1.3 石粉及其在混凝土中的作用机理

对于天然砂而言，粒径小于75μm的颗粒被称为泥粉（muddust）。泥粉多为黏土、云母及有机质等杂质，这些物质会显著增大混凝土的用水量，阻碍水泥的正常水化，降低水泥石与骨料之间的黏结，从而对混凝土的工作性、体积稳定性和耐久性都产生不利的影响。因此，需要严格限制天然砂中粒径小于75μm颗粒的含量，即含泥量。

对于机制砂而言，粒径小于75μm的颗粒被称为石粉（stonepowder）。一般在刚破碎出来的原状机制砂中会含有10%～20%的石粉。石粉是机制砂生产过程中的副产品，其物理、化学性能与母岩性质完全相同，应与天然砂中的泥粉区分对待。因此，对机制砂中石粉的作用机理研究，一直是机制砂混凝土性能研究的重点和热点。

1.3.1 机制砂中石粉的化学组成与形貌特征

1.化学组成（chemicalcomposition）

石粉的化学组成随生产机制砂所采用的母岩而变化（表1.1）。由于岩石形成过程存在的差异，即使种类相同，其化学成分也会随原岩所含杂质种类和含量不同而出现有较大的变化。总体而言，石灰岩和由石灰岩、白云岩、白云质灰岩等碳酸盐岩石经区域变质作用或接触变质作用形成的大理岩，化学成分以氧化钙（CaO）为主，由于碳酸盐分解造成的烧失量一般在40%左右；石英岩、花岗岩、片麻岩、玄武岩和辉绿岩的化学成分以二氧化硅（SiO₂）为主，氧化铝（Al₂O₃）为次，其中辉绿岩还含有较高含量的三氧化二铁

（Fe₂O₃）。·4·

表1.1

石粉的化学成分

Table1.1

Chemicalcompositionofstonepowder

%

石粉的矿物组成可以通过X射线衍射（XRD）定性分析，图1.1所示为一组石灰岩

图1.1 石粉XRD图谱

Fig.1.1 XRDpatternofstonepower

石粉的XRD图谱。通过图谱分析可知，开采石灰岩破碎的机制砂中石粉的矿物成分主要

为方解石（CaCO₃）和白云石[CaMg（CO₃）₂]，还有少量的α-石英（SiO₂）；卵石破碎

机制砂中石粉的主要矿物是CaMg（CO₃）₂，其次是CaCO₃和少量SiO₂。

2.形貌特征（morphologyfeatures）

机制砂中的石粉多数呈块状，稍具棱角，接近水泥或矿渣。图1.2所示为卵石破碎原状机制砂中石粉的电镜扫描（SEM）图像。

图1.2 石粉的SEM图像

机制砂中石粉的粒度分布可以采用激光衍射粒度分析仪测试。图1.3所示为卵石破碎原状机制砂中石粉粒度分布测试结果，图1.3（a）所示为各粒级所占总量百分率，图1.3（b）所示为各粒级的通过率。可见，石粉颗粒分布均匀连续，原状石粉的平均粒径

Fig.1.2 SEMmicrographs

ofstonepowder

为24.21μm，其中小于10μm的颗粒占27.3%，10～30μm的颗粒占28.3%，30～75μm的颗粒占45.4%。

图1.3 石粉粒度分布

Fig.1.3 Finenessdistributionofstonepowder

图1.4所示为辉绿岩机制砂中石粉粒度分布及其与水泥和粉煤灰的对比情况。图中石粉累计通过率根据原文献数据^[31]，按粒径75μm进行了修正。可见，石粉中颗粒小于10μm的含量均在50%以上，石粉中微细颗粒的含量比水泥和粉煤灰还要高。

石粉的粒度分布还与机制砂的生产工艺相关。蔡基伟的试验表明^[26]：同样是石灰岩机制砂，两种风选原状石粉中小于

75μm的颗粒占69.9%和 80.2%，小于10μm的颗粒占24.7%和 28.2%，小于75μm的颗粒的平均粒径为22.16μm和

图1.4 辉绿岩石粉粒度分布

Fig.1.4 Finenessdistributionof

dibasestonepowder

24.29μm；另一种经过75μm筛筛分出来的石粉中，小于10μm的颗粒占60.2%，平均粒

径为14.89μm；所有过75μm筛子的风选石粉的比表面积在310～360m²/kg之间，接近

于水泥强度等级42.5普通硅酸盐水泥的比表面积。水洗原状石粉中小于75μm的颗粒仅

占43.1%，小于10μm的颗粒占9.1%，小于75μm的颗粒平均粒径为34.85μm，比表面积仅为200m²/kg左右。

1.3.2 石粉岩性对混凝土性能的影响

王稷良选取了石英岩、片麻岩、花岗岩、玄武岩、石灰岩、大理岩等6种具有代表性的岩石作为研究对象，为突出石粉岩性对水泥混凝土性能的影响，采取了以磨制石粉的方式进行对比性研究^[30]。结果表明：

石粉岩性变化对机制砂混凝土的工作性有一定影响，但无明显的规律性。机制砂配制出的混凝土强度要略高于天然砂混凝土，但机制砂岩性变化对混凝土强度的影响不显著。同时，石粉岩性的不同，对水泥混凝土矿物掺合料的选取、使用及其活性效应的发挥没有显著影响。

石灰岩、大理岩等岩性石粉可以加剧水泥的早期化学收缩，但不同岩性石粉之间总体的化学收缩相差不明显。石粉作为掺合料加入混凝土时，可以延缓塑性开裂出现时间和提高混凝土的抗裂等级，且石英岩石粉对混凝土塑性开裂的改善效果略好于其他岩性石粉，但石粉岩性变化对砂浆及混凝土开裂敏感性与收缩的影响不显著。

当不同岩性石粉以掺合料的方式加入混凝土后，其抗氯离子渗透性能略有下降，而不同岩性石粉之间的变化对抗氯离子渗透性能基本无影响。当石粉掺量为15%时，石粉岩性变化对混凝土抗冻性基本无影响。在20℃条件下，不同岩性的石粉对砂浆抗硫酸盐侵蚀的影响基本无差异，加入石粉后硫酸盐侵蚀的类型仍为石膏结晶型侵蚀，其氢氧化钙

[Ca（OH）₂ ]和水化硅酸钙（C—S—H凝胶）受到严重溶蚀。

1.3.3 机制砂中石粉对混凝土微观结构的影响

1.微骨料填充作用（micro-aggregatefillingeffect）

石粉对混凝土的微骨料填充作用，表现在对混凝土密实性及其与密实性相关的技术性能的提高和改善。由图1.4可以看出，由于石粉的粒度略大或接近于水泥的粒度，可以起到增加浆体含量，填充机制砂因级配不良形成的堆积空隙，在混凝土中起到优化机制砂级配和丰富浆体含量的效果。同时，对于石粉而言，其形貌接近于水泥颗粒形貌，颗粒形状不规则、多棱角，因此石粉颗粒需要更多的包裹水，这也是机制砂中石粉含量较大时，混凝土的需水量增加和保水性提高的重要原因。

图1.5所示的两组试验结果表明：随着石粉含量的增加，机制砂的紧密体积密度先逐渐变大再降低，空隙率的变化规律与之刚好相反。石粉含量分别为13%和20%时，机制砂的紧密体积密度最大、空隙率最小，说明虽然机制砂颗粒分布不均不利于细骨料形成紧密堆积的效果，但适量的石粉可以改善机制砂的级配，填充机制砂颗粒之间的空隙。然而，过高的石粉含量将导致机制砂中细小颗粒过多，破坏机制砂的连续级配，使得高石粉含量的机制砂空隙率增大。

图1.5 石粉含量对机制砂紧密体积密度和空隙率的影响

Fig.1.5 Influencesofcontentofstonepowderonpackingdensityand

voidratioofmachine-madesand

研究表明^[33]：石粉能改善砂浆的泌水性能，随着砂中石粉含量的增加，砂浆泌水率随之减少。这是由于石粉含量的增多，相当于增加水泥净浆的数量，相应地减少砂之间的摩擦，从而改善了砂浆的保水性与和易性。砂中石粉含量对砂浆强度的影响随水灰比的变化而异，如果保持灰砂比不变，石粉含量从0递增至15%，其强度指标也随之增大。当水灰比为0.55时，抗压强度可提高3%～24%，抗拉强度可提高1%～9%；水灰比为0.65时，抗压强度可提高4%～15%，抗拉强度可提高4%～10%。当砂中石粉含量为15%时，砂浆强度最高。当石粉含量增至20%时，强度则呈现下降的趋势。

文献[30]采用压汞测孔法（MercuryIntrusionPorosimetry，MIP）测试水泥石的

孔结构，研究了石粉在机制砂混凝土中的填充效果。试样采用模拟混凝土的砂浆，水泥与机制砂的比例为1∶1.5，水灰比为0.32，以石粉等质量取代机制砂。当石粉含量低于7%时，随石粉含量的增加，混凝土中孔隙得到细化，最可几孔径（mostprobableaper-ture）降低，无害孔的数量明显上升。但当石粉含量大于10%时，随石粉含量的增加，最可几孔径开始增大，无害孔的数量降低。对于机制砂砂浆而言，石粉含量的增加相当于降低了砂浆的总水胶比，将明显地降低砂浆的总孔隙率。

因此，适量的石粉改善了机制砂的颗粒堆积密度，具有很好的微骨料填充作用，增加了浆体和界面过渡区的密实度，从而提高了混凝土的密实度。但是，石粉含量增大并超过合理值时，则不利于混凝土的密实，从而导致抗压强度有所降低。

2.活性效应（activityeffect）

大量的研究集中于对石灰岩机制砂中的石粉，对其他岩性机制砂中石粉的研究则较少。尽管如此，由于制备机制砂采用的石灰岩品质不同，也导致了研究结果之间的差异。一些研究结果认为，石粉不具有活性，在水泥混凝土体系中仅起填充作用，不具有水化及胶结作用。一些研究结果则认为，石灰岩与大理岩等碳酸盐含量较高的石粉，在混凝土凝结硬化过程中具有一定的活性效应，一种可能是石粉中的碳酸钙（CaCO₃）参与铝酸三钙

（C₃A）的水化反应生成水化单碳铝酸钙（Ca₄Al₂O₆ · CO₃ ·11H₂O）或半碳铝酸钙

[Ca₄Al₂O₆·（CO₃）_0.5（OH）·11.5H₂O]，阻止钙矶石向单硫型转化；CaCO₃也参与硅酸

三钙（C₃S）的水化反应生成碳硅钙石[Ca₇（Si₆O₁₈）（CO₃）·2H₂O]^[34]；另一种可能是在

硅酸盐矿物水化中，少量的石灰石颗粒能进入C—S—H凝胶结构中形成碳化水化硅酸钙^[35，36]。当骨料处于水泥所形成的高碱性环境下，骨料会逐渐发生微弱的化学反应，最为显著的就是碱骨料反应。水泥与骨料之间微弱的化学反应会使硬化后的水泥石与骨料之

间的界面过渡区（InterfacialTransitionZone，ITZ）更加密实，使二者之间的黏结力更

强。机制砂中的石粉与配制混凝土所用骨料岩性相同，可以看作混凝土中的微骨料，除了具有微骨料通常的填充作用，也具有微弱活性，可以与水泥发生化学反应^[26]。

Bonavetti和Irassar研究了石粉对砂浆性能的影响^[37]。试验采用从原料为石灰岩、石英岩和花岗岩制作成的机制砂中筛分获得的石粉（比表面积依次为455m²/kg、457m²/kg

和912m²/kg）等质量取代天然砂，当石粉含量为5%、10%、15%和20%时，砂的细度

模数依次为2.85、2.70、2.57和2.42。水泥为普通硅酸盐水泥，未掺石粉的对比砂浆水灰比为0.48～0.58。掺加石粉后，保持灰砂比（1∶3）不变，通过调整用水量使新拌砂浆的扩展度满足110%±5%。结果表明：随着石粉含量的增加，砂浆的用水量增加；石灰岩石粉用水量最大，缘于其比表面积最大；花岗岩石粉用水量较大，缘于其含有的云母。石粉含量为10%时，用水量快速增加；石粉含量为20%时，用水量增加了17%。掺加石粉的砂浆抗压强度均高于对比砂浆。掺加石英岩石粉的砂浆，在龄期7d、28d及90

～180d时，抗压强度分别提高了13%～33%、6%～21%和4%～10%。掺加花岗岩石粉

的砂浆抗压强度则没有明显的规律，龄期7d时，仅石粉含量5%的砂浆抗压强度有所增加；龄期28d、90d和180d时，石粉含量5%～10%的砂浆抗压强度高于对比砂浆；含量15%和20%的砂浆在各个龄期的抗压强度均低于对比砂浆。抗折强度的变化规律与抗压强度一致。掺加石灰岩石粉使砂浆的7d强度得到迅速增加（44%～72%），在后期也高于对比砂浆。掺加石粉的砂浆孔隙率随石粉掺量增加而增加，但均低于同一水灰比的对比砂浆。掺加石粉提高了砂浆中水泥的水化度，其中石灰岩石粉使得水泥在龄期7d的水化度明显增大，缘于石灰岩石粉加快了水泥中C₃A和C₃S的水化反应，生成了水化碳铝酸钙，加快了氢氧化钙的结晶速率，改善了C—H—S凝胶体。

3.对水泥水化反应的晶核效应（crystalnucleieffectoncementhydration）

周明凯等对石粉替代5%～10%水泥的胶砂性能和掺加6%～10%石粉的机制砂混凝土性能进行了试验研究，采用SEM、XRD和热分析技术测试了胶砂成型后1d和7d的微观结构、XRD图谱和水化放热曲线^[38]。结果表明：石粉对水泥胶砂和混凝土均具有增强作用，同时增加了机制砂混凝土拌合物和易性；从SEM图和XRD图谱均发现了在石粉含量5%时，胶砂样本出现水化碳铝酸钙（C₃A·CaCO₃·11H₂O），同时水化产物在石粉表面沉淀、完好结晶并逐渐变大，水化放热峰值前移且放热周期缩短。证明石粉加速并参与了水泥水化反应，并在水泥水化反应中起晶核作用诱导水泥的水化产物析晶，生成了水化碳铝酸钙，并阻止钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙转化。由此，石粉作为晶核在水泥浆中的均匀分布，能够提高有效结晶产物含量而提高强度，对混凝土强度有提高作用。

章春梅等研究了掺加不同细度碳酸钙微骨料对C₃S水化的影响^[39]。结果表明：细而分散的CaCO₃起明显的晶核作用，加速了C₃S早期水化；粗颗粒的石灰石对C₃S早期水化无明显影响。但随着水化进行，粗、细颗粒石灰石表面都生长着大量C—S—H水化物，表明硅酸离子可能从水化C₃S颗粒附近迁移至CaCO₃颗粒表面。同时，CaCO₃的存在为Ca（OH）₂晶体提供了无数的核，使大部分Ca（OH）₂可能生长在CaCO₃颗粒表面。

Bonavetti等用细度为317～420m²/kg的石灰岩石粉作填充料（占水泥重量的20%以下），研究了不同水灰比水泥浆和混凝土的水化反应程度、水化产物体积^[40]。结果表明：在低水灰比的水泥浆中，水化程度随着石粉含量增加而增加；在高水灰比水泥浆中，水化产物体积和有效空间（theavailablespace）均随着石粉含量的增加而增加。混凝土强度取决于凝胶—空间比（gel-spaceratio），凝胶—空间比考虑了掺加石灰石粉引起水化程度增加、水泥浆稀释和有效水灰比增加的综合影响。

4.对骨料—水泥石界面的增强效应（enhancementeffectoninterfaceofaggregateto setcement）

王稷良研究了水泥石与骨料之间的界面性能^[30]。如图1.6所示，机制砂中石粉的加

图1.6 混凝土界面显微硬度

Fig.1.6 Microhardnessofinterfaceofconcrete

入可以改善界面过渡区的结构，使界面过渡区显微硬度提高，厚度变小，有利于强度的提高。同时，界面过渡区的变化并不随石粉含量提高一直增强，而是在石粉含量为10%时出现了一个临界值。当石粉含量小于10%时，界面过渡区的厚度从约40μm变为约20μm，显微硬度也逐渐提高；当石粉含量超过10%以后，随石粉含量的增加，界面过渡区显微硬度则不再提高；当石粉含量达到20%时，其界面过渡区的显微硬度开始出现下降趋势。从界面显微结构图还可看

出，随石粉含量的增加，混凝土中水泥石结构更加致密；但当石粉含量增加到20%时，在界面出现了大量的游离态石粉，从而降低了水泥石与骨料的界面黏结强度。

Kim等的试验结果表明^[41]，机制砂混凝土的断裂能比同条件下天然河砂混凝土的断裂能大，可能是由于机制砂混凝土中石粉含量改善了水泥浆与骨料界面的黏结，断裂能随抗压强度的增大而增加。

因此，石粉在混凝土中的填充作用与微骨料不同，微骨料完善水泥级配，石粉更多体现在对机制砂不良级配的弥补。石粉相对于水泥相当于外掺掺合料，对外加剂的吸附远小于水泥，可改善混凝土拌合物的工作性。石粉的活性及晶核效应，减少了硬化混凝土孔隙和有害大孔数量，改善混凝土的孔径分布，可明显提高水泥浆体与骨料界面强度，增加石粉对混凝土强度的贡献率。但是，当石粉含量较高时，水泥石中或界面过渡区处出现了游离态的石粉，将对混凝土起到一定的弱化作用。