響巖機制砂石粉含量對混凝土性能的影響

肖志敏，萬永旺

(中交四航局第一工程有限公司，廣州 510000)

東非肯尼亞首都內羅畢存在大量的響巖礦，內羅畢附近工程項目大多采用響巖機制砂作為細骨料。響巖屬于火成巖，主要礦物成分有堿性長石、副長石、堿性輝石和堿性角閃石。我國對機制砂的應用研究較多，但大多集中在石灰巖、花崗巖、玄武巖、凝灰巖等巖石。周永祥等人[1]系統地研究了石灰石粉對混凝土性能的影響規律。謝慧東[2]通過試驗認為石灰石粉的加入不僅可以改善混凝土工作性能，還可提高混凝土抗壓強度。鄧蕾[3]對花崗巖機制砂混凝土的性能進行了研究，發現機制砂會顯著的影響混凝土的流變性能，增大拌合物的塑性強度。雷濤[4]研究發現玄武巖石粉能改善混凝土的工作性能，但對后期的強度增長效應不及粉煤灰。除此之外， Shend等[5]人研究發現，機制砂的顆粒形狀對混凝土的性能影響不大，而機制砂中的石粉對混凝土的性能影響更為顯著。因此，有學者對不同石粉含量混凝土性能進行了試驗研究。王稷良[6]測試了不同石粉含量對不同強度等級混凝土的影響，發現當石灰石粉含量大于7%時，高強機制砂混凝土工作性出現劣化。張鵬舉[7]采用綠泥巖粉等質量取代機制砂，結果表明含量超過10%會減緩混凝土抗壓強度的發展。雷濤[4]研究表明玄武巖石粉能改善混凝土的性能，但其摻量不宜大于10%。楊海成[8]利用花崗巖石粉制備C80混凝土，當石粉含量為4.5%～6.5%時制備的高強混凝土工作性良好。

上述研究為確定響巖機制砂合理的石粉含量提供一定的參考，但響巖機制砂石粉含量對混凝土性能的影響研究較少。該文以肯尼亞內羅畢的響巖機制砂為細骨料配制C30、C50混凝土，研究石粉含量對響巖機制砂混凝土的工作性能、力學性能和耐久性能的影響，為響巖機制砂在肯尼亞內羅畢快速路混凝土工程的應用提供一定的參考依據。

1 試 驗

1.1 原材料

1)水泥：采用肯尼亞當地生產的CEMⅠ42.5水泥，凝結時間為初凝165 min，終凝267 min，標準稠度用水量為26%，3 d抗壓強度27.1 MPa，28 d抗壓強度為52.3 MPa。

2)細骨料：采用肯尼亞內羅畢響巖機制砂，細度模數2.9，石粉含量3%，亞甲藍值0.8，飽和面干吸水率2.3%，壓碎值21.6%，堅固性12.8%。

3)粗骨料：采用肯尼亞響巖加工而成，粒徑為5～25 mm連續級配碎石。

4)粉煤灰：印度進口Ⅱ級粉煤灰，細度(45 μm篩篩余)14.6%，需水量比98%。

5)石粉為響巖機制砂生產過程收集的石粉，細度為45 μm篩余23%。

6)外加劑采用聚羧酸系高性能減水劑，含固量為15.6%，減水率21.2%。

1.2 響巖機制砂混凝土配合比

參照《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)配制C30、C50強度等級混凝土，其中水灰分別為0.44和0.33；砂率分別為0.44和0.42，分別采用石粉含量為3%、6%、9%、12%的響巖機制砂配制混凝土，配合比見表1。

表1 試驗混凝土配合比 w/(kg·m-3)

1.3 響巖機制砂混凝土試驗方法

混凝土拌合物性能按照《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》GB/T50080—2016測試坍落度、擴展度、經時損失；力學性能按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》GB/T50081—2019進行測試，抗壓強度采用正方形試塊，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，抗壓強度試驗齡期為7 d、28 d、56 d，抗壓彈性模量試驗齡期為28 d、56 d；混凝土耐久性能按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T50082—2009進行，標養到規定時間后進行電通量和碳化測試。

2 結果與分析

2.1 響巖機制砂混凝土拌合物性能

該試驗研究了不同石粉含量響巖機制砂對C30、C50混凝土拌合物的坍落度、擴展度及經時損失，如表2所示。同等級強度的混凝土隨著石粉含量的增加，減水劑的用量增加，這與Gesolu[9]得出的結論一致，主要是由于石粉對減水劑具有一定的吸附作用且石粉的細度更高[10]。與此同時，當石粉摻量為12%時，C30減水劑用量為4.6 kg/m3，C50減水劑用量為7.9 kg/m3，分別比石粉含量為3%的機制砂配制C30、C50混凝土增加了7.0%、9.7%。此外，隨著石粉含量的增加，C30、C50混凝土拌合物擴展度均有增大趨勢，說明石粉的摻入有助于改善拌合物流動性。石粉含量對拌合物經時損失影響不明顯，主要的原因是經時損失主要取決于水化產物生成三維膠結結構的程度，而混凝土配合比設計過程中控制水泥摻量不變，因此響巖石粉的摻入對流動度的保持影響較小。

表2 響巖機制砂石粉含量對混凝土工作性能的影響

2.2 響巖機制砂混凝土力學性能研究

適量的石粉有利于改善機制砂混凝土的和易性，且有利于提高混凝土密實度，可降低混凝土早期開裂的風險。然而，隨著石粉含量的增加，超過一定范圍之后，反而會降低混凝土結構的強度[7,11]。

為了解響巖機制砂石粉摻量對混凝土力學性能的影響，測試了C30、C50不同齡期的抗壓強度如圖1所示。從圖中可以看出，對于C30混凝土，隨著機制砂石粉含量的增加，混凝土的抗壓強度逐漸增大，主要是因為石粉在混凝土中起到的微集料填充作用，使混凝土結構致密、強度提高。C30早期強度的增長主要原因是低強混凝土早期孔隙率較大，石粉的填充作用占主導作用，效果顯著。對于C50混凝土，隨著機制砂石粉含量的增加，混凝土強度先升高后降低，在石粉含量9%時抗壓強度最高，石粉含量繼續增加至12%時，C50混凝土3 d、7 d、28 d、56 d分別下降0.9%、3.7%、6.1%、7.3%，強度下降的主要原因是因為過多的石粉導致混凝土中有一部分游離態石粉，這部分石粉出現在水泥石或者混凝土的界面過渡區，將不利于集料與水泥石的膠結，宏觀上表現為混凝土強度的下降[12]。由此可以看到，對于C30混凝土，當響巖機制砂石粉含量為12%時，對混凝土的抗壓強度發展有利；對于C50混凝土，當響巖機制砂石粉含量為9%時，混凝土的抗壓強度最優，繼續提高石粉含量，混凝土抗壓強度降低明顯。

不同響巖機制砂石粉含量對混凝土彈性模量的影響如圖2所示。對于C30混凝土，石粉含量的增加對其彈性模量的波動較小。然而對于C50混凝土來說，石粉含量在3%～9%之間時，其彈性模量持續提高；石粉含量超過9%后，混凝土的彈性模量開始降低。

2.3 混凝土耐久性能研究

2.3.1 抗氯離子滲透能力

該試驗研究機制砂石粉含量對混凝土電通量的影響，試驗結果如圖3所示。首先對于C30混凝土來說，當響巖機制砂石粉從3%增加至12%時，不論28 d還是56 d其電通量均隨石粉摻量的增加而減小，證明一定含量的響巖石粉促進了機制砂混凝土骨料的最緊密堆積，降低了混凝土結構內部的孔隙率。當石粉含量從9%增加到12%時，28 d、56 d電通量降低不明顯，說明石粉對機制砂混凝土孔隙結構的積極影響作用已接近飽和。C50混凝土受石粉摻量的影響變化更加顯著：響巖石粉摻量在3%～9%之間時，隨著石粉摻量的不斷增加，其電通量呈不斷減小的趨勢，這與C30混凝土的規律相一致。然而石粉摻量從9%增加到12%，C50其28 d電通量從1 764 C增加到1 904 C，56 d電通量從1 287 C增加到1 341 C，其電通量數值大小已提高到不摻石粉時的電通量。上述現象的主要原因在于：石粉摻入對混凝土結構具有雙重作用。積極作用方面，石粉顆粒在混凝土中具有“微集料填充效應”、“微晶核效應”，可以降低混凝土的孔隙率，加速膠凝材料水化，從而使得結構體更加密實。負面作用主要指混凝土配合比中機制砂的總量是一定的，響巖石粉取代率的增加，意味著大顆粒機制砂含量的相對減少，游離的細石粉顆粒之間存在大量的界面過渡區，而界面過渡區正是混凝土結構中最薄弱環節，不利于混凝土結構耐久性的提高。C50混凝土中由于水膠比較低，結構相對密實，石粉填充效應不明顯，多余的石粉對混凝土結構的負面作用占主導地位，進而導致電通量增大。

2.3.2 抗碳化性能

CO2氣體通過孔隙或氣泡等向混凝土內部擴散，和水發生作用生成碳酸，并與Ca(OH)2等堿性物質發生中和反應的過程稱之為碳化。碳化會導致混凝土堿度下降，導致鋼筋鈍化保護膜失效，鋼筋銹蝕，同時生成的碳酸鈣等物質會增大孔隙率，造成結構耐久性損傷。因此，該試驗通過測試不同石粉含量響巖機制砂對C30、C50混凝土碳化深度的影響，試驗結果如圖4所示。

由于C50混凝土相比于C30混凝土，水膠比低，有害孔比率小，宏觀上表現為抗壓強度高，碳化深度小。值得注意的是，石粉的含量對兩種等級的混凝土抗碳化性能規律并不一致。對于C30混凝土，隨著響巖石粉含量提高，其碳化深度不斷降低，響巖機制砂石粉含量12%時混凝土碳化深度比石粉含量3%時混凝土3 d、7 d、14 d、28 d碳化深度分別下降了8.8%、12.2%、13.5%、12.5%。C30混凝土水膠比較高，石粉的摻入，填充了大量有害孔及連通孔，使得顆粒間的空隙減少，密實度提高，緩沖CO2滲透速度，其石粉的最佳摻量應在9%以上。然而，對于C50混凝土，相同碳化時間下，隨著石粉摻量的增加，碳化深度呈現先降低后增加的趨勢，石粉摻量為3%～9%時，碳化深度降低，石粉摻量超過9%，碳化深度開始增加。綜上所述，響巖機制砂石粉的摻量存在一個最優值，不同強度等級的混凝土石粉最佳摻量并不一致，適量石粉的摻入可提高混凝土的抗碳化性能。

3 結 論

a.隨著響巖機制砂石粉含量的增加，外加劑用量有所增加，混凝土拌合物和易性有所改善。

b.對于C30混凝土，隨著機制砂石粉含量從3%提高至12%時，混凝土抗壓強度和彈性模量有所提高；對于C50混凝土，隨著機制砂石粉含量從3%提高至12%時，混凝土抗壓強度和彈性模量先升高后降低，當石粉含量為9%時力學性能最優。

c.對于C30混凝土，隨著機制砂石粉含量從3%提高至12%時，混凝土抗氯離子滲透性能和抗碳化性能有所提高；對于C50混凝土，隨著機制砂石粉含量從3%提高至12%時，混凝土抗氯離子滲透性能和抗碳化性能先升高后降低，當石粉含量為9%時耐久性能最優。