響巖機制砂石粉含量對混凝土性能的影響

肖志敏，萬永旺

(中交四航局第一工程有限公司，廣州 510000)

東非肯尼亞首都內(nèi)羅畢存在大量的響巖礦，內(nèi)羅畢附近工程項目大多采用響巖機制砂作為細骨料。響巖屬于火成巖，主要礦物成分有堿性長石、副長石、堿性輝石和堿性角閃石。我國對機制砂的應(yīng)用研究較多，但大多集中在石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖、凝灰?guī)r等巖石。周永祥等人[1]系統(tǒng)地研究了石灰石粉對混凝土性能的影響規(guī)律。謝慧東[2]通過試驗認為石灰石粉的加入不僅可以改善混凝土工作性能，還可提高混凝土抗壓強度。鄧蕾[3]對花崗巖機制砂混凝土的性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)機制砂會顯著的影響混凝土的流變性能，增大拌合物的塑性強度。雷濤[4]研究發(fā)現(xiàn)玄武巖石粉能改善混凝土的工作性能，但對后期的強度增長效應(yīng)不及粉煤灰。除此之外， Shend等[5]人研究發(fā)現(xiàn)，機制砂的顆粒形狀對混凝土的性能影響不大，而機制砂中的石粉對混凝土的性能影響更為顯著。因此，有學(xué)者對不同石粉含量混凝土性能進行了試驗研究。王稷良[6]測試了不同石粉含量對不同強度等級混凝土的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)石灰石粉含量大于7%時，高強機制砂混凝土工作性出現(xiàn)劣化。張鵬舉[7]采用綠泥巖粉等質(zhì)量取代機制砂，結(jié)果表明含量超過10%會減緩混凝土抗壓強度的發(fā)展。雷濤[4]研究表明玄武巖石粉能改善混凝土的性能，但其摻量不宜大于10%。楊海成[8]利用花崗巖石粉制備C80混凝土，當(dāng)石粉含量為4.5%～6.5%時制備的高強混凝土工作性良好。

上述研究為確定響巖機制砂合理的石粉含量提供一定的參考，但響巖機制砂石粉含量對混凝土性能的影響研究較少。該文以肯尼亞內(nèi)羅畢的響巖機制砂為細骨料配制C30、C50混凝土，研究石粉含量對響巖機制砂混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響，為響巖機制砂在肯尼亞內(nèi)羅畢快速路混凝土工程的應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1 試 驗

1.1 原材料

1)水泥：采用肯尼亞當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的CEMⅠ42.5水泥，凝結(jié)時間為初凝165 min，終凝267 min，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26%，3 d抗壓強度27.1 MPa，28 d抗壓強度為52.3 MPa。

2)細骨料：采用肯尼亞內(nèi)羅畢響巖機制砂，細度模數(shù)2.9，石粉含量3%，亞甲藍值0.8，飽和面干吸水率2.3%，壓碎值21.6%，堅固性12.8%。

3)粗骨料：采用肯尼亞響巖加工而成，粒徑為5～25 mm連續(xù)級配碎石。

4)粉煤灰：印度進口Ⅱ級粉煤灰，細度(45 μm篩篩余)14.6%，需水量比98%。

5)石粉為響巖機制砂生產(chǎn)過程收集的石粉，細度為45 μm篩余23%。

6)外加劑采用聚羧酸系高性能減水劑，含固量為15.6%，減水率21.2%。

1.2 響巖機制砂混凝土配合比

參照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)配制C30、C50強度等級混凝土，其中水灰分別為0.44和0.33；砂率分別為0.44和0.42，分別采用石粉含量為3%、6%、9%、12%的響巖機制砂配制混凝土，配合比見表1。

表1 試驗混凝土配合比 w/(kg·m-3)

1.3 響巖機制砂混凝土試驗方法

混凝土拌合物性能按照《普通混凝土拌和物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50080—2016測試坍落度、擴展度、經(jīng)時損失；力學(xué)性能按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081—2019進行測試，抗壓強度采用正方形試塊，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，抗壓強度試驗齡期為7 d、28 d、56 d，抗壓彈性模量試驗齡期為28 d、56 d；混凝土耐久性能按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082—2009進行，標(biāo)養(yǎng)到規(guī)定時間后進行電通量和碳化測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 響巖機制砂混凝土拌合物性能

該試驗研究了不同石粉含量響巖機制砂對C30、C50混凝土拌合物的坍落度、擴展度及經(jīng)時損失，如表2所示。同等級強度的混凝土隨著石粉含量的增加，減水劑的用量增加，這與Gesolu[9]得出的結(jié)論一致，主要是由于石粉對減水劑具有一定的吸附作用且石粉的細度更高[10]。與此同時，當(dāng)石粉摻量為12%時，C30減水劑用量為4.6 kg/m3，C50減水劑用量為7.9 kg/m3，分別比石粉含量為3%的機制砂配制C30、C50混凝土增加了7.0%、9.7%。此外，隨著石粉含量的增加，C30、C50混凝土拌合物擴展度均有增大趨勢，說明石粉的摻入有助于改善拌合物流動性。石粉含量對拌合物經(jīng)時損失影響不明顯，主要的原因是經(jīng)時損失主要取決于水化產(chǎn)物生成三維膠結(jié)結(jié)構(gòu)的程度，而混凝土配合比設(shè)計過程中控制水泥摻量不變，因此響巖石粉的摻入對流動度的保持影響較小。

表2 響巖機制砂石粉含量對混凝土工作性能的影響

2.2 響巖機制砂混凝土力學(xué)性能研究

適量的石粉有利于改善機制砂混凝土的和易性，且有利于提高混凝土密實度，可降低混凝土早期開裂的風(fēng)險。然而，隨著石粉含量的增加，超過一定范圍之后，反而會降低混凝土結(jié)構(gòu)的強度[7,11]。

為了解響巖機制砂石粉摻量對混凝土力學(xué)性能的影響，測試了C30、C50不同齡期的抗壓強度如圖1所示。從圖中可以看出，對于C30混凝土，隨著機制砂石粉含量的增加，混凝土的抗壓強度逐漸增大，主要是因為石粉在混凝土中起到的微集料填充作用，使混凝土結(jié)構(gòu)致密、強度提高。C30早期強度的增長主要原因是低強混凝土早期孔隙率較大，石粉的填充作用占主導(dǎo)作用，效果顯著。對于C50混凝土，隨著機制砂石粉含量的增加，混凝土強度先升高后降低，在石粉含量9%時抗壓強度最高，石粉含量繼續(xù)增加至12%時，C50混凝土3 d、7 d、28 d、56 d分別下降0.9%、3.7%、6.1%、7.3%，強度下降的主要原因是因為過多的石粉導(dǎo)致混凝土中有一部分游離態(tài)石粉，這部分石粉出現(xiàn)在水泥石或者混凝土的界面過渡區(qū)，將不利于集料與水泥石的膠結(jié)，宏觀上表現(xiàn)為混凝土強度的下降[12]。由此可以看到，對于C30混凝土，當(dāng)響巖機制砂石粉含量為12%時，對混凝土的抗壓強度發(fā)展有利；對于C50混凝土，當(dāng)響巖機制砂石粉含量為9%時，混凝土的抗壓強度最優(yōu)，繼續(xù)提高石粉含量，混凝土抗壓強度降低明顯。

不同響巖機制砂石粉含量對混凝土彈性模量的影響如圖2所示。對于C30混凝土，石粉含量的增加對其彈性模量的波動較小。然而對于C50混凝土來說，石粉含量在3%～9%之間時，其彈性模量持續(xù)提高；石粉含量超過9%后，混凝土的彈性模量開始降低。

2.3 混凝土耐久性能研究

2.3.1 抗氯離子滲透能力

該試驗研究機制砂石粉含量對混凝土電通量的影響，試驗結(jié)果如圖3所示。首先對于C30混凝土來說，當(dāng)響巖機制砂石粉從3%增加至12%時，不論28 d還是56 d其電通量均隨石粉摻量的增加而減小，證明一定含量的響巖石粉促進了機制砂混凝土骨料的最緊密堆積，降低了混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙率。當(dāng)石粉含量從9%增加到12%時，28 d、56 d電通量降低不明顯，說明石粉對機制砂混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的積極影響作用已接近飽和。C50混凝土受石粉摻量的影響變化更加顯著：響巖石粉摻量在3%～9%之間時，隨著石粉摻量的不斷增加，其電通量呈不斷減小的趨勢，這與C30混凝土的規(guī)律相一致。然而石粉摻量從9%增加到12%，C50其28 d電通量從1 764 C增加到1 904 C，56 d電通量從1 287 C增加到1 341 C，其電通量數(shù)值大小已提高到不摻石粉時的電通量。上述現(xiàn)象的主要原因在于：石粉摻入對混凝土結(jié)構(gòu)具有雙重作用。積極作用方面，石粉顆粒在混凝土中具有“微集料填充效應(yīng)”、“微晶核效應(yīng)”，可以降低混凝土的孔隙率，加速膠凝材料水化，從而使得結(jié)構(gòu)體更加密實。負面作用主要指混凝土配合比中機制砂的總量是一定的，響巖石粉取代率的增加，意味著大顆粒機制砂含量的相對減少，游離的細石粉顆粒之間存在大量的界面過渡區(qū)，而界面過渡區(qū)正是混凝土結(jié)構(gòu)中最薄弱環(huán)節(jié)，不利于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的提高。C50混凝土中由于水膠比較低，結(jié)構(gòu)相對密實，石粉填充效應(yīng)不明顯，多余的石粉對混凝土結(jié)構(gòu)的負面作用占主導(dǎo)地位，進而導(dǎo)致電通量增大。

2.3.2 抗碳化性能

CO2氣體通過孔隙或氣泡等向混凝土內(nèi)部擴散，和水發(fā)生作用生成碳酸，并與Ca(OH)2等堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)的過程稱之為碳化。碳化會導(dǎo)致混凝土堿度下降，導(dǎo)致鋼筋鈍化保護膜失效，鋼筋銹蝕，同時生成的碳酸鈣等物質(zhì)會增大孔隙率，造成結(jié)構(gòu)耐久性損傷。因此，該試驗通過測試不同石粉含量響巖機制砂對C30、C50混凝土碳化深度的影響，試驗結(jié)果如圖4所示。

由于C50混凝土相比于C30混凝土，水膠比低，有害孔比率小，宏觀上表現(xiàn)為抗壓強度高，碳化深度小。值得注意的是，石粉的含量對兩種等級的混凝土抗碳化性能規(guī)律并不一致。對于C30混凝土，隨著響巖石粉含量提高，其碳化深度不斷降低，響巖機制砂石粉含量12%時混凝土碳化深度比石粉含量3%時混凝土3 d、7 d、14 d、28 d碳化深度分別下降了8.8%、12.2%、13.5%、12.5%。C30混凝土水膠比較高，石粉的摻入，填充了大量有害孔及連通孔，使得顆粒間的空隙減少，密實度提高，緩沖CO2滲透速度，其石粉的最佳摻量應(yīng)在9%以上。然而，對于C50混凝土，相同碳化時間下，隨著石粉摻量的增加，碳化深度呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，石粉摻量為3%～9%時，碳化深度降低，石粉摻量超過9%，碳化深度開始增加。綜上所述，響巖機制砂石粉的摻量存在一個最優(yōu)值，不同強度等級的混凝土石粉最佳摻量并不一致，適量石粉的摻入可提高混凝土的抗碳化性能。

3 結(jié) 論

a.隨著響巖機制砂石粉含量的增加，外加劑用量有所增加，混凝土拌合物和易性有所改善。

b.對于C30混凝土，隨著機制砂石粉含量從3%提高至12%時，混凝土抗壓強度和彈性模量有所提高；對于C50混凝土，隨著機制砂石粉含量從3%提高至12%時，混凝土抗壓強度和彈性模量先升高后降低，當(dāng)石粉含量為9%時力學(xué)性能最優(yōu)。

c.對于C30混凝土，隨著機制砂石粉含量從3%提高至12%時，混凝土抗氯離子滲透性能和抗碳化性能有所提高；對于C50混凝土，隨著機制砂石粉含量從3%提高至12%時，混凝土抗氯離子滲透性能和抗碳化性能先升高后降低，當(dāng)石粉含量為9%時耐久性能最優(yōu)。