巖石粉作為礦物摻合料在混凝土中的應(yīng)用研究進(jìn)展

宋小兵，董化瑞，黃直久，夏京亮，周永祥，王晶

（1. 中鐵十二局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024；2. 中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

隨著我國土木、水利、交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及國家“一帶一路”倡議的推進(jìn)，作為最大宗土木工程材料的混凝土，全球用量達(dá)到50億m3。礦物摻合料是混凝土的重要組成部分，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，一方面對混凝土的需求量越來越大，對混凝土的質(zhì)量要求越來越高；另一方面優(yōu)質(zhì)的粉煤灰、礦渣粉等傳統(tǒng)礦物摻合料逐漸匱乏，尋求合適的替代材料迫在眉睫。近年來，礦物摻合料從工業(yè)廢渣擴(kuò)展到天然礦物材料的趨勢越來越明顯，巖石粉應(yīng)用是一個(gè)重要的研究方向，這與我國機(jī)制砂的推廣使用緊密相關(guān)。機(jī)制砂在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生15%～20%的石粉，受到機(jī)制砂標(biāo)準(zhǔn)對石粉含量的限制，多余石粉的處理方式多為堆置或填埋，不僅浪費(fèi)資源而且污染環(huán)境。天然巖石粉中以石灰石粉最有代表性，石灰石粉因其具有減水效應(yīng)[1-2]和微集料效應(yīng)[3-4]，作為摻合料取代水泥后能顯著改善混凝土的工作性能和致密性，因而得到較為廣泛的應(yīng)用。總體而言，目前對天然巖石粉的研究以石灰石粉較為充分，其他巖石粉的研究則較少，為最大限度將其利用起來，研究巖石粉作為礦物摻合料對于推進(jìn)機(jī)制砂應(yīng)用具有重大意義。

1 巖石粉作為摻合料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

目前巖石粉作為礦物摻合料用于混凝土的標(biāo)準(zhǔn)主要是石灰?guī)r石粉，其他天然巖石粉也有一定涉及。

1.1 國外現(xiàn)狀

日本混凝土研究院（JCI）整理制定石灰石粉的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用于混凝土的方法指南，現(xiàn)在日本石灰石粉已廣泛應(yīng)用于高流動性混凝土和高性能噴射混凝土領(lǐng)域。

美國ACI212.1R-81《混凝土外加劑和外加劑在混凝土中的使用指南》中對石灰石粉作為混凝土礦物摻合料提出了技術(shù)指標(biāo)要求。

歐洲水泥行業(yè)試行標(biāo)準(zhǔn)ENV-197：CEM-II-L（石灰石波特蘭水泥）作為一種單獨(dú)類型的水泥品種分為：CEM-II-L（A）——石灰石粉摻量5%～20%；CEMII-L（B）——石灰石粉摻量21%～35%。

德國水泥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的石灰石硅酸鹽水泥II/A-L，水泥熟料占80%～90%、石灰石粉摻量6%～20%。

法國1979年制定的新水泥標(biāo)準(zhǔn)中的CPJ45R和CPJ55R，可復(fù)摻也可單摻石灰石粉，單摻石灰石粉量為10%～25%。

1.2 我國現(xiàn)狀

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30190—2013《石灰石粉混凝土》規(guī)定了石灰石粉的技術(shù)指標(biāo)，包括碳酸鈣含量、細(xì)度、活性指數(shù)、流動度比、含水量、MB值等，并根據(jù)水膠比、結(jié)構(gòu)形式和水泥種類的不同規(guī)定了石粉摻量。最大摻量為：水膠比≤0.40、鋼筋混凝土、采用硅酸鹽水泥時(shí)，摻量為35%。最小摻量為：水膠比＞0.40、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、采用普通硅酸鹽水泥時(shí)，摻量為15%。

建筑工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 318—2014《石灰石粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》主要技術(shù)內(nèi)容為總則、術(shù)語、原材料技術(shù)要求、混凝土性能、配合比、施工、質(zhì)量檢驗(yàn)，其中石灰石粉的術(shù)語為“以一定純度的石灰石為原料，經(jīng)粉磨至規(guī)定細(xì)度的粉狀材料”。

鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》和TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了石灰石粉用于鐵路混凝土的技術(shù)指標(biāo)，除MB值規(guī)定小于1.0嚴(yán)于國標(biāo)規(guī)定，其他技術(shù)指標(biāo)基本與國標(biāo)一致。

福建省地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 13-243—2016《福建省石粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》把石粉的種類擴(kuò)展到福建省的石灰石粉、大理巖石粉和花崗巖石粉。

但對于我國其他地區(qū)的大理巖石粉和花崗巖石粉，以及我國的玄武巖石粉、片麻巖石粉、石英巖石粉、白云巖石粉等，沒有對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對技術(shù)性能進(jìn)行規(guī)定，造成生產(chǎn)企業(yè)無法控制除石灰?guī)r之外的石粉質(zhì)量，應(yīng)用企業(yè)無法驗(yàn)收石粉質(zhì)量是否合格，嚴(yán)重制約了巖石粉的推廣應(yīng)用。

2 巖石粉作為摻合料對混凝土性能的影響

2.1 工作性能

巖石粉種類不同對混凝土工作性能的影響也不同，如石灰石粉大多數(shù)的研究表明，其能夠改善混凝土工作性能，特別是在摻加聚羧酸的情況下；而硅質(zhì)巖石粉，如花崗巖石粉、片麻巖石粉、玄武巖石粉等，研究認(rèn)為石粉含量的增加因顯著提高需水性而降低了混凝土工作性能。

周永祥等[2]認(rèn)為，石灰石粉對水和外加劑的吸附性小，但有加速混凝土拌合物坍落度損失的傾向。Ahmed等[5]發(fā)現(xiàn)混凝土在固定坍落度下的用水量隨石粉含量的增加而不斷提高。Joudi-Bahri等[6]研究得出當(dāng)石粉含量在10%以內(nèi)時(shí)，混凝土達(dá)到固定坍落度所需的用水量幾乎保持不變，直到石粉含量超過10%后才開始增加。Top?u等[7]研究發(fā)現(xiàn)在水泥用量為200 kg/m3時(shí)，石粉（粉磨石灰?guī)r，密度2.82 g/cm3，CaO含量55.6%）含量的增加提高了混凝土用水量，但當(dāng)水泥用量增加到275 kg/m3和350 kg/m3后，用水量增加很小或幾乎不增加也能達(dá)到相同的坍落度。

2.2 力學(xué)性能

由于巖石粉大多為惰性材料，對于混凝土而言起到填充作用，與同摻量的傳統(tǒng)礦物摻量對比，降低了混凝土的力學(xué)性能，但巖石粉可作為水泥水化過程中的晶核，加速水泥早期水化，提高混凝土早期強(qiáng)度。楊松玲等[8]研究了輝綠巖石粉在混凝土中的應(yīng)用，結(jié)果表明在水泥水化早期，輝綠巖石粉在網(wǎng)絡(luò)狀的水化硅酸鈣凝膠生成過程中作為基體孔隙中的支點(diǎn)幫助水化產(chǎn)物延伸搭接，有利于水泥早期強(qiáng)度的發(fā)展。陳劍雄等[9]認(rèn)為超細(xì)石灰石粉具有微集料效應(yīng)、微晶核效應(yīng)，能夠促進(jìn)C3S的水化，顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，對于早期抗壓強(qiáng)度要求特別高的工程項(xiàng)目，超細(xì)石灰石粉具有較高的使用價(jià)值，且其最佳摻量約為10%。Zhou Mingkai等[10]研究認(rèn)為石粉對水泥水化具有增強(qiáng)作用，石粉在水泥水化反應(yīng)中起晶核作用，誘導(dǎo)水泥的水化產(chǎn)物析晶，加速水泥水化并參加水泥的水化反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鈣。陸平等[11-12]得出石灰石粉加速C3S的水化及與C3A的反應(yīng)增加了早期強(qiáng)度等結(jié)論。Takami等[13]研究認(rèn)為，采用比表面積接近水泥的石灰石粉等量取代水泥時(shí)，石灰石粉的摻量增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度降低；水泥用量不變的情況下，石灰石粉摻量增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度提高。Gutteridge等[14-15]的研究表明，在水灰比很低的情況下，隨著石灰石粉摻量的增加，水泥的水化程度有所提高；而在高水灰比的情況下，水化產(chǎn)物隨著石灰石粉摻量的增加而增加。Nehdi等[16]認(rèn)為石灰石硅酸鹽水泥具有較高的早期強(qiáng)度是因?yàn)槭沂奂铀倭薈3S的水化，尤其當(dāng)石灰石粉磨得較細(xì)時(shí)，作用更明顯；CaCO3能夠和C3A反應(yīng)，生成單碳鋁酸鹽，這種碳鋁酸鹽的作用可能與硫鋁酸鹽一樣，能夠增加早期強(qiáng)度。Vijayalakshmi等[17]研究花崗巖粉替代混凝土天然細(xì)骨料的可行性，試驗(yàn)結(jié)果表明，花崗巖石粉取代15%天然細(xì)骨料時(shí)，對混凝土的力學(xué)性能沒有不利影響。

2.3 耐久性能

巖石粉作為礦物摻合料對于混凝土耐久性能影響的研究目前主要集中在抗碳化性能、抗凍性能和抗?jié)B性能等方面。研究者一般認(rèn)為巖石粉能夠填充混凝土內(nèi)部空隙，細(xì)化硬化漿體孔結(jié)構(gòu)，從而改善抗?jié)B性，對于其他耐久性能的影響不大。周永祥等[2]認(rèn)為，對于C3O混凝土，20%石灰石粉等量取代粉煤灰，不會造成抗壓強(qiáng)度、抗碳化性能、抗凍性能的下降；純度較高的石灰石粉對細(xì)骨料體系MB值的影響與粉煤灰、礦渣粉類似。Hudson[18]研究認(rèn)為，石灰石粉的摻入可提高集料的有效堆積，并填充了混凝土中的空隙，使混凝土的滲透通路被阻斷，從而提高混凝土的抗?jié)B透性能，并且隨著石灰石粉摻量的增加，這種作用變得更明顯。Tsivilis等[19]研究表明，石灰石粉的摻入可略微提高混凝土的抗氯離子滲透性能，這是由于石灰石粉的摻入改變了混凝土的孔結(jié)構(gòu)。Torres等[20]研究表明，在不存在硫酸鹽侵蝕的條件下，石灰石硅酸鹽水泥具有好的穩(wěn)定性和抗劣化性，而置于5 ℃、1.8%的硫酸鎂溶液中的試件則呈現(xiàn)出很明顯的劣化跡象，且隨著石灰石粉的增加劣化加劇。Vijayalakshmi等[17]研究花崗巖粉替代混凝土天然細(xì)骨料的可行性，結(jié)果表明，花崗巖石粉取代15%天然細(xì)骨料時(shí)，對混凝土的耐久性能沒有不利影響。

3 巖石粉作為摻合料的相關(guān)專利

國外巖石粉作為礦物摻合料的相關(guān)專利匯總見表1，美國、德國、日本、韓國等國家均對巖石粉應(yīng)用方面的知識產(chǎn)權(quán)比較重視，主要內(nèi)容包括石灰石粉及其處理工藝及在混凝土中的應(yīng)用等方面。

表1 國外巖石粉作為礦物摻合料的相關(guān)專利匯總

表2 我國巖石粉作為礦物摻合料的相關(guān)專利匯總

我國巖石粉作為礦物摻合料的相關(guān)專利匯總見表2，天然巖石粉的知識產(chǎn)權(quán)主要集中在石灰石粉上，玄武巖粉、花崗巖粉、大理巖粉也有部分專利，其主要內(nèi)容包括巖石粉礦物摻量和制備方面，以及巖石粉混凝土等。

目前巖石粉作為礦物摻合料在混凝土中應(yīng)用的專利主要集中于石粉石和大理巖等鈣質(zhì)巖石，花崗巖、玄武巖、石英巖、片麻巖等硅質(zhì)巖石相對較少，尤其是在改善硅質(zhì)巖石粉作為礦物摻合料降低需水量比等方面，也是今后該研究方向上專利技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

4 存在問題及建議

（1）國內(nèi)外對石灰石粉作為礦物摻合料用于水泥混凝土的研究較為廣泛，研究內(nèi)容涵蓋石灰石粉對混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響等方面，為石灰石粉在工程實(shí)際混凝土中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，而對于其他巖石粉的研究相對較少且缺乏系統(tǒng)性，制約了其推廣應(yīng)用。

（2）當(dāng)前巖石粉對于混凝土長期性能、收縮和徐變方面研究還較少，為促進(jìn)其在預(yù)應(yīng)力混凝土中的應(yīng)用，建議今后加強(qiáng)該方面的研究。

（3）巖石粉作為礦物摻合料對于混凝土耐久性能的影響方面，研究成果目前尚未達(dá)成一致，尚需加強(qiáng)試驗(yàn)研究。

（4）目前國內(nèi)外關(guān)于巖石粉作為礦物摻合料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要集中在石灰石粉上，對于其他種類的巖石粉關(guān)注不夠，需加強(qiáng)其他種類巖石粉的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。

（5）巖石粉作為礦物摻合料用于混凝土的主要研究成果多集中于應(yīng)用方面，包括巖石粉摻量、巖石粉細(xì)度等對混凝土宏觀性能的影響等，對于巖石粉膠凝材料體系的亞微觀研究不夠深入。