高混凝土性能[13－15].為了進(jìn)一步研究石灰石粉對(duì)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(yàn)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(yàn)配合比Table 5 Mix proportions of cement mortar in test

圖3 水泥砂漿的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photos of cement mortar

由圖3（a），（c），（e）可以看出，7d的水泥砂漿，當(dāng)未摻石灰石粉時(shí)，C－S－H的形貌為纖維狀粒子，且顆粒之間有一定的空隙；當(dāng)石灰石粉摻量為5%時(shí)，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(wǎng)絡(luò)狀粒子，較未摻時(shí)的C－S－H凝膠數(shù)量明顯增多；當(dāng)石灰石粉摻量為10%時(shí)，顆粒間的空隙有變大趨勢(shì)，C－S－H的形貌又演變?yōu)槔w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(chǎn)物的增多，水泥石變得更加密實(shí)，C－S－H的凝膠逐漸演變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)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(yīng)和化學(xué)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(shí).

3 結(jié)論

（1）砂中含有一定比例的石灰石粉，其對(duì)水泥砂漿的耐磨能力有提高作用.其中當(dāng)細(xì)集料為河砂時(shí)，水泥砂漿中的最佳石灰石粉摻量為15%；當(dāng)細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂時(shí)，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(cè)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(qū)；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(shí).

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