機制砂生產收塵石粉作礦物摻合料對混凝土性能的影響*

李 廣 呂敦祥 李北星 鄧俊雙

(1.江西省交通工程集團有限公司 南昌 330000；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

近年來，關于巖石粉粉磨至一定細度作礦物摻合料替代水泥配制混凝土的應用，主要集中在石灰巖、花崗巖和玄武巖等巖石粉[1-4]，尤其是石灰石粉因其良好的減水效應、微集料填充效應和晶核效應而應用較為廣泛[5]，而片麻巖石粉在混凝土中的應用研究較少。先前少量相關研究中，李顏秀等[6-7]認為單摻片麻巖石粉會降低混凝土的工作性能和抗壓強度，但片麻巖石粉與粉煤灰、礦粉的三元復合摻合料對混凝土的工作性、強度、收縮和電通量等均有所改善。云甲[8]研究了磨細片麻巖石粉對混凝土力學及抗凍性能的影響，認為片麻巖石粉代水泥的摻量以10%為宜。

江西省宜春至遂川(宜遂)高速公路項目建有1條臺時產量100 t/h的干法機制砂生產線，制砂母巖為當地的片麻巖巖石，機制砂生產中通過除塵和風選設備收集到機制砂總產量約8%的廢石粉，即每小時會排放8 t左右的石粉副產物。為解決這些片麻巖石粉廢棄物外運堆存造成的占地和環境污染問題及項目當地粉煤灰摻合料資源緊缺、價格較高的問題，基于固廢就地資源化利用的原則，探尋了將片麻巖機制砂生產場的收塵石粉不進行任何后期加工而直接替代粉煤灰用作礦物摻合料的可行性。不同巖石粉的性能差別很大，上述片麻巖收塵石粒多呈片狀，粒度較水泥和粉煤灰粗，有礙于微集料填充作用的發揮，組成礦物中又含有少量綠泥石和云母等層狀鋁硅酸鹽礦物，作為礦物摻合料對混凝土的工作性可能會有一定影響。為此，本文擬研究片麻巖收塵石粉的理化特性，通過制備不同石粉替代率的混凝土來進行工作性、力學性能和耐久性的研究，并通過孔結構測試分析石粉的微集料填充作用。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

試驗用水泥為 P·O 42.5水泥，其28 d抗壓、抗折強度分別為48.1,7.8 MPa；粉煤灰為F類II級粉煤灰，其細度(45 μm 篩余)為24.1%，燒失量為2.1%，流動度比88%，28 d強度活性指數為76%。

粗骨料為5～31.5 mm連續級配片麻巖碎石，由粒徑5～10 mm小石、10～20 mm中石和16～31.5 mm的大石按質量比2∶5∶3搭配而成，其壓碎值為12.8%，含泥量為0.72%；細集料為10～20 mm片麻巖碎石在樓站式單獨干法制砂生產線中加工所得的機制砂，其細度模數為2.92，壓碎指標為19.0%，石粉含量為5.3%，MB值為0.51 g/kg。

石粉為上述片麻巖機制砂干法生產時收塵器收集的石粉。石粉的化學成分見表1。

表1 片麻巖石粉的化學成分

該石粉的主要化學成分為SiO2和Al2O3，兩者含量占整體的75%以上，有害物質SO3含量小于0.5%。射線衍射圖譜(XRD)分析結果見圖1。

圖1 片麻巖石粉XRD圖譜

由圖1可見，其礦物組成主要是α-石英、鉀長石、鈉長石，還含有少量綠泥石和白云母。

外加劑采用聚羧酸高效減水劑，固含量18.5%，減水率20%。

1.2 混凝土配合比

由于片麻巖石粉屬于惰性礦物質材料，不能直接參與水化反應，故本研究的片麻巖收塵石粉以等質量替代粉煤灰作礦物摻合料的方式摻入混凝土中。表2是石粉不同替代率(以占膠凝材料總質量分數表示)的混凝土配合比，其中石粉與粉煤灰替代水泥的總摻量固定為20%，基準配合比GP0設計為粉煤灰摻量20%的C40混凝土，GP20代表石粉替代率20%的混凝土。

表2 摻片麻巖石粉的混凝土配合比與工作性能

1.3 試驗方法

石粉的物理性能參照T/CECS 645-2019《石粉在混凝土中應用技術規程》進行測定。

新拌混凝土坍落度和擴展度試驗依據GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行；硬化混凝土強度按GB/T 50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行試驗，抗壓強度和劈拉強度試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm；硬化混凝土抗氯離子滲透性依據GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的電通量法測定；混凝土碳化試驗按照GB/T 50082-2009進行，試件養護28 d后開始碳化。

混凝土孔結構采用壓汞法進行測試。試件養護達到 28 d完成劈拉強度測試后，從斷面切取10 mm左右見方的不含碎石的砂漿塊，使用無水乙醇終止水泥水化。試驗前將待測試樣在60 ℃烘箱中烘干3 h后冷卻至室溫，再采用AutoPore Iv 9510高性能全自動壓汞儀進行孔結構測試。

2 試驗結果與分析

2.1 石粉的物理性能

石粉的顆粒形貌電子電鏡分析(SEM)結果見圖2。

圖2 片麻巖石粉顆粒形貌SEM照片

由圖2可見，片麻巖石粉顆粒呈片狀和不規則狀形狀，且表面粗糙。圖3為石粉的激光粒度分析，石粉的中值粒徑D50為39.3 μm，較水泥和粉煤灰均偏粗。

圖3 片麻巖石粉的粒徑分布圖

片麻巖石粉的物理性能測定結果見表3，并給出了T/CECS 645-2019標準中B型石粉的技術要求。由表3可知，石粉的45 μm篩余小于45%，石粉的7，28 d抗壓強度比超過60%，均符合T/CECS 645-2019標準要求，不過石粉中仍有超過20%數量的顆粒其粒徑大于75 μm；石粉的MB值低于1.4 g/kg，但石粉的流動度比與標準要求的95%還有較大差距。另外，與試驗所用II級粉煤灰相比，石粉的45 μm方孔篩篩余較粉煤灰大很多，且28 d強度活性指數也低于粉煤灰。據此推測，該機制砂收塵石粉具有作為混凝土礦物摻合料的潛力，但與II級粉煤灰相比，其需水性較大，強度活性指數偏低。

表3 片麻巖石粉的物理性能

2.2 石粉代粉煤灰對混凝土工作性能的影響

以混凝土達到相近工作性(出機坍落度(200±20)mm或擴展度(500±30)mm)所需要的減水劑摻量為指標來評價不同摻量石粉替代粉煤灰配制的混凝土工作性。在水膠比和用水量等配比參數一定情況下，減水劑需用量越大，意味著混凝土工作性越低。由表2混凝土的減水劑摻量可以看出，與基準樣GP0相比，石粉摻量5%的混凝土所需減水劑摻量增加不大；當石粉摻量大于5%再進一步增加時，減水劑摻量隨之顯著增大，其中石粉摻量15%，20%的混凝土GP15、GP20的減水劑摻量較基準樣GP0分別提高了27.8%，38.9%。

片麻巖石粉代粉煤灰作摻合料降低混凝土工作性的主要原因有以下兩方面：①片麻巖石粉顆粒形狀為片狀和不規則狀且表面粗糙多棱角(見圖2)，需要更多的水來包裹其顆粒表面，而粉煤灰顆粒表面光滑致密、多呈球形，在混凝土中可起到潤滑作用，因此石粉無法提供類似于粉煤灰的“滾珠效應”，從而導致混凝土工作性變差；②片麻巖石粉組成礦物中含有少量云母和綠泥石等層狀鋁硅酸鹽礦物，尤其是綠泥石是一種特殊的2∶1型含水的層狀鋁硅酸鹽礦物，其物理吸附和陽離子交換吸附較強，對減水劑存在一定的吸附作用，隨著石粉摻量的增加對減水劑的吸附量也會相應增大[9]。

2.3 石粉代粉煤灰對混凝土強度的影響

石粉替代粉煤灰對混凝土抗壓和劈裂強度的影響分別見圖4。

圖4 片麻巖石粉替代粉煤灰對混凝土強度的影響

由圖4可知，隨著石粉替代率的增加，混凝土的抗壓和劈拉強度均呈先增后降趨勢，當石粉替代率5%時，抗壓和劈拉強度均達最大值。當石粉替代率進一步增大時，強度則開始逐步下降，石粉替代率10%，15%，20%的混凝土28 d齡期抗壓強度較基準樣分別降低5.5%，7.5%和12.3%，28 d劈拉強度較基準樣分別下降3.4%，16.5%，29.9%，其中石粉替代率為10%的混凝土抗壓和劈拉強度降低率在5%左右，而替代率達15%時，混凝土劈拉強度則顯著降低。

5%片麻巖石粉替代提高混凝土強度與其通過粒度優化提高水泥-粉煤灰-石粉膠凝材料體系的密實度有關[10]。但由于片麻巖石粉為惰性石粉，不能參與水化，粒度也較粉煤灰粗，微集料填充效應不如粉煤灰，替代粉煤灰相當于減少了實際膠凝材料用量，降低了水化產物數量，加之片麻巖石粉的粒形多為片狀，會在砂漿中形成薄弱面，故當石粉替代率超過10%后，混凝土的強度則降低，尤其是抗拉強度明顯降低。因此，石粉的替代率宜控制在5%～10%，以維持混凝土較高的強度。

2.4 石粉代粉煤灰對混凝土耐久性能的影響

電通量指標用于評價混凝土抵抗水和離子等介質向內滲透的能力，片麻巖石粉替代粉煤灰對混凝土電通量的影響見圖5。

圖5 片麻巖石粉替代粉煤灰對混凝土電通量的影響

由圖5可見，隨著片麻巖石粉摻量的增加，混凝土的28,56 d電通量呈先降后增的變化規律。與基準樣相比，石粉替代率5%的混凝土56 d電通量下降3.6%，這主要與少量片麻巖石粉替代粉煤灰后，石粉的填充效應改善了混凝土孔結構而減少或阻止氯離子的滲透有關；當石粉替代率為10%時，混凝土56 d電通量增加11.1%，石粉替代率15%，20%時，混凝土的56 d電通量增加49.2%和93.6 %，表明石粉替代比例超過10%后，混凝土電通量快速增加，即抗氯離子滲透性顯著降低，這主要是因為片麻巖石粉只有物理填充作用，而不像粉煤灰對氯離子具有化學結合作用[11]。

圖6為石粉替代率不同的4組混凝土的碳化試驗結果。

圖6 片麻巖石粉替代粉煤灰對混凝土抗碳化性能的影響

由圖6可知，4組混凝土在碳化初期碳化深度差異較小，隨著碳化時間的延長，差異逐漸增大。相較于基準樣GP0，石粉替代率5%的GP5混凝土 28 d碳化深度減小，抗碳化性能最佳，而石粉替代率超過10%后混凝土碳化深度則高于基準樣，抗碳化性能變差，這與石粉替代10%粉煤灰后混凝土的密實度降低有關。

2.5 石粉代粉煤灰對混凝土孔結構的影響

為揭示片麻巖石粉替代粉煤灰對混凝土性能影響的機理，采用壓汞法對4組混凝土試樣28 d的孔結構進行了測定，結果見表4和圖7、圖8。

表4 片麻巖石粉替代粉煤灰的混凝土孔結構特征參數

圖7 片麻巖石粉代粉煤灰的混凝土孔徑分布積分曲線

圖8 片麻巖石粉代粉煤灰的混凝土孔徑分布柱狀圖

由表4可知，石粉替代率5%的GP5混凝土的孔隙率和平均孔徑略低于基準樣GP0，最可幾孔徑與基準樣相同；當石粉替代率為10%時，混凝土孔隙率、平均孔徑和最可幾孔徑則較基準樣分別提高了17.1%，19.2%和25.1%；石粉替代率20%時，上述3個孔結構特征參數顯著高于基準樣。

從圖7孔徑分布積分曲線可以看出，GP5試樣的累計進汞量最低，其次為GP0，而GP10和GP20的累積進汞量顯著增加，這與上述孔隙率隨石粉替代率的變化規律相同。

由圖8的孔徑分布統計結果可知，4組混凝土中，GP5試樣20 nm以下的無害孔和20～50 nm的少害孔數量最多，大于200 nm的多害孔數量最低，表明5%的石粉替代粉煤灰細化了混凝土的孔隙；GP10、GP20試樣中20 nm以下的無害孔和20～50 nm的少害孔數量相對基準樣降低，大于200 nm的多害孔數量明顯增加，說明當石粉替代比例達到或超過10%后，混凝土的孔結構發生了粗化。

綜上所述，5%石粉替代粉煤灰可以在一定程度上改善混凝土的孔結構，當石粉替代率達到或超過10%，則會粗化混凝土的孔結構，這也是本研究中混凝土的力學性能與耐久性隨石粉替代率的增大而呈先增強后減弱的主要原因之一。

3 結論

1)片麻巖機制砂收塵石粉的細度、抗壓強度比和MB值符合T/CECS 645-2019標準要求，但流動度比低于標準要求的95%指標。與II級粉煤灰相比，石粉的細度偏粗、需水量偏高、活性偏低。

2)隨著片麻巖石粉對粉煤灰替代率的增加，混凝土達到同等工作性所需減水劑摻量增加，力學性能和耐久性均呈先增加后降低趨勢。當石粉替代率為5%時，混凝土的抗壓和劈拉強度最高，電通量和碳化深度最低，石粉替代率為10%時，混凝土力學性能指標有所下降，但降低率僅5%左右，耐久性指標也維持一個較高水平。

3)片麻巖石粉替代率為5%時，混凝土的孔結構得以細化，而當石粉替代率達10%及以上時，則會增大混凝土的孔隙率，增加孔隙中大尺寸多害孔的比例，從而降低混凝土的力學性能和耐久性。

綜合考慮混凝土的工作性、力學性能和耐久性能，采用片麻巖機制砂收塵石粉代粉煤灰作摻合料是可行的，替代率以內摻膠凝材料總量的5%～10%為宜。