玄武巖石粉用于混凝土摻和料的試驗(yàn)研究

雷濤

（中國國家鐵路集團(tuán)有限公司，北京 100844）

以粉煤灰和礦渣粉為代表的礦物摻和料已成為混凝土不可或缺的組分，它們能顯著改善混凝土的工作性能和耐久性能［1-2］。然而，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，優(yōu)質(zhì)粉煤灰和礦渣粉資源日漸稀缺。尤其是缺少火力發(fā)電廠和煉鋼廠的西藏地區(qū)，粉煤灰、礦渣等資源極度匱乏。目前，在建的拉林鐵路主要從青海地區(qū)外運(yùn)粉煤灰，到場價(jià)高達(dá)900元/t左右，且粉煤灰品質(zhì)極不穩(wěn)定。大宗材料外運(yùn)不僅帶來建設(shè)成本增加，還將導(dǎo)致該地區(qū)唯一的運(yùn)輸通道——川藏公路的擁堵，影響建設(shè)工期。因此，積極就近探尋新型摻和料以制備高性能混凝土是亟需解決的現(xiàn)實(shí)問題。

石灰石粉用于混凝土摻和料的系列研究［3-5］成果已納入 GB/T 30190—2013《石灰石粉混凝土》［6］，TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》［7］等標(biāo)準(zhǔn)。然而，川藏地區(qū)礦山巖中石灰石僅占一部分，富含SiO2，Al2O3等化學(xué)物質(zhì)的玄武巖、凝灰?guī)r等大量存在［8-9］。目前關(guān)于玄武巖石粉在混凝土中應(yīng)用的研究較少。本文針對西藏地區(qū)玄武巖特性，研究了玄武巖石粉對混凝土性能的影響及其改性措施，以期為該地區(qū)混凝土摻和料的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與配合比

水泥為西藏華新P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，比表面積為340 m2/kg；粉煤灰為青海國電黃河電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度為18.4%；玄武巖石粉為西藏昌都玄武巖碎石磨細(xì)制得比表面積為280 m2/kg（SP1），610 m2/kg（SP2），905 m2/kg（SP3）和 1 200 m2/kg（SP4）的4種不同細(xì)度的粉體，其與粉煤灰化學(xué)成分的對比見表1。

表1 摻和料的化學(xué)成分及性能 %

硅灰為甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限公司生產(chǎn)的SF90級二氧化硅微粉，SiO2含量為91%。細(xì)骨料為林芝米林雅魯藏布江河砂，細(xì)度模數(shù)為2.4，含泥量為2.8%，表觀密度為2 610 kg/m3，吸水率1.3%。粗骨料為林芝米林5.0～31.5 mm三級配碎卵石，壓碎值為5.4%，含泥量為0.3%，表觀密度為2 780 kg/m3，緊密空隙率為40%。減水劑為河北三楷聚羧酸高性能減水劑（PCA）。選擇隧道工程常用C40二襯混凝土為研究對象，試驗(yàn)用混凝土配合比見表2，混凝土坍落擴(kuò)展度為500～550 mm，含氣量4%±0.5%。

1.2 試驗(yàn)方法

1）混凝土拌和物性能試驗(yàn)

混凝土攪拌、拌和物性能（坍落擴(kuò)展度、含氣量、離析率）按GB 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［10］進(jìn)行試驗(yàn)。

2）水泥漿體水化熱試驗(yàn)

按表2配合比去掉粗細(xì)骨料配制水泥凈漿，裝入帶塞的玻璃瓶中，然后立即準(zhǔn)確稱取6～7 g的水泥漿體（含5 g水泥）及相應(yīng)量的參比水，放入TAM air量熱儀，測定一定齡期內(nèi)水泥凈漿的水化熱。

3）試件的成型和養(yǎng)護(hù)

試件按GB 50080—2016成型，1 d后脫模，然后放入濕度大于95%，溫度為（20±2）℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，至規(guī)定齡期開展相關(guān)性能試驗(yàn)。

4）混凝土硬化體性能試驗(yàn)

混凝土力學(xué)性能按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［11］進(jìn)行試驗(yàn)，混凝土電通量按GB 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［12］進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 混凝土配合比 kg·m-3

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 玄武巖石粉細(xì)度對混凝土性能的影響

采用表2中混凝土配合比，研究玄武巖石粉細(xì)度對混凝土性能的影響，結(jié)果見表3。

表3 玄武巖石粉細(xì)度對混凝土性能的影響試驗(yàn)結(jié)果

從表3可知，當(dāng)玄武巖石粉比表面積為280 m2/kg時(shí)，其粒徑較水泥顆粒大，在保持混凝土擴(kuò)展度500～550mm的條件下，拌和物易出現(xiàn)離析、泌水現(xiàn)象；隨著玄武巖石粉比表面積增大，混凝土拌和物性能得到改善；當(dāng)玄武巖石粉比表面積大于600 m2/kg，在擴(kuò)展度500～550 mm的條件下，混凝土拌和物仍未出現(xiàn)離析現(xiàn)象，說明混凝土拌和物性能得到改善。隨著玄武巖石粉比表面積增大，混凝土強(qiáng)度略微增大，增幅在5%以內(nèi)。石粉超細(xì)化對混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)，可能是其緊密填充水泥顆?？障稁眢w系堆積密實(shí)度提高所致［13］。

2.2 玄武巖石粉摻量對混凝土性能的影響

考慮到玄武巖石粉比表面積越大，其加工能耗越大，本文重點(diǎn)研究比表面積為610 m2/kg的玄武巖石粉不同摻量對混凝土性能的影響，石粉摻量為內(nèi)摻等量取代粉煤灰，試驗(yàn)結(jié)果見圖1—圖3。

圖1 不同摻量下玄武巖石粉對水泥漿體水化熱的影響

圖2 不同摻量下玄武巖石粉對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 不同摻量下玄武巖石粉對混凝土電通量的影響

由圖1可知：隨著玄武巖石粉取代粉煤灰摻量的增大，水泥漿體水化熱隨之降低；與C?5水泥凈漿相比，與內(nèi)摻10%，20%，30%石粉的水泥凈漿14 d水化熱依次降低1.8%，2.6%，4.5%。這表明內(nèi)摻玄武巖石粉取代粉煤灰，其水化熱抑制效果與粉煤灰相當(dāng)。

由圖2可知：隨著玄武巖石粉取代粉煤灰摻量的增大，混凝土3 d抗壓強(qiáng)度呈增大趨勢，28，56 d抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢；與摻30%粉煤灰的混凝土（C?5）相比，摻30%玄武巖石粉混凝土（C?8）3 d抗壓強(qiáng)度增加2 MPa，但28，56 d抗壓強(qiáng)度分別降低4，7 MPa，表明玄武巖石粉對混凝土后期強(qiáng)度增長效果不及粉煤灰。

由圖3可知：隨著玄武巖石粉取代粉煤灰摻量的增大，混凝土28，56 d電通量呈增大趨勢；當(dāng)粉煤灰摻量小于20%、玄武巖石粉摻量大于10%時(shí)，混凝土56 d電通量超過1300 C，不能滿足現(xiàn)行規(guī)范中C40混凝土56 d電通量應(yīng)小于1 200 C的限值要求。因此，當(dāng)玄武巖石粉與粉煤灰復(fù)合使用時(shí)，粉煤灰摻量不宜小于20%，玄武巖石粉摻量不宜大于10%。

2.3 玄武巖石粉混凝土密實(shí)度改性

由于在使用玄武巖石粉的情況下，混凝土中需摻加不低于20%粉煤灰，使得礦物摻和料外運(yùn)量仍然較大，并不能從根本上解決礦物摻和料供給的難題。本文進(jìn)一步研究了采用硅灰對玄武巖石粉混凝土密實(shí)度進(jìn)行改性的效果，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 玄武巖石粉復(fù)摻硅灰對混凝土電通量的影響

由圖4可知：在玄武巖石粉摻量為20%時(shí)，復(fù)摻3%，5%，8%硅灰的混凝土56 d電通量分別為1 358，1 072，826 C。這表明隨著硅灰摻量的增大，混凝土電通量呈顯著降低趨勢。當(dāng)玄武巖石粉與硅灰復(fù)合使用時(shí)，硅灰摻量不低于5%即可滿足配制耐久混凝土的密實(shí)度要求。

初步估計(jì)川藏鐵路混凝土用量約3 000萬m3。若采用20%粉煤灰復(fù)合10%玄武巖石粉方案，需外運(yùn)約240萬t粉煤灰；若采用5%硅灰復(fù)合20%玄武巖石粉方案，僅需外運(yùn)80萬t硅灰，礦物摻和料外運(yùn)量降低75%，可顯著降低物資運(yùn)輸壓力。

3 結(jié)論

1）為改善摻玄武巖石粉混凝土的工作性能與力學(xué)性能，玄武巖石粉的比表面積不宜小于600 m2/kg。

2）與同摻量粉煤灰混凝土相比，摻玄武巖石粉混凝土3 d抗壓強(qiáng)度略高，28，56 d抗壓強(qiáng)度分別降低4，7 MPa，玄武巖石粉對混凝土后期強(qiáng)度增長效應(yīng)不及粉煤灰；當(dāng)玄武巖石粉與粉煤灰復(fù)合使用時(shí)，粉煤灰摻量不宜小于20%，玄武巖石粉摻量不宜大于10%。

3）從混凝土摻和料供給保障考慮，采用5%硅灰復(fù)合20%玄武巖石粉方案要優(yōu)于20%粉煤灰復(fù)合10%玄武巖石粉方案。這為川藏鐵路混凝土摻和料選用提供了新思路。