陳學(xué)雄

(福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，福州 350001)

1 引言

福建省作為石材大省， 在石材生產(chǎn)過程中形成了大量廢棄石粉漿，其中，廢漿中含水約為50%，通過壓榨、烘干可獲得石材廢棄石粉。 通過相關(guān)研究顯示，每年，福建省生產(chǎn)板材產(chǎn)生了約1.2 千萬噸的石材廢棄石粉。 石粉廢棄石粉主要以石灰石粉、大理石粉(以CaCO3為主)和花崗巖石粉(以SiO2、Al2O3為主)為主，這兩類石粉對水泥混凝土性能的影響存在著差異， 為更加具體地研究石材廢棄石粉作為混凝土摻合料對水泥混凝土的水化硬化過程的影響， 本文利用掃描電鏡對摻石材廢棄石粉的水泥凈漿進行微觀結(jié)構(gòu)觀察， 以探明不同石材石粉對混凝土的水化過程的作用機理。

2 原材料性能

2.1 水泥

本次試驗選取了福建閩福水泥P·O42.5， 物理性能指標如表1 所示：

表1 水泥物理性能

2.2 石粉

試驗選用了3 種石粉，即石灰石石粉、花崗巖石粉、大理石石粉。 性能指標如表2 所示：

表2 3 種石粉性能指標

2.3 水

拌和用水為普通飲用水。

3 試驗設(shè)計與方法

3.1 石粉-水泥膠砂強度試驗

抗壓強度比反映的是石粉作為摻和料對混凝土強度的影響程度，雖然有學(xué)者指出，石粉并不具有活性，但是作為混凝土質(zhì)量控制指標是必要的。 故本試驗針對3 種石粉開展了抗壓強度比試驗，試驗方案見表3。

表3 石粉試驗方案

3.2 石粉-水泥水化機理研究

試驗水泥凈漿采用0.5 的水膠比，并將大理石粉、花崗巖石粉和石灰石粉分別以10%、20%、30%和50%的比率取代水泥，試驗配比見表4，試件尺寸為10mm×10mm試塊。

當凈漿試件標準養(yǎng)護齡期達到1d、7d 和28d 時，從經(jīng)過標準養(yǎng)護的水泥凈漿試件中取面積約為1cm2的塊狀試樣，放入無水乙醇中至水化反應(yīng)中止。試驗前取出試樣，在烘箱中烘干，烘箱溫度設(shè)定為50℃，裝入封口袋，在干燥器中保存。在進行掃描電鏡試驗前，先在觀察面上鍍金， 然后放入掃描電鏡中抽真空， 觀測水泥凈漿微觀結(jié)構(gòu)。

表4 石粉-水泥凈漿配合比

4 試驗結(jié)果

4.1 石粉-水泥膠砂強度

由表5 可以得出：石灰石粉、大理石粉、花崗巖石粉7d 的抗壓強度比分別為73.8%、71.9%、66.7%，28d 的抗壓強度比分別為69.4%、66.3%、63.0%。。 同時也可以看出， 石灰石粉粉活性≥大理石石粉活性≥花崗巖石粉活性。

3 種石粉抗壓強度比試驗結(jié)果如表5 所示。

表5 3 種石粉抗壓強度比試驗結(jié)果

4.2 不同石粉對水泥水化的影響

為對比大理石粉、 花崗巖石粉和石灰石粉對水泥水化的影響， 分別選取了石粉摻量為20%時， 對水泥水化1d、7d 和28d 的影響。 從圖1 和圖3 可以看出，摻入大理石粉和石灰石粉時，對水泥水化的影響基本相同：在齡期1d 時，和基準水泥試件一樣，開始出現(xiàn)較多的Ca(OH)2和硫鋁酸鹽水化產(chǎn)物， 在7d 時生成大量的鈣礬石，28d 時C-S-H 凝膠、Ca(OH)2和鈣礬石互相交替，結(jié)構(gòu)物相互連接， 并未見明顯的石粉顆粒。 而從圖2 可以看出， 摻入20%的花崗巖石粉時，其1d 時，水化產(chǎn)物中未見明顯的鈣礬石，在7d 的SEM 圖片中，整體鈣礬石和Ca(OH)2 較少， 可見一些細小的石粉顆粒與水化產(chǎn)物相互膠結(jié)在一起；在28d 時，雖然仍可以看到花崗巖石粉顆粒，但水泥凈漿整體是較為密實的。

圖1 大理石粉摻量為20%時水泥凈漿SEM 微觀形貌

圖2 花崗巖石粉摻量為20%時水泥凈漿SEM 微觀形貌

圖3 石灰石粉摻量為20%時水泥凈漿SEM 微觀形貌

從3 種石粉的SEM 圖可以看出，大理石粉和石灰石粉由于其主要成分都為碳酸鈣， 兩種石粉對水泥水化的影響基本相同。 結(jié)合3.1 石粉-水泥膠砂強度研究，可知大理石粉和石灰石粉的CaCO3參與了水泥的水化過程，CaCO3作為核心為晶體的生長提供了結(jié)晶核， 在碳酸鈣微粒表面能吸附C3S 水化時釋放出的大量Ca2+，使得C3S顆粒周圍的Ca2+離子濃度降低，使C3S 水化加速，并隨著水化的進行，逐漸與水泥水化產(chǎn)物融合為一體。從圖1 和3 也可以看出， 在摻了20%石粉的水泥凈漿中并未發(fā)現(xiàn)明顯的石粉顆粒。而花崗巖石粉主要由Al2O3 和SiO2 組成，二者占總組分的70%～80%，從圖2 可以看出，摻入花崗巖石粉后，水泥水化產(chǎn)物較少，而且可以看見明顯的石粉顆粒，這表明在花崗巖石粉是一種惰性材料，并未參與水泥水化過程。所以，摻石灰石粉和大理石粉的抗壓強度比相對于摻花崗巖石粉的抗壓強度比要高一點。但是，由于花崗巖石粉的粒徑級配比水泥粒徑小， 因而在水泥中產(chǎn)生微集料效應(yīng)，起到填充水泥水化產(chǎn)物的作用，花崗巖石粉可以填充到界面的孔隙中， 使水泥石結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)更為致密，因而在較少摻量時，水泥混凝土的強度下降并不明顯。

4.3 石粉摻量對水泥水化的影響

為進一步研究石粉摻量對水泥水化的影響， 選擇大理石粉摻量為10%、20%、30%和50%的水泥凈漿進行SEM 掃描電鏡觀察。由圖4 和圖5 可以看出，石粉摻量小于20%時，大理石粉的摻入，對水泥水化的水化進程、水化產(chǎn)物以及水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)形貌和界面都影響不大，其SEM 圖片與基準水泥的SEM 圖差別不大， 在7d 生成大量的Ca(OH)2和鈣礬石Aft；在28d 時，Aft 由針狀變成柱狀， 結(jié)構(gòu)開始變得致密； 整個水化過程未見明顯石粉顆粒。 而大理石粉摻量到30%時(圖6)，水泥水化產(chǎn)物開始出現(xiàn)較為明顯的變化，可見石粉顆粒分散在水化產(chǎn)物中，并未與水泥水化產(chǎn)物良好的銜接為整體。 整個水化過程的水泥的水化產(chǎn)物較少。 當石粉摻量達到50%時(圖7)，這種情況更加明顯， 在7d 時到處為分散的石粉顆粒，而幾乎未發(fā)現(xiàn)鈣礬石，在28d 時，水化產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)大量的單硫型水化硫鋁酸鈣AFm，說明水泥中的硫酸鹽已經(jīng)不足以支持C3A 水化，AFt 會逐漸轉(zhuǎn)化為AFm，這從側(cè)面證實摻入大理石粉可以促進水泥的水化。

圖4 大理石粉摻量為10%時水泥凈漿SEM 微觀形貌

圖5 大理石粉摻量為20%時水泥凈漿SEM 微觀形貌

圖6 大理石粉摻量為30%時水泥凈漿SEM 微觀形貌

圖7 大理石粉摻量為50%時水泥凈漿SEM 微觀形貌

5 總結(jié)

通過石粉-水泥膠砂強度試驗及對摻入石粉的水泥凈漿進行SEM 微觀分析，可得出以下結(jié)論：

(1)石灰石粉粉活性≥大理石石粉活性≥花崗巖石粉活性。

(2)大理石粉和石灰石粉對水泥的水化影響機理基本相同，可促進水泥的水化作用，而花崗巖石粉僅起到填充作用，并未參與水化。

(3)在石粉摻量小于20%時，對水泥的水化產(chǎn)物影響不大。摻量大于20%時，石粉的摻入會減少水泥的水化產(chǎn)物，水泥水化產(chǎn)物不能有效包裹石粉顆粒。