機(jī)制砂生產(chǎn)收塵石粉作礦物摻合料對混凝土性能的影響*

李 廣 呂敦祥 李北星 鄧俊雙

(1.江西省交通工程集團(tuán)有限公司 南昌 330000；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

近年來，關(guān)于巖石粉粉磨至一定細(xì)度作礦物摻合料替代水泥配制混凝土的應(yīng)用，主要集中在石灰?guī)r、花崗巖和玄武巖等巖石粉[1-4]，尤其是石灰石粉因其良好的減水效應(yīng)、微集料填充效應(yīng)和晶核效應(yīng)而應(yīng)用較為廣泛[5]，而片麻巖石粉在混凝土中的應(yīng)用研究較少。先前少量相關(guān)研究中，李顏秀等[6-7]認(rèn)為單摻片麻巖石粉會降低混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度，但片麻巖石粉與粉煤灰、礦粉的三元復(fù)合摻合料對混凝土的工作性、強(qiáng)度、收縮和電通量等均有所改善。云甲[8]研究了磨細(xì)片麻巖石粉對混凝土力學(xué)及抗凍性能的影響，認(rèn)為片麻巖石粉代水泥的摻量以10%為宜。

江西省宜春至遂川(宜遂)高速公路項(xiàng)目建有1條臺時產(chǎn)量100 t/h的干法機(jī)制砂生產(chǎn)線，制砂母巖為當(dāng)?shù)氐钠閹r巖石，機(jī)制砂生產(chǎn)中通過除塵和風(fēng)選設(shè)備收集到機(jī)制砂總產(chǎn)量約8%的廢石粉，即每小時會排放8 t左右的石粉副產(chǎn)物。為解決這些片麻巖石粉廢棄物外運(yùn)堆存造成的占地和環(huán)境污染問題及項(xiàng)目當(dāng)?shù)胤勖夯覔胶狭腺Y源緊缺、價格較高的問題，基于固廢就地資源化利用的原則，探尋了將片麻巖機(jī)制砂生產(chǎn)場的收塵石粉不進(jìn)行任何后期加工而直接替代粉煤灰用作礦物摻合料的可行性。不同巖石粉的性能差別很大，上述片麻巖收塵石粒多呈片狀，粒度較水泥和粉煤灰粗，有礙于微集料填充作用的發(fā)揮，組成礦物中又含有少量綠泥石和云母等層狀鋁硅酸鹽礦物，作為礦物摻合料對混凝土的工作性可能會有一定影響。為此，本文擬研究片麻巖收塵石粉的理化特性，通過制備不同石粉替代率的混凝土來進(jìn)行工作性、力學(xué)性能和耐久性的研究，并通過孔結(jié)構(gòu)測試分析石粉的微集料填充作用。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

試驗(yàn)用水泥為 P·O 42.5水泥，其28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為48.1,7.8 MPa；粉煤灰為F類II級粉煤灰，其細(xì)度(45 μm 篩余)為24.1%，燒失量為2.1%，流動度比88%，28 d強(qiáng)度活性指數(shù)為76%。

粗骨料為5～31.5 mm連續(xù)級配片麻巖碎石，由粒徑5～10 mm小石、10～20 mm中石和16～31.5 mm的大石按質(zhì)量比2∶5∶3搭配而成，其壓碎值為12.8%，含泥量為0.72%；細(xì)集料為10～20 mm片麻巖碎石在樓站式單獨(dú)干法制砂生產(chǎn)線中加工所得的機(jī)制砂，其細(xì)度模數(shù)為2.92，壓碎指標(biāo)為19.0%，石粉含量為5.3%，MB值為0.51 g/kg。

石粉為上述片麻巖機(jī)制砂干法生產(chǎn)時收塵器收集的石粉。石粉的化學(xué)成分見表1。

表1 片麻巖石粉的化學(xué)成分

該石粉的主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3，兩者含量占整體的75%以上，有害物質(zhì)SO3含量小于0.5%。射線衍射圖譜(XRD)分析結(jié)果見圖1。

圖1 片麻巖石粉XRD圖譜

由圖1可見，其礦物組成主要是α-石英、鉀長石、鈉長石，還含有少量綠泥石和白云母。

外加劑采用聚羧酸高效減水劑，固含量18.5%，減水率20%。

1.2 混凝土配合比

由于片麻巖石粉屬于惰性礦物質(zhì)材料，不能直接參與水化反應(yīng)，故本研究的片麻巖收塵石粉以等質(zhì)量替代粉煤灰作礦物摻合料的方式摻入混凝土中。表2是石粉不同替代率(以占膠凝材料總質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示)的混凝土配合比，其中石粉與粉煤灰替代水泥的總摻量固定為20%，基準(zhǔn)配合比GP0設(shè)計(jì)為粉煤灰摻量20%的C40混凝土，GP20代表石粉替代率20%的混凝土。

表2 摻片麻巖石粉的混凝土配合比與工作性能

1.3 試驗(yàn)方法

石粉的物理性能參照T/CECS 645-2019《石粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行測定。

新拌混凝土坍落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行；硬化混凝土強(qiáng)度按GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm；硬化混凝土抗氯離子滲透性依據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的電通量法測定；混凝土碳化試驗(yàn)按照GB/T 50082-2009進(jìn)行，試件養(yǎng)護(hù)28 d后開始碳化。

混凝土孔結(jié)構(gòu)采用壓汞法進(jìn)行測試。試件養(yǎng)護(hù)達(dá)到 28 d完成劈拉強(qiáng)度測試后，從斷面切取10 mm左右見方的不含碎石的砂漿塊，使用無水乙醇終止水泥水化。試驗(yàn)前將待測試樣在60 ℃烘箱中烘干3 h后冷卻至室溫，再采用AutoPore Iv 9510高性能全自動壓汞儀進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 石粉的物理性能

石粉的顆粒形貌電子電鏡分析(SEM)結(jié)果見圖2。

圖2 片麻巖石粉顆粒形貌SEM照片

由圖2可見，片麻巖石粉顆粒呈片狀和不規(guī)則狀形狀，且表面粗糙。圖3為石粉的激光粒度分析，石粉的中值粒徑D50為39.3 μm，較水泥和粉煤灰均偏粗。

圖3 片麻巖石粉的粒徑分布圖

片麻巖石粉的物理性能測定結(jié)果見表3，并給出了T/CECS 645-2019標(biāo)準(zhǔn)中B型石粉的技術(shù)要求。由表3可知，石粉的45 μm篩余小于45%，石粉的7，28 d抗壓強(qiáng)度比超過60%，均符合T/CECS 645-2019標(biāo)準(zhǔn)要求，不過石粉中仍有超過20%數(shù)量的顆粒其粒徑大于75 μm；石粉的MB值低于1.4 g/kg，但石粉的流動度比與標(biāo)準(zhǔn)要求的95%還有較大差距。另外，與試驗(yàn)所用II級粉煤灰相比，石粉的45 μm方孔篩篩余較粉煤灰大很多，且28 d強(qiáng)度活性指數(shù)也低于粉煤灰。據(jù)此推測，該機(jī)制砂收塵石粉具有作為混凝土礦物摻合料的潛力，但與II級粉煤灰相比，其需水性較大，強(qiáng)度活性指數(shù)偏低。

表3 片麻巖石粉的物理性能

2.2 石粉代粉煤灰對混凝土工作性能的影響

以混凝土達(dá)到相近工作性(出機(jī)坍落度(200±20)mm或擴(kuò)展度(500±30)mm)所需要的減水劑摻量為指標(biāo)來評價不同摻量石粉替代粉煤灰配制的混凝土工作性。在水膠比和用水量等配比參數(shù)一定情況下，減水劑需用量越大，意味著混凝土工作性越低。由表2混凝土的減水劑摻量可以看出，與基準(zhǔn)樣GP0相比，石粉摻量5%的混凝土所需減水劑摻量增加不大；當(dāng)石粉摻量大于5%再進(jìn)一步增加時，減水劑摻量隨之顯著增大，其中石粉摻量15%，20%的混凝土GP15、GP20的減水劑摻量較基準(zhǔn)樣GP0分別提高了27.8%，38.9%。

片麻巖石粉代粉煤灰作摻合料降低混凝土工作性的主要原因有以下兩方面：①片麻巖石粉顆粒形狀為片狀和不規(guī)則狀且表面粗糙多棱角(見圖2)，需要更多的水來包裹其顆粒表面，而粉煤灰顆粒表面光滑致密、多呈球形，在混凝土中可起到潤滑作用，因此石粉無法提供類似于粉煤灰的“滾珠效應(yīng)”，從而導(dǎo)致混凝土工作性變差；②片麻巖石粉組成礦物中含有少量云母和綠泥石等層狀鋁硅酸鹽礦物，尤其是綠泥石是一種特殊的2∶1型含水的層狀鋁硅酸鹽礦物，其物理吸附和陽離子交換吸附較強(qiáng)，對減水劑存在一定的吸附作用，隨著石粉摻量的增加對減水劑的吸附量也會相應(yīng)增大[9]。

2.3 石粉代粉煤灰對混凝土強(qiáng)度的影響

石粉替代粉煤灰對混凝土抗壓和劈裂強(qiáng)度的影響分別見圖4。

圖4 片麻巖石粉替代粉煤灰對混凝土強(qiáng)度的影響

由圖4可知，隨著石粉替代率的增加，混凝土的抗壓和劈拉強(qiáng)度均呈先增后降趨勢，當(dāng)石粉替代率5%時，抗壓和劈拉強(qiáng)度均達(dá)最大值。當(dāng)石粉替代率進(jìn)一步增大時，強(qiáng)度則開始逐步下降，石粉替代率10%，15%，20%的混凝土28 d齡期抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)樣分別降低5.5%，7.5%和12.3%，28 d劈拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)樣分別下降3.4%，16.5%，29.9%，其中石粉替代率為10%的混凝土抗壓和劈拉強(qiáng)度降低率在5%左右，而替代率達(dá)15%時，混凝土劈拉強(qiáng)度則顯著降低。

5%片麻巖石粉替代提高混凝土強(qiáng)度與其通過粒度優(yōu)化提高水泥-粉煤灰-石粉膠凝材料體系的密實(shí)度有關(guān)[10]。但由于片麻巖石粉為惰性石粉，不能參與水化，粒度也較粉煤灰粗，微集料填充效應(yīng)不如粉煤灰，替代粉煤灰相當(dāng)于減少了實(shí)際膠凝材料用量，降低了水化產(chǎn)物數(shù)量，加之片麻巖石粉的粒形多為片狀，會在砂漿中形成薄弱面，故當(dāng)石粉替代率超過10%后，混凝土的強(qiáng)度則降低，尤其是抗拉強(qiáng)度明顯降低。因此，石粉的替代率宜控制在5%～10%，以維持混凝土較高的強(qiáng)度。

2.4 石粉代粉煤灰對混凝土耐久性能的影響

電通量指標(biāo)用于評價混凝土抵抗水和離子等介質(zhì)向內(nèi)滲透的能力，片麻巖石粉替代粉煤灰對混凝土電通量的影響見圖5。

圖5 片麻巖石粉替代粉煤灰對混凝土電通量的影響

由圖5可見，隨著片麻巖石粉摻量的增加，混凝土的28,56 d電通量呈先降后增的變化規(guī)律。與基準(zhǔn)樣相比，石粉替代率5%的混凝土56 d電通量下降3.6%，這主要與少量片麻巖石粉替代粉煤灰后，石粉的填充效應(yīng)改善了混凝土孔結(jié)構(gòu)而減少或阻止氯離子的滲透有關(guān)；當(dāng)石粉替代率為10%時，混凝土56 d電通量增加11.1%，石粉替代率15%，20%時，混凝土的56 d電通量增加49.2%和93.6 %，表明石粉替代比例超過10%后，混凝土電通量快速增加，即抗氯離子滲透性顯著降低，這主要是因?yàn)槠閹r石粉只有物理填充作用，而不像粉煤灰對氯離子具有化學(xué)結(jié)合作用[11]。

圖6為石粉替代率不同的4組混凝土的碳化試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 片麻巖石粉替代粉煤灰對混凝土抗碳化性能的影響

由圖6可知，4組混凝土在碳化初期碳化深度差異較小，隨著碳化時間的延長，差異逐漸增大。相較于基準(zhǔn)樣GP0，石粉替代率5%的GP5混凝土 28 d碳化深度減小，抗碳化性能最佳，而石粉替代率超過10%后混凝土碳化深度則高于基準(zhǔn)樣，抗碳化性能變差，這與石粉替代10%粉煤灰后混凝土的密實(shí)度降低有關(guān)。

2.5 石粉代粉煤灰對混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

為揭示片麻巖石粉替代粉煤灰對混凝土性能影響的機(jī)理，采用壓汞法對4組混凝土試樣28 d的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測定，結(jié)果見表4和圖7、圖8。

表4 片麻巖石粉替代粉煤灰的混凝土孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

圖7 片麻巖石粉代粉煤灰的混凝土孔徑分布積分曲線

圖8 片麻巖石粉代粉煤灰的混凝土孔徑分布柱狀圖

由表4可知，石粉替代率5%的GP5混凝土的孔隙率和平均孔徑略低于基準(zhǔn)樣GP0，最可幾孔徑與基準(zhǔn)樣相同；當(dāng)石粉替代率為10%時，混凝土孔隙率、平均孔徑和最可幾孔徑則較基準(zhǔn)樣分別提高了17.1%，19.2%和25.1%；石粉替代率20%時，上述3個孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)顯著高于基準(zhǔn)樣。

從圖7孔徑分布積分曲線可以看出，GP5試樣的累計(jì)進(jìn)汞量最低，其次為GP0，而GP10和GP20的累積進(jìn)汞量顯著增加，這與上述孔隙率隨石粉替代率的變化規(guī)律相同。

由圖8的孔徑分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，4組混凝土中，GP5試樣20 nm以下的無害孔和20～50 nm的少害孔數(shù)量最多，大于200 nm的多害孔數(shù)量最低，表明5%的石粉替代粉煤灰細(xì)化了混凝土的孔隙；GP10、GP20試樣中20 nm以下的無害孔和20～50 nm的少害孔數(shù)量相對基準(zhǔn)樣降低，大于200 nm的多害孔數(shù)量明顯增加，說明當(dāng)石粉替代比例達(dá)到或超過10%后，混凝土的孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了粗化。

綜上所述，5%石粉替代粉煤灰可以在一定程度上改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)石粉替代率達(dá)到或超過10%，則會粗化混凝土的孔結(jié)構(gòu)，這也是本研究中混凝土的力學(xué)性能與耐久性隨石粉替代率的增大而呈先增強(qiáng)后減弱的主要原因之一。

3 結(jié)論

1)片麻巖機(jī)制砂收塵石粉的細(xì)度、抗壓強(qiáng)度比和MB值符合T/CECS 645-2019標(biāo)準(zhǔn)要求，但流動度比低于標(biāo)準(zhǔn)要求的95%指標(biāo)。與II級粉煤灰相比，石粉的細(xì)度偏粗、需水量偏高、活性偏低。

2)隨著片麻巖石粉對粉煤灰替代率的增加，混凝土達(dá)到同等工作性所需減水劑摻量增加，力學(xué)性能和耐久性均呈先增加后降低趨勢。當(dāng)石粉替代率為5%時，混凝土的抗壓和劈拉強(qiáng)度最高，電通量和碳化深度最低，石粉替代率為10%時，混凝土力學(xué)性能指標(biāo)有所下降，但降低率僅5%左右，耐久性指標(biāo)也維持一個較高水平。

3)片麻巖石粉替代率為5%時，混凝土的孔結(jié)構(gòu)得以細(xì)化，而當(dāng)石粉替代率達(dá)10%及以上時，則會增大混凝土的孔隙率，增加孔隙中大尺寸多害孔的比例，從而降低混凝土的力學(xué)性能和耐久性。

綜合考慮混凝土的工作性、力學(xué)性能和耐久性能，采用片麻巖機(jī)制砂收塵石粉代粉煤灰作摻合料是可行的，替代率以內(nèi)摻膠凝材料總量的5%～10%為宜。