不同巖性火成巖質礦物摻和料及其混凝土性能研究

譚鹽賓 謝永江 王浩 楊魯 馮仲偉 葛昕 李林香

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；

2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081

我國對環境保護逐漸重視，傳統火力發電站及鋼鐵廠日趨減少，工程建設常用的粉煤灰、礦渣粉等傳統礦物摻和料資源日趨緊張，無法滿足工程建設需求，特別是在西南地區，亟待開發新型替代材料。天然火山灰作為應用歷史最長的建筑材料，早在古羅馬時期修建的萬神殿就是主要膠結材料，至今仍然保持良好的使用性能。眾多學者對天然火山灰的水化活性機理、性能進行了較多研究［1-10］，認為天然火山灰具有與粉煤灰類似的水化活性。天然火山灰在工業與民用建筑、公路工程、水利工程中的應用也證明其完全可以作為粉煤灰、礦渣粉等的有效替代材料［11-17］。

我國天然火山灰資源主要分布在西南、西北和東北比較偏僻的地區，開采難度大，因而在實際研究和應用中，國內研究人員對與天然火山灰具有相似化學物理性質的天然火成巖類礦物進行了較多研究。研究表明［1-2，18-19］，火成巖礦物具有與粉煤灰相似的化學組成，主要以SiO2、Al2O3、Fe2O3等為主，將其磨細加工至一定細度后具有較好的潛在水化活性，能有效改善混凝土拌和物性能并提高耐久性能，可作為混凝土用礦物摻和料。磨細火成巖質礦物材料也被廣泛用于生產水泥的混合材料，且在我國西南地區多個水利項目中進行了成功應用。但火成巖由于巖性復雜，有凝灰巖、安山巖、流紋巖、玄武巖等，經過成巖地質運動后，其活性與天然火山灰有明顯差異，且不同巖性火成巖礦物材料對混凝土性能的影響也各不相同。

已有地質資料表明，西南地區分布有資源豐富的火成巖礦物，若能實現就近開采加工制得礦物摻和料，對于解決鐵路建設礦物摻和料緊缺的問題具有重要意義。本文結合西南地區地緣性礦物材料分布特點和性能特點，選取了儲量豐富的4種巖性火成巖礦物磨細制得礦物摻和料，研究其性能及其對鐵路混凝土性能的影響，以期為鐵路工程建設提供技術支持。

1 原材料與配合比

1.1 原材料

1）水泥：北京金隅集團有限責任公司生產的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥。

2）粉煤灰：唐山市浩冉商貿有限公司I級粉煤灰。

3）天然磨細火成巖質礦物摻和料：西藏察雅的磨細安山巖（AS）和磨細流紋巖（LW），西藏洛隆的磨細玄武巖（XW）和西藏山南的磨細凝灰巖（NH）。4種磨細火成巖質礦物摻和料和粉煤灰（FA）的物理及化學性能指標分別見表1和表2。

4）改性火成巖質礦物摻和料：在4種巖性天然火成巖質礦物摻和料基礎上，摻加一定量改性劑混合后得到的改性火成巖質礦物摻和料。

表1 天然火成巖質礦物摻和料和粉煤灰物理性能指標

表2 天然火成巖質礦物摻和料和粉煤灰化學組成%

5）細骨料：采用細度模數2.7的天然河砂。

6）粗骨料：采用5~10 mm及10~20 mm的兩級配碎石，按質量比4∶6混合。

7）減水劑：河北三楷深發科技股份有限公司生產的高效聚羧酸系減水劑。

1.2 試驗配合比

試驗選取用量相對較大的C40強度等級混凝土作為研究對象，坍落度控制為（180±10）mm，含氣量控制在（6±0.5）%，具體配合比見表3。其中編碼CSN表示純水泥混凝土，FA表示摻粉煤灰混凝土，LW、AS、NH、XW分別表示摻流紋巖、安山巖、凝灰巖、玄武巖礦物摻和料混凝土；后綴“-1”表示摻天然磨細火成巖礦物摻和料，“-3”表示摻改性火成巖質礦物摻和料。

表3 混凝土配合比 kg·m-3

2 不同巖性火成巖質礦物摻和料性能

2.1 活性指數

參照GB∕T 17671—2020《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》，以摻礦物摻和料膠砂抗壓強度與不摻礦物摻和料基準組膠砂抗壓強度的比值作為活性指數，對比測試了粉煤灰與4種巖性天然火成巖質礦物摻和料不同齡期活性指數。同時，測試了內摻膠凝材料總量2%、5%和8%改性劑后改性火成巖質礦物摻和料活性指數，結果見表4。

表4 不同類型礦物摻和料的活性指數

由表4可知：對于天然火成巖質礦物摻和料而言，安山巖質和凝灰巖質礦物摻和料各齡期活性指數最高，流紋巖質和玄武巖質礦物摻和料活性指數相當，且明顯低于前兩種；早期（7 d）活性指數略高于Ⅰ級粉煤灰，而中后期（28 d和56 d）活性指數低于Ⅰ級粉煤灰。這可能與火成巖質礦物摻和料采用磨細加工而得，其微觀形貌為多棱角不規則形狀，在水泥水化早期具有加速晶核生長的作用，因而早期表現出較高活性；而在水化后期，活性來源主要源自摻和料自身，因而不如粉煤灰后期活性。

改性劑的摻入顯著提高了4種巖性火成巖質礦物摻和料各齡期活性指數，且隨著摻量增加而呈明顯增大趨勢。當改性劑摻量為5%時，除玄武巖火成巖外，其他3種巖性火成巖質礦物摻和料56 d活性指數均大于Ⅰ級粉煤灰；當改性劑摻量為8%時，玄武巖質礦物摻和料56 d活性指數也達到I級粉煤灰水平。

2.2 堿活性抑制效能

測試內摻0%、2%和5%改性劑的4種巖性火成巖質礦物摻和料對堿活性骨料的堿活性抑制效能，結果見表5。可知：對于天然火成巖質礦物摻和料，凝灰巖質和流紋巖質礦物摻和料表現出良好的堿活性抑制能力，玄武巖質礦物摻和料堿活性抑制能力最差；改性劑的摻入則能顯著提高火成巖質材料的堿活性抑制效能，摻加2%改性劑4種火成巖質材料對應砂漿棒的28 d膨脹率即可抑制在0.1%以內，滿足規范要求，摻加5%的改性劑抑制效果更為顯著。

表5 不同摻量改性劑對火成巖堿活性抑制效能改善結果

3 摻火成巖質礦物摻和料混凝土的性能

3.1 拌和物工作性能

摻不同類型礦物摻和料新拌混凝土的工作性能見表6。可知：純水泥混凝土易產生后置泌水現象，不利于混凝土施工；單摻粉煤灰的混凝土狀態飽滿，流動性好，滿足施工要求；單摻天然火成巖質礦物摻和料的混凝土黏聚性普遍較好，但流動性偏差，相同坍落度情況下擴展度較小，漿體“發黏”，不利于現場施工；單摻改性火成巖質礦物摻和料混凝土與粉煤灰混凝土工作性能相近。

表6 不同礦物摻和料對混凝土工作性能的影響

3.2 力學性能

摻不同礦物摻和料混凝土各齡期抗壓強度變化規律見圖1。

由圖1可知：

圖1 礦物摻和料種類對混凝土抗壓強度的影響

1）純水泥混凝土的各齡期強度均高于其他混凝土，且早期強度增長幅度大，但28 d齡期后的強度增長率低，56 d后強度幾乎不增長。

2）單摻粉煤灰混凝土各齡期強度增長穩定，28~90 d強度增長率高達30%，幾乎達到C50強度等級標準要求。

3）單摻天然火成巖質礦物摻和料混凝土的強度增長受母巖巖性變化影響較大：整體來看，單摻流紋巖質和安山巖質礦物摻和料混凝土28 d前強度發展與單摻粉煤灰混凝土相近，但56 d和90 d的強度要低5 MPa左右；除3 d強度外，單摻凝灰巖質礦物摻和料混凝土各齡期強度均略高于單摻粉煤灰混凝土的，且滿足設計要求；單摻玄武巖質礦物摻和料混凝土強度較低，與單摻粉煤灰混凝土的相比，56 d強度相差約20%，強度富余系數較低；從抗壓強度角度來看，4種巖性火成巖質礦物摻和料對混凝土強度的影響由小到大依次為玄武巖、流紋巖、安山巖、凝灰巖，其中流紋巖和安山巖的影響相差很小。

4）單摻改性火成巖質礦物摻和料混凝土的各齡期強度發展規律與單摻粉煤灰混凝土類似，同時其對玄武巖質礦物摻和料混凝土的強度增長也有顯著提高。

3.3 抗氯離子滲透性能

TB∕T 3275—2018《鐵路混凝土》對不同強度等級混凝土的密實性要求見表7。摻不同礦物摻和料混凝土的電通量測試結果見圖2。

表7 不同強度等級鐵路混凝土的密實性要求

由圖2可知：純水泥混凝土的56 d電通量大于1 200 C，不滿足現行規范C40混凝土密實性要求；單摻不同巖性火成巖質材料的混凝土56 d電通量均大于1 200 C，同樣不滿足規范C40混凝土密實性要求；單摻改性火成巖質材料的混凝土56 d電通量則均小于1 200 C，滿足標準規范C40混凝土密實性要求，但仍不及單摻粉煤灰混凝土的。

圖2 礦物摻和料種類對混凝土電通量的影響

3.4 抗凍性能

摻不同礦物摻和料混凝土抗凍性試驗結果見圖3和圖4。可知：經過300次凍融循環后，各組混凝土均未發生凍融破壞，表現出良好的抗凍性能；純水泥混凝土的質量損失率最低，相對動彈性模量最高，其他配合比混凝土的質量損失率差別不大，單摻粉煤灰、單摻天然火成巖質礦物摻和料及單摻改性火成巖質礦物摻和料混凝土的抗凍性能相當。

圖3 礦物摻和料對混凝土質量損失率的影響

圖4 礦物摻和料對混凝土相對動彈性模量的影響

4 結論

1）采用儲量豐富的火成巖質礦物經過粉磨加工工藝制得的天然火成巖質礦物摻和料在物理化學性能指標上都與傳統粉煤灰材料相似。在不摻加改性材料時，天然凝灰巖質和流紋巖質礦物摻和料具有良好的堿活性抑制能力；在進行一定改性調整后，試驗所選4種巖性火成巖質礦物摻和料各齡期活性指數和堿活性抑制能力均得以提高。

2）采用4種天然火成巖質礦物摻和料制備的C40混凝土在工作性能、力學性能和耐久性能方面滿足鐵路混凝土性能要求，但與同樣配合比粉煤灰混凝土相比，力學性能和耐久性能略低。采用一定改性措施后各項工作性能、力學性能和耐久性能均滿足鐵路混凝土標準要求，可作為傳統礦物摻和料的替代材料。