凝灰?guī)r石粉復(fù)合摻合料對(duì)混凝土性能的影響研究

唐超群，羅 恒，任龍芳，吳慶霞，夏京亮

(1.中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013)

隨著“一帶一路”倡議的推進(jìn)和國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的加大，混凝土作為最大宗的土木工程材料用量逐年提升。2021年我國(guó)提出的“雙碳”指標(biāo)給建材行業(yè)的低碳減排提出了更高要求。由于水泥行業(yè)的碳排放量占據(jù)全國(guó)碳排放量的12%[1]，不利于碳減排和碳中和實(shí)現(xiàn)，因此急需開(kāi)發(fā)一些碳足跡更低的膠凝材料。

礦物摻合料替代部分水泥用于混凝土制備，不僅可以減少碳排放、實(shí)現(xiàn)固廢綜合利用，同時(shí)也可改善混凝土的微結(jié)構(gòu)和工作性，提高混凝土的密實(shí)性[2]，對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性有一定提升，是制備低碳混凝土的重要組成材料。目前常用的礦物摻合料有粉煤灰、硅灰、礦渣粉等，然而近幾年大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)導(dǎo)致粉煤灰等傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)摻合料逐漸緊缺，以致頻繁出現(xiàn)摻假、造假等事件，加之很多“一帶一路”沿線國(guó)家本身缺乏傳統(tǒng)礦物摻合料，導(dǎo)致部分重點(diǎn)工程質(zhì)量難以保障，尋找或開(kāi)發(fā)替代性的材料用于低碳混凝土的制備刻不容緩。

由中國(guó)路橋工程有限公司承建的金港(金邊-西哈努克港)高速公路工程沿線存在大量的凝灰?guī)r，凝灰?guī)r機(jī)制砂制備過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的凝灰?guī)r石粉，經(jīng)調(diào)研和試驗(yàn)可知，當(dāng)?shù)啬規(guī)r石粉具有一定的化學(xué)活性，可替代粉煤灰和水泥制備低碳混凝土。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于巖石粉作為摻合料制備混凝土的研究主要集中在石灰石粉[3,4]，而凝灰?guī)r石粉的研究較少。該文結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)出的巖石粉，將凝灰?guī)r機(jī)制砂石粉和部分石灰石粉復(fù)合，替代部分粉煤灰和水泥，研究其作為復(fù)合摻合料制備低碳混凝土的技術(shù)可行性，解決“一帶一路”沿線國(guó)家礦物摻合料短缺問(wèn)題。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1)水泥：采用PO42.5水泥，物理力學(xué)性能詳見(jiàn)表1。

表1 水泥物理性能指標(biāo)

2)砂：采用柬埔寨地區(qū)生產(chǎn)的機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.86，石粉含量為8.4%，MB值為1，需水比為102%，單級(jí)最大壓碎指標(biāo)為16.5%，松散堆積密度為1 650 kg/m3。

3)粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度(45 μm篩余)12.5%，7 d、28 d活性指數(shù)分別72%、74%。

4)凝灰?guī)r石粉：主要為柬埔寨地區(qū)生產(chǎn)凝灰?guī)r機(jī)制砂產(chǎn)生的石粉，其化學(xué)成為SiO2、Al2O3和Fe2O3等，詳見(jiàn)表2。

表2 凝灰?guī)r石粉的化學(xué)組成 w/%

5)石灰石粉：細(xì)度(45 μm篩余)3%，28 d活性指數(shù)62.5%，其化學(xué)成為SiO2、CaO和MgO等，詳見(jiàn)表3。

表3 石灰石粉的化學(xué)成分 w/%

6)減水劑：聚羧酸減水劑，固含量30%，減水率27%。

7)水：自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)配合比

研究凝灰?guī)r機(jī)制砂石粉(NF)、石灰石粉(SF)及粉煤灰(FA)單一或復(fù)合替代水泥用于機(jī)制砂混凝土中對(duì)混凝土性能的影響,配合比見(jiàn)表4，其中摻合料總摻量占膠凝材料總質(zhì)量的30%，而水泥質(zhì)量始終保持為膠凝材料的70%，水膠比恒定為0.46。

表4 混凝土試驗(yàn)配比 /kg

1.3 試驗(yàn)方法

按照《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50080—2002測(cè)定混凝土坍落度、擴(kuò)展度等；按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081—2002測(cè)定混凝土7 d、28 d、56 d的抗壓強(qiáng)度;按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082—2009測(cè)定混凝土的干燥收縮性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 凝灰?guī)r石粉細(xì)度的確定

為確定凝灰?guī)r石粉用于混凝土中的最佳細(xì)度，該試驗(yàn)將凝灰?guī)r石粉分別粉磨10 min、20 min、30 min、50 min，并將其按照Y-3的配合比制備凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土，測(cè)試不同粉磨時(shí)間對(duì)凝灰?guī)r石粉比表面積的影響，進(jìn)而驗(yàn)證其用于混凝土中，細(xì)度對(duì)混凝土工作性及抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表5、圖1所示。從表5可以看出隨粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，機(jī)械粉磨能耗增加，凝灰?guī)r石粉比表面積逐漸增大，當(dāng)粉磨時(shí)間達(dá)到30 min時(shí)，繼續(xù)延長(zhǎng)粉磨時(shí)間，凝灰?guī)r石粉的比表面積增長(zhǎng)緩慢。因?yàn)槭鄣竭_(dá)一定細(xì)度后，顆粒之間的作用力增大而將顆粒粘附在一起，若繼續(xù)增大粉體細(xì)度，只會(huì)過(guò)分增加機(jī)械粉磨能耗。通過(guò)凝灰?guī)r石粉細(xì)度對(duì)混凝土工作性的影響數(shù)據(jù)可以看出：隨石粉比表面積的增加，機(jī)制砂混凝土的坍落度和擴(kuò)展度逐漸增大，1 h坍落度損失降低，均沒(méi)有產(chǎn)生離析、泌水。

表5 凝灰?guī)r石粉細(xì)度對(duì)混凝土拌合物工作性的影響

從圖1可以看出，隨凝灰?guī)r石粉比表面積的增大，機(jī)制砂混凝土7 d、28 d和56 d的抗壓強(qiáng)度均隨比表面積的增大逐漸增大。主要因?yàn)榉勰サ耐瑫r(shí)磨掉了石粉表面的惰性層，加快了活性物質(zhì)溶出和水泥水化的速度，且粉磨后的石粉顆粒粒徑小于水泥，適量摻入可以改善膠凝材料顆粒級(jí)配，有效填充水泥間孔隙，改善孔結(jié)構(gòu)，提升混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)性，進(jìn)一步提升混凝土抗壓強(qiáng)度。綜合考慮石粉細(xì)度和粉磨能耗的影響，凝灰?guī)r石粉最佳粉磨時(shí)間為30 min。

2.2 摻合料對(duì)混凝土拌合物工作性能的影響

凝灰?guī)r機(jī)制砂石粉(NF)、石灰石粉(SF)及粉煤灰(FA)單一或復(fù)合替代30%膠凝材料用于混凝土中對(duì)混凝土拌合物工作性能的影響如表6所示。

表6 摻合料對(duì)混凝土拌合物工作性能的影響

從表6可以看出，未摻加摻合料的混凝土拌合物坍落度經(jīng)時(shí)損失較大，工作性不好，主要因?yàn)闄C(jī)制砂相對(duì)于河砂表面粗糙，形狀不規(guī)則，多棱角，相同水膠比下制備的混凝土工作性較差。但在混凝土中摻加摻合料可以明顯改善混凝土工作性，復(fù)合摻合料相對(duì)于單一摻合料用于混凝土中，具有更好的坍落度保持能力和較好的粘聚性、流動(dòng)性。

2.3 摻合料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

摻合料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如表7所示，可以看出：?jiǎn)我粨胶狭咸娲糠炙嘀苽涞幕炷料噍^于純水泥制備的混凝土抗壓強(qiáng)度均有所降低，特別對(duì)7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度影響較大，說(shuō)明粉煤灰、凝灰?guī)r石粉和石灰石粉在一定程度上減小了混凝土的早期強(qiáng)度。對(duì)于摻加單一摻合料的混凝土強(qiáng)度：?jiǎn)螕椒勖夯腋哂趩螕侥規(guī)r石粉高于單摻石灰石粉，說(shuō)明各摻合料活性：粉煤灰>凝灰?guī)r石粉>石灰石石粉。對(duì)于混凝土的早期強(qiáng)度(7 d)和中期強(qiáng)度(28 d)，純水泥體系略高于復(fù)合摻合料體系，隨齡期的繼續(xù)延長(zhǎng)到56 d時(shí)，20%粉煤灰+10%凝灰?guī)r石粉復(fù)摻比純水泥體系抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)1.84%，10%粉煤灰+20%凝灰?guī)r石粉復(fù)摻比純水泥體系抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)2.03%，10%粉煤灰+10%凝灰?guī)r石粉+10%石灰石粉比純水泥體系抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)0.37%，20%凝灰?guī)r石粉+10%石灰石粉比純水泥體系抗壓強(qiáng)度降低1.29%，綜合來(lái)看，粉煤灰和凝灰?guī)r石粉復(fù)合摻合料對(duì)機(jī)制砂混凝土后期強(qiáng)度提升明顯，主要因?yàn)槟規(guī)r石粉和粉煤灰均具有“火山灰效應(yīng)”，在水泥水化過(guò)程中可以起到晶核作用，能加速水泥水化反應(yīng)的發(fā)生和水化物的形成[5]。不同粒徑的摻合料復(fù)合可以充分發(fā)揮顆粒間的協(xié)同效應(yīng)和互補(bǔ)效應(yīng)，優(yōu)化顆粒間級(jí)配、降低有害孔，使混凝土漿體更加密實(shí)，進(jìn)一步提升混凝土抗壓強(qiáng)度。石灰石粉作為摻合料一定程度上會(huì)降低混凝土強(qiáng)度，但石灰石粉在一定程度上可以改善混凝土的工作性，在工程應(yīng)用中，可在保證混凝土抗壓強(qiáng)度的基礎(chǔ)上少量摻加部分石灰石粉。

表7 摻合料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響 /MPa

2.4 復(fù)合摻合料對(duì)混凝土干燥收縮性能的影響

混凝土收縮會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂、結(jié)構(gòu)變形等，干燥收縮是混凝土硬化后的主要收縮，約占混凝土總收縮的80%～90%，控制混凝土干燥收縮對(duì)提升混凝土耐久性具有重要意義。

復(fù)合摻合料對(duì)混凝土干燥收縮性能的影響如圖2所示。可以看出：幾種混凝土的干燥收縮變化趨勢(shì)大體一致，28 d之前增長(zhǎng)速度較快，隨齡期延長(zhǎng)增長(zhǎng)減緩；復(fù)合摻合料相對(duì)純水泥體系混凝土干燥收縮減小，說(shuō)明復(fù)合摻合料對(duì)混凝土干燥收縮具有抑制作用，主要因?yàn)閺?fù)合摻合料密度較水泥小，同質(zhì)量膠凝材料下，粉料體積大，混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，干燥收縮減小，同時(shí)水泥水化反應(yīng)也會(huì)加大混凝土收縮。對(duì)比4種復(fù)合摻合料，60 d之前，Y-5和Y-6的干燥收縮均小于Y-7和Y-8，隨齡期繼續(xù)延長(zhǎng)，Y-5和Y-6干燥收縮值反超Y-7和Y-8，逐漸接近純水泥混凝土。分析原因：粉煤灰和凝灰?guī)r石粉的化學(xué)活性在后期得到激活，不斷參與水化反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土干燥收縮增加。

3 結(jié) 論

a.粉磨時(shí)間超過(guò)30 min，凝灰?guī)r石粉比表面積增長(zhǎng)緩慢，隨石粉比表面積的增加，機(jī)制砂混凝土工作性變好，抗壓強(qiáng)度增大。綜合考慮石粉細(xì)度和粉磨能耗的影響，凝灰?guī)r石粉最佳粉磨時(shí)間為30 min。

b.復(fù)合摻合料相對(duì)單一摻合料制備的機(jī)制砂混凝土，工作性能更好；摻合料的摻入減小了混凝土的早期強(qiáng)度，但粉煤灰和凝灰?guī)r石粉復(fù)合摻合料對(duì)機(jī)制砂混凝土后期強(qiáng)度有一定提升。

c.復(fù)合摻合料的摻入能抑制混凝土的干燥收縮，但在后期，粉煤灰和凝灰?guī)r石粉活性被激發(fā)，混凝土干燥

收縮增加。石灰石粉雖會(huì)降低混凝土抗壓強(qiáng)度，但可以改善混凝土工作性、降低混凝土干燥收縮。