大摻量白云巖石粉對(duì)低強(qiáng)度混凝土和易性與強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

張智茹，宋少民＊，嚴(yán)章國(guó)

（1. 北京建筑大學(xué)，建筑結(jié)構(gòu)與環(huán)境修復(fù)功能材料北京市重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100044；2. 中國(guó)水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008）

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，機(jī)制砂石已取代天然砂石成為主力砂源。機(jī)制砂石生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的石粉如果不能合理利用，將對(duì)環(huán)境造成極大的危害[1-2]。GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》規(guī)定機(jī)制砂石粉含量不得高于 10%[3]。目前多余石粉一般通過水洗、堆積等方法來處理，既不環(huán)保又浪費(fèi)資源[4]。為保證混凝土綠色健康發(fā)展，可以將多余的石粉作為礦物摻和料摻入混凝土中，既可以改善混凝土的性能，又可以處理掉機(jī)制砂生產(chǎn)過程中多余的石粉，且起到了節(jié)能減排、降本增效、保護(hù)大氣環(huán)境等良好效果。

目前，對(duì)石灰石粉的研究、利用和開發(fā)較多，并出臺(tái)了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 30190—2013《石灰石粉混凝土》，該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定在混凝土中可以摻入一定比例的石灰石粉[5]。白云巖石粉的主要化學(xué)成分與石灰石粉相近，近年來，我國(guó)對(duì)白云巖石粉在混凝土中的應(yīng)用也進(jìn)行了相關(guān)的研究。孫麗麗等[6]用白云巖石粉作為礦物摻和料，替代 50% 的粉煤灰，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：白云巖石粉對(duì)混凝土強(qiáng)度影響不大，但對(duì)混凝土的耐久性能，如碳化、收縮、抗凍性有提高。李明衛(wèi)等[7]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在碾壓混凝土中，石粉對(duì)混凝土強(qiáng)度影響較大，石粉含量應(yīng)控制在 23.6%～25.6%。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中根據(jù)已有研究結(jié)果基本上把石灰石粉摻量控制在 20%，最高不超過 25%。針對(duì)低強(qiáng)等級(jí)大流動(dòng)性混凝土和易性不良，經(jīng)常出現(xiàn)離析、泌水、漿體稠度太低、包裹性差等問題，筆者認(rèn)為在 C30 及以下等級(jí)混凝土不宜降低膠凝材料用量，可以使用較大摻量碳酸鹽石粉，相對(duì)較低的水膠比，充分保障混凝土粘聚性和包裹性。

1 原材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

（1）水泥：采用北京市金隅水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5 水泥，其主要物理性能如表1 所示。

表1 水泥指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（2）粉煤灰：采用北京敬業(yè)達(dá)公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰。其主要性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 粉煤灰主要指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（3）礦渣粉：采用三河市天龍新型建材有限公司生產(chǎn)的 S95 礦渣粉。其主要的性能指標(biāo)如表3 所示。

表3 礦渣粉主要指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（4）白云巖石粉：采用河北順和建筑材料有限公司生產(chǎn)的白云巖機(jī)制砂中的 75μm 以下石粉，其物理性能如表4 所示。

表4 白云巖石粉物理性能

（5）細(xì)骨料

采用河北順和建筑材料有限公司生產(chǎn)的白云巖機(jī)制砂，典型的“兩頭大、中間小”。其物理性能如表5，級(jí)配如表6 所示。

表5 白云巖機(jī)制砂物理性能

表6 白云巖機(jī)制砂級(jí)配

采用北京榆構(gòu)有限公司的河砂，其物理性能及級(jí)配如表7、8 所示。

表7 河砂物理性能

表8 河砂級(jí)配

（6）粗骨料：采用北京榆構(gòu)有限公司的石灰?guī)r碎石，5～10mm、10～20mm 按 5:5 比例混合，其性能指標(biāo)見表9。

表9 粗骨料指標(biāo)

（7）減水劑：采用北京市高強(qiáng)混凝土有限責(zé)任公司的聚羧酸減水劑，具體性能指標(biāo)[8-9]見表10。

表10 混凝土外加劑性能指標(biāo)

（8）水：自來水。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 白云巖石粉膠砂試驗(yàn)

將白云巖石粉按 0%、10%、20%、30%、40%、50% 等質(zhì)量取代水泥與礦粉雙摻，水膠比均為 0.5，配合比設(shè)計(jì)如表11。

表11 白云巖石粉膠砂配合比 kg

1.2.2 白云巖石粉混凝土試驗(yàn)

基準(zhǔn)組參考 JGJ 55—2011《混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中規(guī)定，選用 C15、C20、C25、C30 這四種常用設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，配合比設(shè)計(jì)如表12，試驗(yàn)組將石粉按照 30%、35%、40%、45% 的摻量分為4 個(gè)大組，其中每個(gè)摻量對(duì)應(yīng)三個(gè)或兩個(gè)水膠比，一共11 組，B-1～B-6 膠材總量為 376kg/m3，砂率為 45%，B-7～B-11 膠材總量為 350kg/m3，砂率為 46%，所有組礦粉摻量均為 15%。石粉來自白云巖機(jī)制砂中 75μm 以下部分，配合比設(shè)計(jì)如表13。

表12 基準(zhǔn)組混凝土配合比 kg/m3

表13 白云巖石粉試驗(yàn)組混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 白云巖石粉對(duì)膠砂性能的影響

由表14 和圖1、2 可知：

圖1 白云巖石粉膠砂抗壓強(qiáng)度圖

表14 白云巖石粉對(duì)膠砂力學(xué)性能的影響

整體上看，膠砂各組隨著齡期的增加強(qiáng)度越來越高；摻白云巖石粉的水泥膠砂組 3d、7d、28d 的抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組，而且隨著石粉摻量的增大呈下降趨勢(shì)；石粉摻量在 30%～50%，B-30、B-40、B-50 組膠砂 28d 強(qiáng)度為 30.3MPa、24.7MPa、20.6MPa，與基準(zhǔn)組相比，強(qiáng)度分別下降了 38%、50%、58%，膠砂各組抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度規(guī)律基本一致，石粉摻量每增大10%，膠砂 28d 抗折強(qiáng)度下降約 10%。

圖2 白云巖石粉膠砂抗折強(qiáng)度

2.2 大摻量白云巖石粉對(duì)混凝土性能的影響

2.2.1 大摻量白云巖石粉對(duì)混凝土和易性的影響

為達(dá)到大流動(dòng)性的要求，通過調(diào)整減水劑的摻量來使混凝土的坍落度范圍控制在 200～240mm，擴(kuò)展度范圍控制在 500～600mm，混凝土和易性見表15。

表15 白云巖石粉混凝土和易性

基準(zhǔn)組隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)下降，減水劑用量增大，和易性變差。C30-J 組和易性良好，C25-J 組通過調(diào)整減水劑的用量和易性可以滿足大流態(tài)的要求，但是每方混凝土減水劑用量增大一倍，為 4.5kg，經(jīng)濟(jì)性差；C20-J 和 C15-J 組因?yàn)闈{體太少，無法包裹骨料，和易性差，即使增大減水劑用量和易性也達(dá)不到大流動(dòng)性混凝土的要求，沒有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。與基準(zhǔn)組相比，大摻量白云巖石粉混凝土試驗(yàn)組整體和易性良好，滿足大流動(dòng)性混凝土的要求，B-6、B-11 組有輕微離析泌水，試驗(yàn)組各組每方混凝土減水劑用量均低于 2kg，有良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益。

2.2.2 大摻量白云巖石粉對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響

白云巖石粉各組 7d、14d、28d 齡期立方體抗壓強(qiáng)度見表16。

表16 白云巖石粉混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

從 28d 強(qiáng)度來看：當(dāng)每方混凝土膠材總量 376 kg，白云巖石粉摻量為 30% 時(shí)，B-3 組達(dá)到 C30 混凝土配制強(qiáng)度，B-1、B-2 組達(dá)到 C25 混凝土配制強(qiáng)度。石粉摻量 40% 時(shí)，B-6 組達(dá)到 C30 混凝土配制強(qiáng)度，B-4、B-5 組達(dá)到 C25 混凝土配制強(qiáng)度。

當(dāng)每方混凝土膠材總量 350kg，石粉摻量 35% 時(shí)，B-8、B-9 組達(dá)到 C20 混凝土配制強(qiáng)度，B-7 組達(dá)到 C15混凝土配制強(qiáng)度。石粉摻量 45%，B-10、B-11 組達(dá)到C15 混凝土配制強(qiáng)度。

2.3 大摻量白云巖石粉對(duì)混凝土成本的影響

試驗(yàn)所用原材料價(jià)格如表17 所示，因 C20-J、C15-J 組和易性較差，故不做對(duì)比，各組混凝土成本分析如表18。

表17 原材料價(jià)格 元/t

表18 混凝土材料成本分析 元/m3

對(duì)于 C30 混凝土，試驗(yàn)中成本均低于基準(zhǔn)組，其中 B-3 組水泥用量減少 15kg/m3，成本降低約 36.7 元，B-6 組水泥用量減少 53kg/m3，成本降低約 50 元。對(duì)于C25 混凝土 B-1、B-2 組水泥用量減少 7kg/m3，成本降低約 40 元左右，B-4、B-5 組水泥用量減少 45kg/m3，成本降低約 55 元左右。

3 結(jié)論

（1）白云巖石粉有良好的需水行為，摻加石粉各組的流動(dòng)度均大于基準(zhǔn)組，摻入石粉改善了膠砂的流動(dòng)性。

（2）大摻量白云巖石粉混凝土單方膠凝材料總量為 376kg，其中石粉摻量 30% 時(shí)，水膠比 0.43 時(shí)混凝土和易性好、28d 強(qiáng)度滿足 C30 混凝土配制強(qiáng)度要求，水泥用量減少 15kg/m3，外加劑用量減少 0.7kg/m3，單方混凝土節(jié)省成本約 36.7 元；石粉摻量 40% 時(shí)，水膠比 0.41 時(shí)混凝土和易性較好、28d強(qiáng)度滿足 C30 混凝土配制強(qiáng)度要求，水泥用量減少 65kg/m3，外加劑用量減少 0.2kg/m3，單方混凝土節(jié)省成本約 50 元。

（3）大摻量白云巖石粉混凝土單方膠凝材料總量為 376kg，其中石粉摻量 30% 時(shí)，水膠比 0.47 和 0.45時(shí)混凝土和易性好、28d 強(qiáng)度滿足 C25 混凝土配制強(qiáng)度要求，水泥有所減少，外加劑用量顯著降低，單方混凝土節(jié)省成本約 40 元；石粉摻量 40% 時(shí)，水膠比 0.45 和0.43 時(shí)混凝土和易性較好、28d 強(qiáng)度滿足 C25 混凝土配制強(qiáng)度要求，水泥用量減少 45kg/m3，外加劑用量顯著降低，單方混凝土節(jié)省成本約 55 元。

（4）大摻量白云巖石粉混凝土膠材總量為 350kg試驗(yàn)組可以滿足 C20 和 C15 混凝土和易性好，配制強(qiáng)度要求，水泥用量和外加劑用量顯著降低。

（5）考慮到白云巖機(jī)制砂石粉含量為 10%，所以混凝土中實(shí)際石粉含量更大。白云巖石粉摻入混凝土中，既可以彌補(bǔ)中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土因?yàn)闈{體不足的缺陷，改善混凝土的和易性、提高混凝土的密實(shí)度，又降低了混凝土的成本，石粉也可以得到有效的利用。具有很好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。