隧道石粉取代膠凝材料對機制砂混凝土性能的影響

馬文榮

（中鐵八局集團第三工程有限公司，貴州 貴陽 550001）

0 引言

隨著基礎(chǔ)建設(shè)及交通運輸發(fā)展，混凝土使用量逐年上升，水泥需求量持續(xù)增長。水泥生產(chǎn)是高能耗、高污染傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，原材料大量開采破壞了植被和生態(tài)。近年來，有學(xué)者研究用具有水硬活性的固體廢物替代水泥制備混凝土，但對通常認(rèn)為不具備水硬活性的石粉摻入混凝土研究較少。

我國西南地區(qū)地勢復(fù)雜，多山多石，基礎(chǔ)建設(shè)伴隨大量的隧道施工，隧道掘進過程中產(chǎn)生了大量石粉，由于其粒度細(xì)小，運輸、儲存和應(yīng)用比較困難。貴州地處內(nèi)陸，基礎(chǔ)建設(shè)所需天然河砂需從外省運入，成本較高，因此，使用機制砂取代天然河砂制備混凝土具有資源優(yōu)勢和成本優(yōu)勢[1]。

國內(nèi)外研究表明，石粉可促進混凝土中膠凝材料硅酸三鈣水化反應(yīng)，其細(xì)小顆粒可填充混凝土內(nèi)部孔隙[2]，但尚無學(xué)者系統(tǒng)研究石粉對混凝土各項性能的影響，尤其是西南地區(qū)喀斯特地質(zhì)條件下隧道掘進過程中產(chǎn)生的石粉在混凝土的應(yīng)用未見報道。本文以隧道石粉為研究對象，用隧道石粉部分取代膠凝材料制備機制砂混凝土，分析測試不同石粉取代量和石粉細(xì)度對混凝土抗壓強度、抗硫酸鹽滲透性能、收縮量、抗氯離子滲透系數(shù)和碳化深度等性能的影響，為隧道石粉的綜合利用開辟新途徑，并節(jié)約膠材用量。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥：貴州某水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5水泥；粉煤灰：貴州某發(fā)電廠的粉煤灰；石粉：中鐵八局集團某項目產(chǎn)生的隧道石粉、細(xì)度用45μm方孔篩篩余表示；減水劑：市場購買的聚羧酸減水劑；機制砂：來自貴州某機制砂廠。

1.2 試驗方法

依據(jù)JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》設(shè)計不同的混凝土用料配比。以不同比率的石粉取代混凝土中的膠凝材料，通過改變水膠比、石粉細(xì)度，研究摻入隧道石粉對機制砂混凝土抗壓強度、抗硫酸鹽侵蝕、收縮量、碳化深度及抗氯離子滲透性能等的影響。試驗條件見表1。根據(jù)不同混凝土配合比稱取水泥、粉煤灰、石粉和機制砂，按照不同水膠比稱量水，滴入1%聚羧酸減水劑混合均勻，在攪拌機中攪拌一定時間后成型[7]。

表1 試驗條件

混凝土抗壓強度依據(jù)GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》檢測，混凝土抗硫酸鹽侵蝕、收縮、碳化及抗氯離子滲透性能依據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能與耐久性試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》檢測。按照配合比制備出符合標(biāo)準(zhǔn)的混凝土試塊，放入養(yǎng)護室養(yǎng)護，到規(guī)定時間取出，測試混凝土的各項性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同水膠比對混凝土抗壓強度影響

圖1為石粉摻量15%、石粉45μm方孔篩篩余15%，不同水膠比對混凝土抗壓強度影響。由圖1可見，混凝土抗壓強度隨水膠比增大而降低，水膠比從0.3增加到0.6，混凝土7d和28d的強度下降約50%，并在水膠比為0.5時變化趨勢出現(xiàn)拐點，強度降低趨于平緩?；炷恋膹姸扔赡z凝材料中的硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵相固溶體的水化產(chǎn)物提供，水膠比是影響混凝土抗壓強度的重要因素。水膠比小時，膠凝材料水化后孔隙較少，強度較高，但混凝土的流動性、和易性較差，施工難度大；水膠比大時，膠凝材料的水化產(chǎn)物不能與其他物質(zhì)形成結(jié)實穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，也不能完全填補水分反應(yīng)或蒸發(fā)后留下的孔隙，使混凝土密實度和抗壓強度下降。根據(jù)圖1，水膠比為0.5，養(yǎng)護28d的抗壓強度滿足C30混凝土要求，因此后續(xù)試驗的水膠比選定為0.5。

圖1 抗壓強度隨水膠比變化

2.2 不同石粉取代膠材量對混凝土抗壓強度的影響

圖2為水膠比0.5、石粉45μm方孔篩篩余分別為15%和30%，不同石粉取代膠材量對混凝土抗壓強度的影響。由圖2可見，對于細(xì)度為15%和30%的機制砂混凝土，隨石粉取代膠材量增加，混凝土7d和28d抗壓強度下降；石粉取代量0-15%時，抗壓強度下降速率大于取代量為15%-30%時。固定水膠比和石粉細(xì)度，隨石粉用量增加，由于石粉顆粒細(xì)小，比表面積大，擁有較高表面能，浸潤需水量增大，間接導(dǎo)致用水量不足，膠凝材料水化進程減慢，同時，膠凝材料的減少也導(dǎo)致混凝土強度下降[3]。取代量為15%時下降速率改變，這是因為石粉可加快C3S水化，石粉取代量增大，一定程度加快了水泥水化，減緩用水不足及膠凝材料減少對混凝土抗壓強度的影響[4]。石粉細(xì)度在石粉取代膠材量0-20%時對抗壓強度影響不大，摻量大于20%、細(xì)度為30%的抗壓強度大于細(xì)度為15%的抗壓強度，因為細(xì)度30%的石粉顆粒比細(xì)度15%的顆粒具有較寬的粒徑分布范圍，能更好填充混凝土內(nèi)部孔隙，從而提高抗壓強度。石粉取代膠材量為15%、石粉45μm方孔篩篩余30%、水膠比0.5，養(yǎng)護28d的機制砂混凝土抗壓強度大于34.5MPa，滿足C30混凝土強度要求。

圖2 抗壓強度隨石粉取代量的變化

2.3 不同石粉取代膠材量對混凝土長期性與耐久性的影響

圖3、圖4和圖5為不同石粉取代膠材量對混凝土抗硫酸鹽侵蝕、碳化試驗和抗氯離子滲透性能的影響。由圖3可見，抗硫酸鹽侵蝕試驗中，石粉取代膠材量與試件強度成反比，且30次循環(huán)侵蝕后的強度低于15次循環(huán)后的強度。由于石粉取代部分膠凝材料，使混凝土中提供強度的硅酸鹽水泥減少，同時使混凝土的密實度有所降低，低于對比試件。由圖4和圖5可見，石粉取代量0-10%時，碳化深度和抗氯離子滲透系數(shù)變化不大，石粉摻量大于10%時，這兩個指標(biāo)的變化趨勢明顯?；炷恋奶蓟疃群吐入x子擴散系數(shù)與石粉取代膠材量為正比關(guān)系[5]，其碳化深度和氯離子腐蝕屬于點腐蝕[6]。少量石粉摻入可部分填充膠凝材料水化過程孔隙，使其性能變化不明顯，但石粉摻量越過10%后，膠凝材料被取代量較大，硅酸鹽水化產(chǎn)物不能有效粘結(jié)集料，使混凝土密實度有所下降，碳化深度和抗氯離子滲透系數(shù)急劇增大?；炷亮蛩猁}侵蝕后強度、碳化深度和氯離子擴散系數(shù)的變化速率在石粉取代膠材量為10%時發(fā)生突變。石粉取代膠材量小于10%時，石粉摻量較少，對膠凝材料水化影響小，混凝土孔隙率較小，對混凝土的抗硫酸鹽侵蝕、碳化深度和氯離子擴散系數(shù)影響相對較弱；當(dāng)石粉取代量大于10%時，石粉對混凝土的不利影響較大，石粉用量的增多致使混凝土性能下降，水泥水化過程中石粉活性較弱，且易于積聚成團，增加混凝土內(nèi)部孔隙，影響混凝土的各項性能[7]。

圖3 混凝土抗硫酸鹽侵蝕

圖4 混凝土碳化試驗

圖5 混凝土抗氯離子滲透試驗

2.4 不同石粉取代膠材量對混凝土收縮量的影響

圖6為石粉取代膠材量對混凝土收縮量的影響。由圖6可見，在水膠比為0.5、石粉細(xì)度15%，增加石粉取代膠材量時，養(yǎng)護1d和7d后混凝土收縮量變化不明顯，28d后收縮量變化較大。養(yǎng)護1d和7d后，摻入石粉和未摻石粉混凝土的收縮量基本相同，這是因為短時間內(nèi)膠凝材料未完全水化，混凝土中還包含較多自由水。養(yǎng)護28d收縮變化較明顯，混凝土收縮量隨石粉摻量的增加而波動，加入石粉后混凝土收縮量基本小于未摻入石粉的混凝土，這是因為石粉粒度細(xì)小，可以很好填充自由水反應(yīng)或蒸發(fā)后留下的孔隙，致使混凝土收縮量相對較小?；炷潦湛s量隨石粉摻量的增加而波動，合適的石粉摻量可降低混凝土收縮量，當(dāng)石粉摻量為15%時，混凝土收縮量小于未摻入石粉的混凝土。

圖6 混凝土收縮量

3 結(jié)論

本文以隧道石粉為研究對象，用隧道石粉部分代替膠凝材料制備機制砂混凝土，分析測試石粉細(xì)度、水膠比和石粉摻量對混凝土抗壓強度、抗硫酸鹽侵蝕、碳化深度、抗氯離子擴散系數(shù)和收縮量的影響，結(jié)論如下：

1）石粉取代膠材量為15%、石粉45μm方孔篩篩余30%、水膠比0.5時，養(yǎng)護28d的機制砂混凝土抗壓強度大于34.5MPa，滿足C30混凝土強度要求。

2）當(dāng)水膠比、石粉細(xì)度固定時，混凝土的抗壓強度、抗硫酸鹽侵蝕、碳化深度、抗氯離子擴散系數(shù)等隨石粉取代膠材量的增加而降低。

3）混凝土收縮量隨石粉摻量的增加而波動，合適的石粉摻量可降低混凝土收縮量。