火山巖石粉復合摻合料研究及對混凝土性能的影響

金正源，趙國民，封竹青

(中國港灣工程責任有限公司，北京 100027)

目前國家基礎設施建設量年年增大，并且“一帶一路”倡議推薦的如火如荼，水泥混凝土作為最主要的建筑工程材料，用量巨大，而隨著國家經濟的發展，環境保護的要求日趨嚴格，“綠水青山就是金山銀山”深入人心，混凝土用礦物摻合料如粉煤灰、礦渣粉和硅灰等在多個地區出現緊缺現象，另外很多“一帶一路”沿線國家和地區工業落后[1,2]，以工業廢渣為主的傳統礦物摻合料基本上沒有，為此亟需尋找替代性的材料。

環保形勢嚴峻帶來另一個問題就是河砂資源的限采和禁采，機制砂逐漸成為建筑用細集料的主流。在機制砂生產過程中產生大量的石粉，在目前的標準體系下，機制砂石粉含量受到嚴格的限制，多余的石粉一般通過水洗或者空氣分選出來堆放，大量的石粉如得不到科學合理地應用一方面造成環境污染，另一方面也是資源的極大浪費[3-5]。為此，該文以火山巖石粉為研究對象，通過與傳統礦物摻合料粉煤灰和礦粉復合，研究通過復合摻合料的技術手段提高火山巖石粉技術指標。

1 試 驗

1.1 原材料

1)水泥：采用普通硅酸鹽PO 42.5水泥，其化學成分見表1，力學指標見表2。

表1 水泥化學成分 /%

表2 水泥力學指標

2)火山巖石粉，細度11.1%(45 μm篩余)，化學組成見表3。

表3 火山巖石粉的化學成分 /%

3)粉煤灰：II級粉煤灰，燒失量2.5%，7 d活性指數為71%、28 d活性指數為74%，細度(45 μm篩余)為10%，需水量比為96%；礦粉：S95礦粉，燒失量0.4%，7 d活性指數73%，28 d活性指數101%。

4)河砂，細度模數2.5，Ⅱ區中砂；碎石，粒徑5～20 mm，連續級配；減水劑，聚羧酸減水劑，含固量為21.3%，減水率為29.6%。

1.2 方法

采用JJ-5型水泥膠砂攪拌機和NLD-3型水泥膠砂流動度測定儀，按照標準《水泥膠砂流動度測定方法》GB/T 2419—2005測試流動度。按照標準《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》GB/T 17671—1999成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體基準試件和試驗試件，脫模后在(20±1)℃的水中養護7 d、28 d后測其抗壓強度值，按照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596試驗方法試驗火山巖石粉復合摻合料流動度比和活性指數，火山巖石粉復合摻合料與基準水泥比例為3∶7。試驗配比見表4。

表4 試驗膠砂配比

參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》GB/T50080—2016對混凝土坍落度和擴展度進行試驗。參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》GB/T50081—2019對混凝土抗壓強度進行試驗，混凝土抗壓強度試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，混凝土標準養護28 d后進行力學性能試驗。

1.3 配合比

試驗火山巖石粉復合摻合料的配比見表5，分別采用粉煤灰摻量10%、20%、30%、40%，礦粉10%、20%、30%、40%，以及粉煤灰和礦粉10%+10%、15%+15%、20%+20%與火山巖石粉進行復合，研究復合粉煤灰和礦粉對火山巖石粉性能的影響規律。

采用火山巖石粉復合摻合料開展混凝土性能試驗，具體采用純火山巖石粉H0，火山巖石粉80%+粉煤灰20%H2，火山巖石粉80%+礦粉20%H6，火山巖石粉80%+粉煤灰10%+礦粉10%H9開展混凝土試驗，試驗配合比見表6，火山巖石粉復合摻合料摻量占到膠凝材料用量的20%，混凝土塌落度按照180～200 mm通過調整外加劑用量控制。

表5 火山巖石粉復合摻合料配比

表6 火山巖石粉復合摻合料混凝土配合比 /kg

2 結果及分析

2.1 火山巖石粉復合摻合料流動性

為改善火山巖石粉的流動性，試驗了火山巖石粉分別復合不同摻量的粉煤灰、礦粉、粉煤灰+礦粉對流動性的影響，試驗結果見圖1。由試驗結果可知，隨著復合粉煤灰、礦粉、粉煤灰+礦粉摻量的增加，火山巖石粉復合摻合料流動性改善明顯，純火山巖石粉的流動度比僅有83%，復合粉煤灰摻量10%、20%、30%、40%的火山巖石粉復合摻合料的流動度比分別為91%、96%、98%和102%。對比復合相同摻量均為20%的粉煤灰、礦粉和粉煤灰+礦粉，流動度比分別為96%、89%和94%，可知粉煤灰對于火山巖石粉流動性改善最為突出。主要原因是，巖石粉由機械加工而成，表面較為粗糙，棱角分明[6]，加入水泥中形成漿體后，表面粗糙的巖石粉顆粒起到了阻礙漿體流動的作用，而粉煤灰含有大量的圓球形玻璃珠，在水泥漿體中能夠起到滾珠作用[7]，很好地提高了漿體的流動性，另外，不同粉體復合后，不同細度的粉體相互填充較小的空隙，能夠起到解放孔隙水的作用，進一步提高了漿體流動性。因此在火山巖石粉應用過程中，建議采用復合粉煤灰或者礦粉的方式提高流動性，從而在應用過程中提高混凝土工作性能。

2.2 火山巖石粉復合摻合料活性

為了提高火山巖石粉的活性，試驗分別研究了復合粉煤灰、礦粉和粉煤灰+礦粉對火山巖石粉活性的影響，試驗結果見圖2。由圖2(a)可知，隨著復合粉煤灰摻量的增加，各個試驗齡期的火山巖石粉復合摻合料活性指數均在提高，以28 d齡期為例，純火山巖石粉的活性指數為61%，而復合粉煤灰摻量為10%、20%、30%、40%的4組火山巖石粉復合摻合料活性指數分別為65%、66%、68%、75%，活性指數增加幅度明顯。

由圖2(b)可知，火山巖石粉復合礦粉的活性指數變化規律與復合粉煤灰一致，但是隨著礦粉復合比例的增加，活性指數的提高幅度更加明顯，以28 d齡期為例，純火山巖石粉的活性指數為61%，而復合礦粉摻量為10%、20%、30%、40%的4組火山巖石粉復合摻合料活性指數分別為67%、71%、78%、88%。

圖2(c)為火山巖石粉復合粉煤灰+礦粉的試驗結果，復合比例分別為10%+10%、15%+15%、20%+20%，可見隨著復合比例的提高，火山巖石粉復合摻合料活性指數逐漸增加，以28 d齡期為例，純火山巖石粉的活性指數為61%，復合后的活性指數分別為71%、77%、83%。

圖3為相同復合摻量情況下，不同復合摻量種類對火山巖石粉活性的影響。可見，在20%摻量的情況下，復合礦粉對于火山巖石粉活性提高效果最佳，其次是粉煤灰10%+礦粉10%，與礦粉對活性的提高效果相近，粉煤灰的提高效果相對最差。

主要原因是，粉煤灰、礦粉摻入火山巖石粉在水泥水化時能夠起到火山灰效應，而礦粉的火山灰效應更強，在粉煤灰和礦粉復合摻加時，兩種摻合料與火山灰石粉顆粒可以相互搭配，起到更好的摻配作用，包括顆粒協同效應、疊加效應和互補效應等，更好地提高了火山巖石粉的性能。

2.3 火山巖石粉復合摻合料混凝土工作性能

不同種類的火山巖石粉復合摻合料對混凝土工作性能的影響見表7。由表7的試驗結果可知，4組不同火山巖石粉復合摻合料混凝土的坍落度在180～200 mm之間，坍落度最大的為80%火山巖石粉+20%粉煤灰復合組CH2，坍落度最小的為純火山巖石粉混凝土組CH0；4組火山巖石粉復合摻合料混凝土擴展度在450～470 mm之間，其中混凝土的擴展度最大組和最小組與混凝土坍落度規律相同，說明火山巖石粉復合摻合料混凝土擴展度與坍落度具有較強的相關性。由火山巖石粉復合摻合料混凝土減水劑摻量試驗結果可知，4組混凝土減水劑摻量保持在膠凝材料用量的0.95%～1.20%，減水劑用量最少的為火山巖石粉80%+粉煤灰20%的CH2組，用量為0.95%，減水劑用量最多的為純火山巖石粉CH0組，用量高達1.30%，可見，隨著粉煤灰、礦粉傳統摻合料的摻加，在保持相差不大的混凝土工作性能的情況下，減水劑用量下降明顯。試驗規律與火山巖石粉復合摻合料的流動性相關性較大，主要原因是火山巖石粉為機械粉磨得到，顆粒棱角較多，表面粗糙度大，對于混凝土工作性能具有較大的負面作用；而粉煤灰含有大量的圓形玻璃微珠，在混凝土中具有良好的滾珠效應，能夠很大程度上提高混凝土工作性能；另外，粉煤灰、礦粉與火山巖石粉復合不同粒徑的摻合料顆粒相互嵌擠，填充較大粒徑的水泥顆粒空隙，起到了一定的減水作用，從而改善了混凝土工作性能。

表7 火山巖石粉復合摻合料混凝土工作性能

2.4 花崗巖石粉對混凝土抗壓強度的影響

不同種類的火山巖石粉復合摻合料對混凝土抗壓強度的影響見圖4。由圖4的試驗結果可知，相比于純火山巖石粉混凝土組CH0，通過與粉煤灰、礦粉復合均能明顯提升混凝土抗壓強度，在7 d試驗齡期時，純火山巖石粉混凝土組CH0抗壓強度為31.2 MPa，20%復合粉煤灰CH2組、20%復合礦粉CH6組和10%粉煤灰+10%礦粉復合CH9組的抗壓強度分別為33.5 MPa、35.7 MPa、34.1 MPa，相比于純火山巖石粉混凝土組分別提高了7.4%、14.4%、9.3%；標準養護到56 d試驗齡期時，純火山巖石粉混凝土組CH0抗壓強度為47.3 MPa，20%復合粉煤灰CH2組、20%復合礦粉CH6組和10%粉煤灰+10%礦粉復合CH9組的抗壓強度分別為48.2 MPa、51.6 MPa、50.6 MPa，相比于純火山巖石粉混凝土組分別提高了1.9%、9.1%、7.0%。不同種類的火山巖石粉復合摻合料對混凝土抗壓強度的影響規律與活性指數變化規律相近，主要原因是火山巖石粉為惰性石粉，在水泥水化中僅有非常微弱的火山灰效應，摻加到混凝土中對于混凝土抗壓強度沒有提高作用，而傳統礦物摻合料粉煤灰和礦粉不同，兩者在水泥水化過程中均可以與水化產物氫氧化鈣發生顯著的二次水化反應，具有火山灰活性，尤其是礦粉，火山灰活性較高，等量替代水泥摻入混凝土中可以不降低混凝土強度，甚至能夠在一定程度上提高強度。

3 結 論

在機制砂石生產和石材加工領域產生了大量的石粉，這些石粉如得不到合理應用，將造成極大的資源浪費和環境污染，另一方面隨著基礎設施建設量的增加，傳統礦物摻合料日益緊缺，摻假造假現象層出不窮，為此研究火山巖石粉作為礦物摻合料使用意義重大。

a.隨著復合粉煤灰、礦粉、粉煤灰+礦粉摻量的增加，火山巖石粉復合摻合料流動性改善明顯；各個試驗齡期的火山巖石粉復合摻合料活性指數均在提高，復合礦粉活性指數的提高幅度更加顯著。

b.隨著粉煤灰、礦粉傳統摻合料的摻加，在保持相差不大的混凝土工作性能的情況下，減水劑用量呈現下降趨勢。

c.相比于純火山巖石粉混凝土組CH0，通過與粉煤灰、礦粉復合均能明顯提升混凝土抗壓強度，并且粉煤灰和礦粉具有突出的疊加效應。