凝灰?guī)r石粉復(fù)合摻合料對混凝土性能的影響研究

唐超群，羅 恒，任龍芳，吳慶霞，夏京亮

(1.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013)

隨著“一帶一路”倡議的推進(jìn)和國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的加大，混凝土作為最大宗的土木工程材料用量逐年提升。2021年我國提出的“雙碳”指標(biāo)給建材行業(yè)的低碳減排提出了更高要求。由于水泥行業(yè)的碳排放量占據(jù)全國碳排放量的12%[1]，不利于碳減排和碳中和實(shí)現(xiàn)，因此急需開發(fā)一些碳足跡更低的膠凝材料。

礦物摻合料替代部分水泥用于混凝土制備，不僅可以減少碳排放、實(shí)現(xiàn)固廢綜合利用，同時也可改善混凝土的微結(jié)構(gòu)和工作性，提高混凝土的密實(shí)性[2]，對混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性有一定提升，是制備低碳混凝土的重要組成材料。目前常用的礦物摻合料有粉煤灰、硅灰、礦渣粉等，然而近幾年大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)導(dǎo)致粉煤灰等傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)摻合料逐漸緊缺，以致頻繁出現(xiàn)摻假、造假等事件，加之很多“一帶一路”沿線國家本身缺乏傳統(tǒng)礦物摻合料，導(dǎo)致部分重點(diǎn)工程質(zhì)量難以保障，尋找或開發(fā)替代性的材料用于低碳混凝土的制備刻不容緩。

由中國路橋工程有限公司承建的金港(金邊-西哈努克港)高速公路工程沿線存在大量的凝灰?guī)r，凝灰?guī)r機(jī)制砂制備過程中會產(chǎn)生大量的凝灰?guī)r石粉，經(jīng)調(diào)研和試驗(yàn)可知，當(dāng)?shù)啬規(guī)r石粉具有一定的化學(xué)活性，可替代粉煤灰和水泥制備低碳混凝土。目前，國內(nèi)外對于巖石粉作為摻合料制備混凝土的研究主要集中在石灰石粉[3,4]，而凝灰?guī)r石粉的研究較少。該文結(jié)合工程現(xiàn)場產(chǎn)出的巖石粉，將凝灰?guī)r機(jī)制砂石粉和部分石灰石粉復(fù)合，替代部分粉煤灰和水泥，研究其作為復(fù)合摻合料制備低碳混凝土的技術(shù)可行性，解決“一帶一路”沿線國家礦物摻合料短缺問題。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1)水泥：采用PO42.5水泥，物理力學(xué)性能詳見表1。

表1 水泥物理性能指標(biāo)

2)砂：采用柬埔寨地區(qū)生產(chǎn)的機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.86，石粉含量為8.4%，MB值為1，需水比為102%，單級最大壓碎指標(biāo)為16.5%，松散堆積密度為1 650 kg/m3。

3)粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度(45 μm篩余)12.5%，7 d、28 d活性指數(shù)分別72%、74%。

4)凝灰?guī)r石粉：主要為柬埔寨地區(qū)生產(chǎn)凝灰?guī)r機(jī)制砂產(chǎn)生的石粉，其化學(xué)成為SiO2、Al2O3和Fe2O3等，詳見表2。

表2 凝灰?guī)r石粉的化學(xué)組成 w/%

5)石灰石粉：細(xì)度(45 μm篩余)3%，28 d活性指數(shù)62.5%，其化學(xué)成為SiO2、CaO和MgO等，詳見表3。

表3 石灰石粉的化學(xué)成分 w/%

6)減水劑：聚羧酸減水劑，固含量30%，減水率27%。

7)水：自來水。

1.2 試驗(yàn)配合比

研究凝灰?guī)r機(jī)制砂石粉(NF)、石灰石粉(SF)及粉煤灰(FA)單一或復(fù)合替代水泥用于機(jī)制砂混凝土中對混凝土性能的影響,配合比見表4，其中摻合料總摻量占膠凝材料總質(zhì)量的30%，而水泥質(zhì)量始終保持為膠凝材料的70%，水膠比恒定為0.46。

表4 混凝土試驗(yàn)配比 /kg

1.3 試驗(yàn)方法

按照《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50080—2002測定混凝土坍落度、擴(kuò)展度等；按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081—2002測定混凝土7 d、28 d、56 d的抗壓強(qiáng)度;按照《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082—2009測定混凝土的干燥收縮性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 凝灰?guī)r石粉細(xì)度的確定

為確定凝灰?guī)r石粉用于混凝土中的最佳細(xì)度，該試驗(yàn)將凝灰?guī)r石粉分別粉磨10 min、20 min、30 min、50 min，并將其按照Y-3的配合比制備凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土，測試不同粉磨時間對凝灰?guī)r石粉比表面積的影響，進(jìn)而驗(yàn)證其用于混凝土中，細(xì)度對混凝土工作性及抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表5、圖1所示。從表5可以看出隨粉磨時間的延長，機(jī)械粉磨能耗增加，凝灰?guī)r石粉比表面積逐漸增大，當(dāng)粉磨時間達(dá)到30 min時，繼續(xù)延長粉磨時間，凝灰?guī)r石粉的比表面積增長緩慢。因?yàn)槭鄣竭_(dá)一定細(xì)度后，顆粒之間的作用力增大而將顆粒粘附在一起，若繼續(xù)增大粉體細(xì)度，只會過分增加機(jī)械粉磨能耗。通過凝灰?guī)r石粉細(xì)度對混凝土工作性的影響數(shù)據(jù)可以看出：隨石粉比表面積的增加，機(jī)制砂混凝土的坍落度和擴(kuò)展度逐漸增大，1 h坍落度損失降低，均沒有產(chǎn)生離析、泌水。

表5 凝灰?guī)r石粉細(xì)度對混凝土拌合物工作性的影響

從圖1可以看出，隨凝灰?guī)r石粉比表面積的增大，機(jī)制砂混凝土7 d、28 d和56 d的抗壓強(qiáng)度均隨比表面積的增大逐漸增大。主要因?yàn)榉勰サ耐瑫r磨掉了石粉表面的惰性層，加快了活性物質(zhì)溶出和水泥水化的速度，且粉磨后的石粉顆粒粒徑小于水泥，適量摻入可以改善膠凝材料顆粒級配，有效填充水泥間孔隙，改善孔結(jié)構(gòu)，提升混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)性，進(jìn)一步提升混凝土抗壓強(qiáng)度。綜合考慮石粉細(xì)度和粉磨能耗的影響，凝灰?guī)r石粉最佳粉磨時間為30 min。

2.2 摻合料對混凝土拌合物工作性能的影響

凝灰?guī)r機(jī)制砂石粉(NF)、石灰石粉(SF)及粉煤灰(FA)單一或復(fù)合替代30%膠凝材料用于混凝土中對混凝土拌合物工作性能的影響如表6所示。

表6 摻合料對混凝土拌合物工作性能的影響

從表6可以看出，未摻加摻合料的混凝土拌合物坍落度經(jīng)時損失較大，工作性不好，主要因?yàn)闄C(jī)制砂相對于河砂表面粗糙，形狀不規(guī)則，多棱角，相同水膠比下制備的混凝土工作性較差。但在混凝土中摻加摻合料可以明顯改善混凝土工作性，復(fù)合摻合料相對于單一摻合料用于混凝土中，具有更好的坍落度保持能力和較好的粘聚性、流動性。

2.3 摻合料對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

摻合料對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如表7所示，可以看出：單一摻合料替代部分水泥制備的混凝土相較于純水泥制備的混凝土抗壓強(qiáng)度均有所降低，特別對7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度影響較大，說明粉煤灰、凝灰?guī)r石粉和石灰石粉在一定程度上減小了混凝土的早期強(qiáng)度。對于摻加單一摻合料的混凝土強(qiáng)度：單摻粉煤灰高于單摻凝灰?guī)r石粉高于單摻石灰石粉，說明各摻合料活性：粉煤灰>凝灰?guī)r石粉>石灰石石粉。對于混凝土的早期強(qiáng)度(7 d)和中期強(qiáng)度(28 d)，純水泥體系略高于復(fù)合摻合料體系，隨齡期的繼續(xù)延長到56 d時，20%粉煤灰+10%凝灰?guī)r石粉復(fù)摻比純水泥體系抗壓強(qiáng)度增長1.84%，10%粉煤灰+20%凝灰?guī)r石粉復(fù)摻比純水泥體系抗壓強(qiáng)度增長2.03%，10%粉煤灰+10%凝灰?guī)r石粉+10%石灰石粉比純水泥體系抗壓強(qiáng)度增長0.37%，20%凝灰?guī)r石粉+10%石灰石粉比純水泥體系抗壓強(qiáng)度降低1.29%，綜合來看，粉煤灰和凝灰?guī)r石粉復(fù)合摻合料對機(jī)制砂混凝土后期強(qiáng)度提升明顯，主要因?yàn)槟規(guī)r石粉和粉煤灰均具有“火山灰效應(yīng)”，在水泥水化過程中可以起到晶核作用，能加速水泥水化反應(yīng)的發(fā)生和水化物的形成[5]。不同粒徑的摻合料復(fù)合可以充分發(fā)揮顆粒間的協(xié)同效應(yīng)和互補(bǔ)效應(yīng)，優(yōu)化顆粒間級配、降低有害孔，使混凝土漿體更加密實(shí)，進(jìn)一步提升混凝土抗壓強(qiáng)度。石灰石粉作為摻合料一定程度上會降低混凝土強(qiáng)度，但石灰石粉在一定程度上可以改善混凝土的工作性，在工程應(yīng)用中，可在保證混凝土抗壓強(qiáng)度的基礎(chǔ)上少量摻加部分石灰石粉。

表7 摻合料對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響 /MPa

2.4 復(fù)合摻合料對混凝土干燥收縮性能的影響

混凝土收縮會導(dǎo)致混凝土開裂、結(jié)構(gòu)變形等，干燥收縮是混凝土硬化后的主要收縮，約占混凝土總收縮的80%～90%，控制混凝土干燥收縮對提升混凝土耐久性具有重要意義。

復(fù)合摻合料對混凝土干燥收縮性能的影響如圖2所示。可以看出：幾種混凝土的干燥收縮變化趨勢大體一致，28 d之前增長速度較快，隨齡期延長增長減緩；復(fù)合摻合料相對純水泥體系混凝土干燥收縮減小，說明復(fù)合摻合料對混凝土干燥收縮具有抑制作用，主要因?yàn)閺?fù)合摻合料密度較水泥小，同質(zhì)量膠凝材料下，粉料體積大，混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，干燥收縮減小，同時水泥水化反應(yīng)也會加大混凝土收縮。對比4種復(fù)合摻合料，60 d之前，Y-5和Y-6的干燥收縮均小于Y-7和Y-8，隨齡期繼續(xù)延長，Y-5和Y-6干燥收縮值反超Y-7和Y-8，逐漸接近純水泥混凝土。分析原因：粉煤灰和凝灰?guī)r石粉的化學(xué)活性在后期得到激活，不斷參與水化反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土干燥收縮增加。

3 結(jié) 論

a.粉磨時間超過30 min，凝灰?guī)r石粉比表面積增長緩慢，隨石粉比表面積的增加，機(jī)制砂混凝土工作性變好，抗壓強(qiáng)度增大。綜合考慮石粉細(xì)度和粉磨能耗的影響，凝灰?guī)r石粉最佳粉磨時間為30 min。

b.復(fù)合摻合料相對單一摻合料制備的機(jī)制砂混凝土，工作性能更好；摻合料的摻入減小了混凝土的早期強(qiáng)度，但粉煤灰和凝灰?guī)r石粉復(fù)合摻合料對機(jī)制砂混凝土后期強(qiáng)度有一定提升。

c.復(fù)合摻合料的摻入能抑制混凝土的干燥收縮，但在后期，粉煤灰和凝灰?guī)r石粉活性被激發(fā)，混凝土干燥

收縮增加。石灰石粉雖會降低混凝土抗壓強(qiáng)度，但可以改善混凝土工作性、降低混凝土干燥收縮。