玄武巖石粉用于混凝土摻和料的試驗研究

雷濤

（中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844）

以粉煤灰和礦渣粉為代表的礦物摻和料已成為混凝土不可或缺的組分，它們能顯著改善混凝土的工作性能和耐久性能［1-2］。然而，隨著我國基礎設施的大規模建設，優質粉煤灰和礦渣粉資源日漸稀缺。尤其是缺少火力發電廠和煉鋼廠的西藏地區，粉煤灰、礦渣等資源極度匱乏。目前，在建的拉林鐵路主要從青海地區外運粉煤灰，到場價高達900元/t左右，且粉煤灰品質極不穩定。大宗材料外運不僅帶來建設成本增加，還將導致該地區唯一的運輸通道——川藏公路的擁堵，影響建設工期。因此，積極就近探尋新型摻和料以制備高性能混凝土是亟需解決的現實問題。

石灰石粉用于混凝土摻和料的系列研究［3-5］成果已納入 GB/T 30190—2013《石灰石粉混凝土》［6］，TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》［7］等標準。然而，川藏地區礦山巖中石灰石僅占一部分，富含SiO2，Al2O3等化學物質的玄武巖、凝灰巖等大量存在［8-9］。目前關于玄武巖石粉在混凝土中應用的研究較少。本文針對西藏地區玄武巖特性，研究了玄武巖石粉對混凝土性能的影響及其改性措施，以期為該地區混凝土摻和料的應用提供依據。

1 試驗

1.1 原材料與配合比

水泥為西藏華新P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，比表面積為340 m2/kg；粉煤灰為青海國電黃河電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，細度為18.4%；玄武巖石粉為西藏昌都玄武巖碎石磨細制得比表面積為280 m2/kg（SP1），610 m2/kg（SP2），905 m2/kg（SP3）和 1 200 m2/kg（SP4）的4種不同細度的粉體，其與粉煤灰化學成分的對比見表1。

表1 摻和料的化學成分及性能 %

硅灰為甘肅三遠硅材料有限公司生產的SF90級二氧化硅微粉，SiO2含量為91%。細骨料為林芝米林雅魯藏布江河砂，細度模數為2.4，含泥量為2.8%，表觀密度為2 610 kg/m3，吸水率1.3%。粗骨料為林芝米林5.0～31.5 mm三級配碎卵石，壓碎值為5.4%，含泥量為0.3%，表觀密度為2 780 kg/m3，緊密空隙率為40%。減水劑為河北三楷聚羧酸高性能減水劑（PCA）。選擇隧道工程常用C40二襯混凝土為研究對象，試驗用混凝土配合比見表2，混凝土坍落擴展度為500～550 mm，含氣量4%±0.5%。

1.2 試驗方法

1）混凝土拌和物性能試驗

混凝土攪拌、拌和物性能（坍落擴展度、含氣量、離析率）按GB 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》［10］進行試驗。

2）水泥漿體水化熱試驗

按表2配合比去掉粗細骨料配制水泥凈漿，裝入帶塞的玻璃瓶中，然后立即準確稱取6～7 g的水泥漿體（含5 g水泥）及相應量的參比水，放入TAM air量熱儀，測定一定齡期內水泥凈漿的水化熱。

3）試件的成型和養護

試件按GB 50080—2016成型，1 d后脫模，然后放入濕度大于95%，溫度為（20±2）℃的標準養護室進行養護，至規定齡期開展相關性能試驗。

4）混凝土硬化體性能試驗

混凝土力學性能按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》［11］進行試驗，混凝土電通量按GB 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》［12］進行試驗。

表2 混凝土配合比 kg·m-3

2 試驗結果分析

2.1 玄武巖石粉細度對混凝土性能的影響

采用表2中混凝土配合比，研究玄武巖石粉細度對混凝土性能的影響，結果見表3。

表3 玄武巖石粉細度對混凝土性能的影響試驗結果

從表3可知，當玄武巖石粉比表面積為280 m2/kg時，其粒徑較水泥顆粒大，在保持混凝土擴展度500～550mm的條件下，拌和物易出現離析、泌水現象；隨著玄武巖石粉比表面積增大，混凝土拌和物性能得到改善；當玄武巖石粉比表面積大于600 m2/kg，在擴展度500～550 mm的條件下，混凝土拌和物仍未出現離析現象，說明混凝土拌和物性能得到改善。隨著玄武巖石粉比表面積增大，混凝土強度略微增大，增幅在5%以內。石粉超細化對混凝土的增強效應，可能是其緊密填充水泥顆粒空隙帶來體系堆積密實度提高所致［13］。

2.2 玄武巖石粉摻量對混凝土性能的影響

考慮到玄武巖石粉比表面積越大，其加工能耗越大，本文重點研究比表面積為610 m2/kg的玄武巖石粉不同摻量對混凝土性能的影響，石粉摻量為內摻等量取代粉煤灰，試驗結果見圖1—圖3。

圖1 不同摻量下玄武巖石粉對水泥漿體水化熱的影響

圖2 不同摻量下玄武巖石粉對混凝土抗壓強度的影響

圖3 不同摻量下玄武巖石粉對混凝土電通量的影響

由圖1可知：隨著玄武巖石粉取代粉煤灰摻量的增大，水泥漿體水化熱隨之降低；與C?5水泥凈漿相比，與內摻10%，20%，30%石粉的水泥凈漿14 d水化熱依次降低1.8%，2.6%，4.5%。這表明內摻玄武巖石粉取代粉煤灰，其水化熱抑制效果與粉煤灰相當。

由圖2可知：隨著玄武巖石粉取代粉煤灰摻量的增大，混凝土3 d抗壓強度呈增大趨勢，28，56 d抗壓強度呈降低趨勢；與摻30%粉煤灰的混凝土（C?5）相比，摻30%玄武巖石粉混凝土（C?8）3 d抗壓強度增加2 MPa，但28，56 d抗壓強度分別降低4，7 MPa，表明玄武巖石粉對混凝土后期強度增長效果不及粉煤灰。

由圖3可知：隨著玄武巖石粉取代粉煤灰摻量的增大，混凝土28，56 d電通量呈增大趨勢；當粉煤灰摻量小于20%、玄武巖石粉摻量大于10%時，混凝土56 d電通量超過1300 C，不能滿足現行規范中C40混凝土56 d電通量應小于1 200 C的限值要求。因此，當玄武巖石粉與粉煤灰復合使用時，粉煤灰摻量不宜小于20%，玄武巖石粉摻量不宜大于10%。

2.3 玄武巖石粉混凝土密實度改性

由于在使用玄武巖石粉的情況下，混凝土中需摻加不低于20%粉煤灰，使得礦物摻和料外運量仍然較大，并不能從根本上解決礦物摻和料供給的難題。本文進一步研究了采用硅灰對玄武巖石粉混凝土密實度進行改性的效果，試驗結果見圖4。

圖4 玄武巖石粉復摻硅灰對混凝土電通量的影響

由圖4可知：在玄武巖石粉摻量為20%時，復摻3%，5%，8%硅灰的混凝土56 d電通量分別為1 358，1 072，826 C。這表明隨著硅灰摻量的增大，混凝土電通量呈顯著降低趨勢。當玄武巖石粉與硅灰復合使用時，硅灰摻量不低于5%即可滿足配制耐久混凝土的密實度要求。

初步估計川藏鐵路混凝土用量約3 000萬m3。若采用20%粉煤灰復合10%玄武巖石粉方案，需外運約240萬t粉煤灰；若采用5%硅灰復合20%玄武巖石粉方案，僅需外運80萬t硅灰，礦物摻和料外運量降低75%，可顯著降低物資運輸壓力。

3 結論

1）為改善摻玄武巖石粉混凝土的工作性能與力學性能，玄武巖石粉的比表面積不宜小于600 m2/kg。

2）與同摻量粉煤灰混凝土相比，摻玄武巖石粉混凝土3 d抗壓強度略高，28，56 d抗壓強度分別降低4，7 MPa，玄武巖石粉對混凝土后期強度增長效應不及粉煤灰；當玄武巖石粉與粉煤灰復合使用時，粉煤灰摻量不宜小于20%，玄武巖石粉摻量不宜大于10%。

3）從混凝土摻和料供給保障考慮，采用5%硅灰復合20%玄武巖石粉方案要優于20%粉煤灰復合10%玄武巖石粉方案。這為川藏鐵路混凝土摻和料選用提供了新思路。