摘 要

为了保护环境和保护资源，利用机制砂制备高性能混凝土是当前建筑材料领域研究的热点。石粉是机制砂中不可缺少的组分，有的机制砂中石粉含量高达10%以上，而不同岩性、不同掺量的石粉对混凝土的流变性能影响是不同的。流变性能是新拌混凝土非常重要的一种性质，它与混凝土建筑施工的质量有着不可分割的联系。因此，对不同岩性母材料制备的机制砂而言，其石粉含量对混凝土流变性影响的研究，具有非常重要的理论与应用价值。

本文模拟实际工程应用中机制砂石粉的不同含量，研究其对混凝土工作性的影响。在实验室分别将花岗岩、玄武岩和石灰岩磨至一定比表面积（与机制砂中石粉大致相同），分别研究不同掺量对水泥-粉煤灰复合浆体流变性能的影响。利用美国Brookfield公司生产的R/S-SST型流变仪来测定浆体流变性能的过程，研究的主要结论如下：

对于花岗岩和石灰岩石粉，加入少量(6%以下)会显著提高浆体流动性，过量(高于6%)则会使其作用减弱。掺入玄武岩后，发现并没有显著提高粉煤灰水泥浆体的流变性能。石灰岩石粉的效果最好，掺入6%左右比例的石灰岩石粉后浆体的剪切应力从300Pa左右降为100Pa左右，掺入花岗岩石粉降为150Pa左右，效果其次，而玄武岩石粉最差，只降了50Pa左右。

关键词：粉煤灰；水泥浆体；石粉；流变性；剪切应力

Abstract

In order to protect the environment and protect resources, the use of machine sand to prepare high performance concrete is a hot spot in the field of building materials. Stone powder is an indispensable component in the mechanism sand. In some cases, the stone powder content in the sand is as high as 10% or more, and the different lithology and different amount of stone powder have different effects on the rheological properties of the concrete. Rheological properties are a very important property of fresh concrete, and it is inextricably linked to the quality of concrete construction. Therefore, for the mechanism sand prepared by different lithological mother materials, the research on the influence of the stone powder content on the rheology of concrete has very important theoretical and practical value.

This paper simulates the different contents of the mechanism sandstone powder in practical engineering applications and studies its effect on the workability of concrete. The granite, basalt and limestone were ground to a certain specific surface area (same as the stone powder in the mechanism sand) in the laboratory, and the effects of different dosages on the rheological properties of the cement-fly ash composite slurry were studied. The R/S-SST rheometer produced by Brookfield, USA was used to determine the rheological properties of the slurry. The main conclusions of the study are as follows:

For granite and lime rock powders, adding a small amount (less than 6%) will significantly increase the fluidity of the slurry, and an excess (above 6%) will weaken the effect. After being incorporated into basalt, it was found that the rheological properties of the fly ash cement slurry were not significantly improved. The limestone rock powder has the best effect. After the limestone rock powder with a ratio of about 6%, the shear stress of the slurry decreases from about 300 Pa to about 100 Pa, and the granite powder is reduced to about 150 Pa, the effect is second, while the basalt rock powder is the worst. Dropped about 50Pa.

Key words: fly ash; cement paste; stone powder; rheology; shear stress

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及研究意义 1

1.1.1石粉的应用背景 1

1.1.2研究意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1石粉部分取代细骨料 2

1.2.2石粉用作混凝土掺合料 2

1.2.3硅灰石粉在造纸中的应用 3

1.2.4石粉在装饰工程的应用 3

1.2.5石粉在外墙砖生产中的应用 3

1.3石粉对水泥混凝土性能的影响 4

1.3.1石粉对水泥混凝土工作性能的影响 4

1.3.2石粉对水泥混凝土力学性能的影响 4

1.3.3石粉对水泥混凝土耐久性能的影响 4

1.3.4石粉对水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响 5

1.3.5石粉对水泥混凝土抗冻性能的影响 5

1.4研究内容和技术路线 6

1.4.1研究内容 6

1.4.2技术路线 6

第2章 原材料与实验方法 7

2.1实验原材料的选择 7

2.2实验原材料的分析 8

2.2.1水泥 8

2.2.3机制砂 8

2.2.4减水剂 9

2.3原材料的制备 10

2.4实验方法 10

2.5实验用料配料比 11

2.6实验步骤 12

2.6.1样品制备步骤 12

2.6.2样品测试步骤 12

第3章 结果与分析 13

3.1粉煤灰水泥浆体流变性能随时间的变化 13

3.2不同石粉对浆体流变性能影响的对比 14

3.3同一石粉不同掺量对流变性能的影响 15

3.3.1花岗岩石粉不同掺量对浆体流变性能的影响 15

3.3.2玄武岩石粉不同掺量对浆体流变性能的影响 16

3.3.3石灰岩石粉不同掺量对浆体流变性能的影响 17

第4章 结论与展望 18

4.1结论 18

4.2展望 19

参考文献 20

致 谢 24

第1章 绪论

1.1研究背景及研究意义

1.1.1石粉的应用背景

石粉，可以理解为石头的粉末。在地球上有许多石头种类，平时常见的石粉有石灰石粉、滑石粉、石英石粉等。在中国，石粉广泛分布于广西（贺州较多）、辽宁、北京、江西等地区。很多矿石可以被磨成粉末用作水泥石粉原料。石粉不光可以用作水泥原料，还可以用来制造塑料、钙片、衣服、牙膏等我们生活中常见的物品。另外，现在有一种超微细石粉，这种石粉广泛应用于工业产品中。近几十年来随着全球工程建设的兴起，许多工业原料都面临着短缺的问题，比如近年来不少地区出现粉煤灰供应非常紧张的情况。另一方面，石粉分布非常普遍，作为一种无害的物质极容易获取存量也很大。所以石粉作为一种新型掺合料，很快应用于现代工程中。

大理石和花岗岩是应用很广泛的石材，加工石材必然获得很多“废弃物”，这些废弃物的量在日益增长。近年来我国经济在飞速增长，随之也带来了一系列的环境问题，其中石材加工废弃物就是比较麻烦处理的一类。

1.1.2研究意义

由于人们对于石粉缺乏深刻的认识，不少人认为掺入石粉会影响混凝土的正常性能，许多石粉并没有得到充分的应用。石粉的堆积在各地都会造成不利的生态影响，严重的会危及到当地的生态平衡。废弃的石粉堆积对环境也会造成污染，因此寻找一种既经济环保又简便易行的处理措施是值得研究的方向。

现有的一种研究方向是将石粉作为混凝土掺合料，其他原料包括水泥、粉煤灰、水、外加剂和粗骨料，这种方法的目的在于减少其他原料的使用，以缓解紧张的资源利用问题。

石粉作为掺合料应用于混凝土中，一方面不仅可以改善混凝土的优良性能，为今后生产更多具有高性能、高性价比的混凝土提供新的研究方向，促进混凝土利用的多样化；另一方面还能够解决目前面临的工业废弃物处理问题，变废为宝，促进石粉的资源化利用，走可持续发展的道路。

1.2国内外研究现状

石粉作为一种资源丰富的材料，在很多领域已有大规模的应用。如今，在建材领域、工业领域有很多种类的石粉发挥着不可替代的作用。在建材领域，石粉可以部分取代细骨料成为新的原料，用作混凝土掺合料提高混凝土的性能；在工业领域，石粉可以作为添加物用于造纸，获得具有某些特性的纸质产品，也用作装饰和外墙砖的生产。

1.2.1石粉部分取代细骨料

石粉在掺量一定的情况下能够起到填充和密实混凝土的作用，显著提高新拌混凝土的和易性，同时石粉几乎不影响新拌混凝土的凝结时间。与此同时，混凝土的抗裂性和抗渗透性也会得到提高。由于石粉的掺入，水泥的用量也随之减少。中国很多水利工程都已经应用了石粉取代部分细骨料的方案。例如，白石水库、黄丹水电站、汾河二库、岩滩水电站等水利工程都是应用了这个方案，事实证明方案可行。

国内有学者曾提出过三元复合胶凝材料的研究，即粉煤灰、石粉和水泥三种物料混合。三元粉体体系之间存在填充效应，颗粒空隙小，自由水增多，因此可以提高水泥浆体的流动性。学者研究三元复合胶凝材料的流变性能后，提出了一个有效的原料配合比：石灰石粉43%、水泥34%、磨细锰铁矿渣23%。研究的指标为强度、抗渗透性、抗冻性和抗裂性等。

1.2.2石粉用作混凝土掺合料

废弃物中有下脚料，这些都可以二次利用，但是至今为止还没有较好的处理废浆的环保方式。现在主要的废浆处理措施，就是将其作为混凝土掺合料。

在碾压混凝土筑坝材料中，粉煤灰有着非常重要的作用。碾压混凝土筑坝材料的胶凝材料用量低、粉煤灰用量高。在保证坍落度不变的情况下，混凝土用水量减少。骨料加工过程会生产出大量的石粉，如果不好好加以利用，则会对环境造成污染。如果作为掺合料使用，可以替代粉煤灰和硅粉矿渣等昂贵的原料。

Belaidi 等人的研究表明^[1-2]，掺入大理石粉后，混凝土的力学性能表现良好，适量地掺入大理石粉可以提高混凝土的早期力学强度；李永民等^[3]指出，掺入大理石粉可以提高混凝土抗碳化性能但会降低其抗氯离子渗透性能，大理石粉有利于提高水泥早期强度，而花岗岩粉提高了水泥后期强度；江达宣等^[4]的试验表明，当花岗岩粉的掺量小于10%时，制备的C30混凝土具有良好的抗碳化性能与力学性能。

中国龙滩水电站采用石粉来代替25%的粉煤灰，粉煤灰和石粉一起作为混凝土掺合料。混凝土的抗压抗渗透性均较好，当掺入18%的石粉时混凝土的拌合物性能会有很大的提高。国外对此也进行了大量的研究。日本的千屋坝，就是以石粉代替了55%的粉煤灰用作碾压混凝土，坝体的防渗透和强度都能满足设计的要求^[5]。

1.2.3硅灰石粉在造纸中的应用

吉林石砚造纸厂采用滑石粉作为填料用于新闻纸、胶版纸的生产。选用白度为90.3%，烧碱量为12.92%，细度为325的滑石粉和白度为90.7%，烧碱量为2.08%，细度为325的硅灰石粉作为掺合料，发现加入后纸张的撕裂指数下降。从降低滤水度角度看,硅灰石粉对胶版纸有助滤作用。

1.2.4石粉在装饰工程的应用

国内达到了绿色标准的建材很少，其中就有安石粉。安石粉又叫天然石粉，由粉体颗粒和白色矿物岩石等经过加工而制成。安石粉性能优良，是室内装饰材料里非常好的选择。安石粉具有天然环保、耐水防潮、耐火、使用寿命长、平整光洁、无静电等优势。安石粉属于国家重点发展的“十项新技术”、绿色建材和施工工艺之一。

安石粉的施工较为简单，施工的底层粗骨料可以代替水泥砂浆抹灰层，起到整平的效果。在饰面材料中，安石粉有着十分广阔的发展前景。

1.2.5石粉在外墙砖生产中的应用

制备陶瓷需要耗费大量的能源和矿物资源，由于原料的紧缺，迫切需要一种节能环保的新材料来达到节能减排的目的。低温快烧是一条必走的途径。锂瓷石粉可以降低外墙砖的烧成温度，有利于陶瓷颜料的发色，有效地实现了外墙通体砖的低温快烧，达到节约能源、提高产品质量、降低综合成本的目的^[6]。

锂瓷石粉作为一种天然矿物，它所含的氧化锂是一种比较好的助熔剂，氧化锂还能抑制石英晶型转变，减少快烧引起的变形。锂瓷石粉与瓷砂共熔性非常好，共熔点较低，对降低烧成温度非常有利。一般情况下，加入锂瓷石粉后，外墙砖的烧成温度比以前低了5-8度。所以锂瓷石粉对外墙砖的质量提高有很大的作用。

1.3石粉对水泥混凝土性能的影响

1.3.1石粉对水泥混凝土工作性能的影响

Celik和Marar^[7]研究了石粉对水泥混凝土工作性能的影响。在水灰比保持为0.5不变时，石粉掺入量的增加会使混凝土坍落度降低，即混凝土集料的比表面积的增大会让其用水量增加来保证流动性的平衡。

蔡基伟^[8]等学者研究发现石粉可以提高水泥浆体的流动性，同时石粉具有润滑效果，能够减小颗粒间的摩擦力，来达到提高混凝土和易性的目的。有学者研究表明，礁石粉取代30%及以下的水泥，可以显著提高UHSC的流动性。掺入礁石粉降低了浆体的塑性粘度，但是也会因为不规则的形貌特征，吸附自由水，

使流动度减小。

现在普遍的观点认为，石粉对水泥混凝土工作性能的影响主要体现在流动性方面。对于不同的混凝土，石粉的影响也不同。低强度的混凝土掺入石粉后，可以改善其离析泌水的现象；高强度的混凝土掺入石粉后，可以降低其黏性。

1.3.2石粉对水泥混凝土力学性能的影响

曹鹏飞^[9]等学者研究了掺入一定量的石粉后水泥混凝土强度的变化。研究发现，掺入少量石粉会使水泥混凝土的抗拉强度和弹性模量减小。陈剑雄^[10]等研究发现当石粉和钛矿渣同时掺合时，10%的石粉和20%的钛矿渣掺合比例是最佳的，即此时水泥混凝土的强度高于基准混凝土。Celik认为，随着石粉掺入量的增加，存在一个最佳掺入量，研究表明10%的掺量效果最好，当掺量小于5%时就不能满足完全填充水泥浆体和骨料之间的缝隙的要求。

石粉作为一种粉体，当其粒径越小时，掺入到水泥混凝土后的效果越好。这是因为细度越小，石粉的填充效应越明显。石粉代替砂配制轻骨料混凝土，随着石粉取代量的增加，水泥混凝土的抗压抗拉强度先增大后减小，最佳掺入量是30%。研究表明这一结果与石粉的细度有关。对于轻骨料混凝土和普通的混凝土来说，细度越小，强度都会有所提高。

1.3.3石粉对水泥混凝土耐久性能的影响

刘春^[11]等人将15%的稻壳灰和适量石粉掺入到混凝土中，发现混凝土的干燥收缩现象有了明显的好转。增大石粉掺入量，干燥收缩值也会增加。掺入石粉的量最好不超过25%，作者分析砂浆保水性后作出了解释，同时掺入稻壳灰和石粉可以有效地提高砂浆的保水性，原因是稻壳灰具有内孔隙结构，可以起到内养护的作用。适量石粉具有“微集料填充效应”，隔断了毛细孔和水通道的连接，可以很好地改善混凝土的内部结构，阻碍水分在混凝土内部流动，使混凝土的透气性和吸水性降低。但是掺入过量石粉会相对降低水泥的用量，水化产物比较少，所以会难以激活稻壳灰的活性，使混凝土孔结构劣化。

黄斌^[12]等学者的研究表明，当掺入的石粉含量在10%以内时，掺入石粉的混凝土抗氯离子渗透性能比较好。随着掺量的增加，混凝土的抗氯离子渗透性能开始下降。在石粉掺量较小时，石粉颗粒可以很好地改善增加混凝土的密实度，自由氯离子不能够轻易地渗入混凝土的内部。所以石粉掺量在 10%以内时，混凝土的抗氯离子渗透性能比较好。由于石粉只是简单填充于混凝土的内部，参与水化的石粉数量有限，而且随着石粉掺量的增加，水泥的水化产物会减少。水化产物无法良好地包裹和连接这些石粉颗粒，使得混凝土胶凝材料基体之间的粘结作用减弱，导致混凝土结构抗氯离子渗透能力降低。

1.3.4石粉对水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响

邓德华^[13]等人研究表明，在硫酸盐环境中，掺入石粉会使水泥基材料强度急剧下降，且材料本身产生较大的膨胀，作者的解释是掺加石粉的水泥基材料，主要因为形成尺寸较大的石膏晶体而膨胀开裂。高小建^[14]等研究了掺入30%的石粉的砂浆在低温环境中硫酸盐侵蚀破坏的情况，并且分析了不同侵蚀时间下的试件表层矿物成分变化。最后得出结论，短时间内，在低温硫酸盐的侵蚀作用下，掺入石粉后，会使水泥水化产物中的单硫型水化硫铝酸钙，转变为稳定的单碳水化铝酸钙。水泥石内部结构更加紧密，而且石粉砂浆试块与纯水泥砂浆试块相比，具有更好的耐腐蚀性；在长期低温硫酸盐侵蚀作用下，掺入石粉后的水泥砂浆，试块的侵蚀产物除了石膏和钙矾石，还有部分硅灰石膏的生成，这说明水泥石强度的主要组分—C-S-H凝胶体也受到了破坏。

1.3.5石粉对水泥混凝土抗冻性能的影响

孔祥之^[15]等学者的研究表明，经过28d养护后的掺入石粉的混凝土，能够达到大坝碾压混凝土抗冻性的要求。单独掺入粉煤灰和掺入等比例的粉煤灰和石粉对于混凝土抗冻性的影响不大。石粉的细度区别对抗冻性的影响也很小。

对于普通混凝土来说，掺入石粉可以显著降低低强度的机制砂混凝土的抗冻性。高强度的混凝土的抗冻性变化与石粉的掺入量没有明显的关系。霍俊芳等学者研究表明，当硅粉、石粉和粉煤灰的掺量分别为10%、5-10%和5%时，混凝土的抗冻性会高于基准混凝土。

1.4研究内容和技术路线

1.4.1研究内容

本课题的主要研究内容包括以下几个方面:

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