基于石粉混凝土的物理性能及抗碳化性能研究

劉登賢，崔賀龍，張榮華

(四川華西綠舍建材有限公司，四川 成都 610051)

0 前 言

將石粉以輔助膠凝材料或礦物摻合料的形式摻入混凝土中已變得愈來愈普遍，這樣不僅減少了環(huán)境污染問題，還將石粉有效地進(jìn)行了資源化利用，緩解了不可再生資源短缺問題，同時也降低了混凝土原材料成本，實(shí)現(xiàn)建材行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。冷冬等[2]認(rèn)為，隨著石粉含量的增加，混凝土含氣量和增實(shí)因數(shù)減小，各齡期抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)一定的下降趨勢，當(dāng)石粉含量為9%～11%，軌枕混凝土表面氣泡較少、顏色均勻，外觀質(zhì)量良好，且各個指標(biāo)均符合(TB/T 3275—2011)要求，軌枕靜載試驗合格；鄢佳佳等[3]認(rèn)為，當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量為7 wt%時，高性能火山灰混凝土的工作性能最佳，抗壓強(qiáng)度和抗壓彈性模量均達(dá)到最大值，混凝土抗碳化性能水平最高，同時氯離子擴(kuò)散系數(shù)處在最小值范圍。高瑞軍等[4]利用XRD、TOC、需水量測定、凈漿流動度和砂漿扭矩參數(shù)等測試方法研究了機(jī)制砂中石粉含量對水泥基材料流變行為影響及其作用機(jī)理，結(jié)果表明：水泥凈漿流動度的降低并不是由于石粉消耗自由水導(dǎo)致的，而是因為石粉和水泥對外加劑存在競爭吸附，水泥對聚羧酸減水劑的吸附能力更強(qiáng)，聚羧酸減水劑會優(yōu)先吸附在水泥顆粒表面上，石粉外摻時宏觀上表現(xiàn)出水泥凈漿流動度會下降，內(nèi)摻時水泥凈漿流動度會逐漸增大。

摻入一定比例的石粉可以有效改善混凝土的工作性能與力學(xué)性能，并能夠提高其抗碳化性能以及抗氯離子侵蝕能力。然而，在混凝土中以輔助膠凝材料形式單獨(dú)摻入石粉對其強(qiáng)度提高幅度較小，對于復(fù)合摻加石粉于混凝土中的研究相對較少，故本文通過粉煤灰、?；郀t礦粉與磷渣粉分別與石粉復(fù)合摻加于混凝土中，重點(diǎn)研究了石粉的細(xì)度、摻量及其復(fù)合比例對混凝土流動度與強(qiáng)度及抗碳化性能的影響。

1 試 驗

1.1 原材料

1)膠凝材料。本試驗選用了峨勝P·O42.5R水泥、博磊Ⅰ級磨細(xì)粉煤灰、中林廣升S95級?；郀t礦粉以及龍蟒化工磷渣粉，相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)如表1～2所示。

表1 水泥技術(shù)性能指標(biāo)

表2 礦物摻合料技術(shù)性能指標(biāo)

本試驗采用了三種不同細(xì)度的石粉，其45 μm篩余依次為26.6%、29.5%、35.8%，標(biāo)號依次為A、B、C，其對應(yīng)的28 d活性指數(shù)依次為71%、67%、62%，化學(xué)成分如表3所示。

表3 石粉的化學(xué)組成 %

2)骨料。本試驗采用的細(xì)骨料為機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，含水率為5.2%，含泥量≤3.0%；選用的粗骨料是分別為5～16 mm與5～31.5 mm粒徑的兩種連續(xù)級配骨料混合而成，其質(zhì)量比為85∶15，粗骨料粒型良好，含泥量均小于0.4%。

3)外加劑。本試驗采用的外加劑為聚羧酸高性能減水劑(簡稱HLP)，含固量為15%，與水泥有良好的適應(yīng)性，并具備一定的保坍效果，其減水率為20%。

1.2 試驗方法

1)流動性測試：參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法》(GB/T 50080—2002)測試混凝土拌合物的坍落度與擴(kuò)展度。

2)強(qiáng)度測試：參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)測試混凝土不同齡期下的抗壓強(qiáng)度。

3)抗碳化性能測試：參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)測試混凝土56 d的碳化深度。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 石粉細(xì)度與摻量對混凝土性能的影響

為了探究石粉細(xì)度與摻量對混凝土流動性、強(qiáng)度及抗碳化性能的影響，將三種細(xì)度的石粉分別摻于混凝土中，替代水泥質(zhì)量的0、5、10、15%，詳細(xì)配合比見表4(其中試驗組1設(shè)為基準(zhǔn)組)，其測試結(jié)果如圖1～2所示。

表4 不同細(xì)度石粉的混凝土配合比

圖1 石粉細(xì)度及摻量對混凝土流動性與強(qiáng)度的影響

由圖1可知，摻加一定比例的石粉后，混凝土拌合物的坍落度與擴(kuò)展度均高于基準(zhǔn)組，相比于A組與C組，B組提升幅度相對最大，且其提升幅度隨著石粉摻量的增加而降低。可見，摻加一定比例的石粉能夠改善混凝土的流動性，當(dāng)石粉細(xì)度為29.5%時，改善效果相對較好。

圖1中的強(qiáng)度數(shù)據(jù)表明：在摻入石粉后，混凝土的28 d強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組，其中B組提升幅度相對最大，且其提升幅度隨著石粉摻量的增加而增加；A組提升幅度相對較大，且其提升幅度隨著石粉摻量的增加而降低；C組提升幅度相對較小，其強(qiáng)度隨石粉摻量的增加而增加?？梢姡瑩郊右欢ū壤氖勰軌蚋纳苹炷恋?8 d強(qiáng)度，當(dāng)石粉細(xì)度為29.5%時，改善效果相對較好，此強(qiáng)度數(shù)據(jù)與流動性數(shù)據(jù)相一致。此外，摻入石粉后混凝土的7 d強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組，這說明石粉有益于混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展，對混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展起一定的制約作用。

由圖2可知，摻加三種細(xì)度石粉的混凝土碳化深度均隨著石粉含量的增加而增加。相比于B組與C組，A組碳化深度最小，均低于基準(zhǔn)組；B組中，當(dāng)石粉摻量為5%時，該細(xì)度石粉對混凝土的抗碳化性能有一定改善作用，當(dāng)其摻量超過10%后，混凝土的抗碳化性將大幅度減弱；C組碳化深度最大，且均大于基準(zhǔn)組?？梢?，三種細(xì)度石粉中，當(dāng)石粉細(xì)度為26.6%時，其抗碳化性能最好，且隨著石粉細(xì)度的增加，混凝土的抗碳化性能逐漸降低。

圖2 石粉細(xì)度及摻量對混凝土56 d碳化深度的影響

2.2 石粉與礦物摻合料復(fù)摻對混凝土性能的影響

基于以上試驗研究，從對混凝土流動性、強(qiáng)度、抗碳化性能的改善效果以及材料的成本經(jīng)濟(jì)方面綜合考慮，B類石粉(即細(xì)度為29.5%的石粉)具備一定的研究價值。故，本節(jié)試驗在內(nèi)摻B類石粉30%摻量的混凝土配合比基礎(chǔ)上，選用粉煤灰、礦粉、磷渣粉分別與石粉復(fù)摻，粉煤灰、礦粉、磷渣粉的摻加比例均依次為膠凝材料總質(zhì)量的0、5%、10%、15%、20%、25%、30%，詳細(xì)配合比見表5，其流動性與強(qiáng)度測試結(jié)果如圖3～5所示，其抗碳化性能測試結(jié)果如圖6所示。

表5 石粉與礦物摻合料復(fù)摻混凝土配合比

由圖3可知，在石粉混凝土體系中摻加粉煤灰后，混凝土的坍落度均有不同幅度的提升，對混凝土擴(kuò)展度變化的影響不大，且當(dāng)粉煤灰與石粉比例為2∶1時(即粉煤灰摻量為20%)，混凝土28 d強(qiáng)度提升幅度開始顯著，可高達(dá)38.7 MPa，已超過基準(zhǔn)組試塊的28 d強(qiáng)度；當(dāng)粉煤灰與石粉比例為5∶1時(即粉煤灰摻量為25%)，混凝土的強(qiáng)度提升幅度最大。宋少民等[5]的試驗結(jié)果也表明，復(fù)合摻加石粉-粉煤灰不僅能夠保證預(yù)拌砂漿對稠度的要求，而且可使其2 h稠度損失率低，還能提高預(yù)拌砂漿的抗壓強(qiáng)度，此現(xiàn)象與本試驗結(jié)果相一致。

由圖4可知，復(fù)合摻加石粉-礦粉對混凝土體系的坍落度與擴(kuò)展度變化影響不大，其7、28 d強(qiáng)度均有一定幅度的提升，且隨著礦粉摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度提升幅度越大；當(dāng)?shù)V粉的摻入比例為膠凝材料總質(zhì)量的10%時，混凝土28 d強(qiáng)度已高達(dá)38.4 MPa，已超過基準(zhǔn)組試塊的28 d強(qiáng)度；當(dāng)?shù)V粉的摻入比例為膠凝材料總質(zhì)量的25%時，混凝土28 d強(qiáng)度已高達(dá)47.7 MPa，已遠(yuǎn)超于基準(zhǔn)組試塊的28 d強(qiáng)度。可見，摻加礦粉有益于提升石粉混凝土體系的后期強(qiáng)度發(fā)展。

由圖5可知，摻入不同比例的磷渣粉后，混凝土的坍落度與流動度均有不同程度的增大，且二者變化趨勢相一致；當(dāng)磷渣粉的摻入比例為15%時，混凝土的坍落度與擴(kuò)展度相對最高，其抗壓強(qiáng)度也開始有明顯提升，此后，其強(qiáng)度隨著磷渣粉摻入比例的增加而增大，強(qiáng)度最高可達(dá)38.8 MPa。

由圖6可知，在分別摻入粉煤灰與磷渣粉后，混凝土的56 d碳化深度均出現(xiàn)了增高現(xiàn)象，且隨著粉煤灰/磷渣粉摻量的增加，混凝土的碳化深度逐漸增高?？梢?，石粉-粉煤灰或石粉-磷渣粉復(fù)摻均對混凝土的抗碳化性能產(chǎn)生了不利影響。在石粉-礦粉復(fù)合體系中，混凝土的碳化深度隨著礦粉摻入比例的增加逐漸出現(xiàn)了降低現(xiàn)象。表明，在石粉混凝土體系中引入礦粉，可有效改善混凝土的抗碳化性能，且礦粉的摻入比例越大，其抗碳化性能越好。

圖6 石粉與礦物摻合料復(fù)摻對混凝土抗碳化性能的影響

3 結(jié) 論

1)摻加一定比例的石粉能夠改善混凝土的流動性與其后期強(qiáng)度，當(dāng)石粉細(xì)度為29.5%時，改善效果最佳，且該細(xì)度石粉對于其后期強(qiáng)度的提升幅度隨著石粉摻量的增加而增加；在摻加的三種細(xì)度石粉的混凝土體系中，當(dāng)石粉細(xì)度為26.6%時，其抗碳化性能最好，且隨著石粉細(xì)度的增加，混凝土的抗碳化性能逐漸降低。

2)在石粉混凝土體系中，摻入一定比例的磷渣粉能夠改善整體的流動性，且當(dāng)磷渣粉的摻入比例為15%時，其流動性相對最好；復(fù)合摻加石粉-粉煤灰、粒化高爐礦粉-石粉均對混凝土的流動性影響不大。

3)摻加粒化高爐礦粉可有效提升石粉混凝土體系的強(qiáng)度，且其后期強(qiáng)度的提升幅度會隨礦粉摻量的增加而增大，復(fù)摻礦粉-石粉混凝土強(qiáng)度最高可達(dá)47.7 MPa；在石粉混凝土體系中，摻入一定比例粉煤灰可以改善其強(qiáng)度，當(dāng)粉煤灰與石粉的摻入比例達(dá)到2∶1時，復(fù)合體系混凝土的強(qiáng)度開始有明顯提升，后期強(qiáng)度超過基準(zhǔn)組強(qiáng)度；相比于礦粉與粉煤灰，復(fù)摻磷渣粉-石粉對混凝土強(qiáng)度的提升幅度相對較小。

4)在石粉混凝土體系中引入礦粉，可有效改善混凝土的抗碳化性能，且礦粉的摻入比例越大，其抗碳化性能越好；復(fù)合摻加石粉-粉煤灰或石粉-磷渣粉均不利于混凝土的抗碳化性能。

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