自產碎石場石粉取代粉煤灰在混凝土中應用的技術研究

楊治乾

（中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401120）

0 引言

中國鐵路建設在過去20 年高速發展，鐵路建設對混凝土的性能要求十分嚴格，尤其是高速鐵路隧道穿越復雜地質，多數隧道環境作用等級都要求在混凝土中摻入一定比例的礦物摻合料，來改善混凝土的性能，粉煤灰作為最容易大量取得的礦物摻合料，具有改善混凝土和易性，降低水化熱，提高后期強度，提高耐蝕性、抗裂性等性能，使得粉煤灰在混凝土中大量使用[1]。但是隨著社會經濟發展，國家大力提倡保護自然環境，習近平總書記更是提出“綠水青山就是金山銀山”的重要思想，污染嚴重的傳統火電廠逐漸減少，優質粉煤灰產量大幅縮減，劣質粉煤灰在實際應用中反而制約了混凝土強度和耐久性能的發展[2]。

石粉作為礦物摻合料，對于隧道工程更易于取得，在施工過程中將巖石洞渣加工成砂石料，收集過程中產生的石粉，既節約施工成本，又避免開山碎石破壞環境，更有研究表明，石灰石粉具有良好的減水效應、微集料填充效應和晶核效應[3]，為此，本文基于渝黔高鐵保家鎮隧道工程和保家地材加工場，采用不同摻配比例的石粉取代粉煤灰，進行水泥膠砂和混凝土試驗，研究不同取代比例下，混凝土的工作性、強度和耐久性能，分析石粉取代粉煤灰使用的實際效果。

1 原材料制備及檢測

1.1 原材料

水泥使用P.O 42.5 普通水泥，28d 抗折抗壓強度分別為11.3MPa、51.2MPa。粉煤灰為F 類Ⅱ級，細度（45μm 篩余）23%，需水量比97.6%，7d、28d 活性指數分別為64.7%、87.1%。粗骨料為5～25mm 連續級配，由5～16mm 碎石和16～25mm 碎石按照3:7 的比例摻配而成，壓碎值6%，含泥量0.5%。細集料為機制砂，細度模數2.9，石粉含量7.8%，亞甲藍MB 值0.4g/kg，砂石料均為項目自有碎石場加工生產。減水劑采用聚羧酸系高性能緩凝型減水劑，減水率28%。

石粉來源于渝黔鐵路項目碎石加工廠，項目位于重慶市彭水縣保家鎮，保家鎮隧道圍巖以石灰巖為主。將取回的石粉在105～110℃的電熱鼓風干燥箱中烘干8h，自然冷卻后過0.075mm 方孔砂石篩。石粉化學成分如表1 所示。

表1 石灰巖石粉化學成分

石粉主要成分為二氧化硅和氧化鈣，占到總質量的74.98%。

1.2 石粉物理性能檢測

石粉性能檢測用砂為試驗室專用ISO 標準砂，石粉性能檢測參照《用于水泥、砂漿和混凝土中的石灰石粉》（GB/T 35164—2017），石粉需水量比試驗和活性指數檢測參照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2017），需水量試驗如表2 所示。石粉7d 和28d強度活性指數試驗如表3 所示。

表2 石粉需水量試驗

表3 石粉強度活性指數試驗

1.3 混凝土配合比

采用C35 襯砌混凝土配合比，試配強度=35+1.645×5=43.2MPa，粉煤灰摻量為總膠凝材料的25%，設計坍落度180～220mm，設計抗滲等級P12，石粉按照0%、25%、50%、75%、100%的比例取代粉煤灰，新拌混凝土坍落度和含氣量試驗依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2016）進行，混凝土強度按《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019） 進行試驗，抗壓強度試件尺寸均為150mm×150mm×150mm，抗水滲透和抗氯離子滲透試驗依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）進行。摻石粉和粉煤灰的混凝土配合比和工作性能如表4 所示。

表4 摻石粉和粉煤灰的混凝土配合比和工作性能

2 試驗結果與分析

2.1 石粉物理性能

碎石場取回的石粉整體顏色為青灰色，經烘干和過0.075mm 篩處理，細度滿足B 型石灰石粉和Ⅱ級粉煤灰要求；碳酸鈣含量比《用于水泥、砂漿和混凝土中的石灰石粉》（GB/T 35164—2017）標準要求偏低；亞甲藍值偏高；需水量比隨著石粉摻量的提高而增長，取代粉煤灰75%和100%時，需水量比開始大于100%，分別為101.6%和104%，但依然滿足Ⅱ級粉煤灰的需水量要求；7d 強度活性指數偏低，28d 強度活性指數均大于60%，符合《用于水泥、砂漿和混凝土中的石灰石粉》（GB/T 35164—2017）標準要求，但摻量高于25%之后，活性指數達不到粉煤灰要求。

該自產石粉整體需水量比不高，強度活性指數前期偏低，后期有較明顯增長，說明該石粉有一定的活性。石粉的物理性能試驗結果如表5 所示。

表5 石粉的物理性能

2.2 石粉取代粉煤灰對混凝土工作性影響

隨著石粉摻量提升，混凝土坍落度下降不十分明顯，全部取代粉煤灰時，坍落度為200mm，滿足設計180～220mm 的坍落度要求。從表4 可見，石粉摻量到50%以后，混凝土擴展度明顯降低，含氣量明顯變大，重量明顯變輕，但混凝土流動性變差，開始出現沉底現象。分析導致混凝土工作性變差的原因有：①石粉相比粉煤灰需水量稍大。②石粉粒形不規則，沒有粉煤灰的微珠效應。③石粉的亞甲藍值偏高，對聚羧酸減水劑的吸附性強。

2.3 石粉取代粉煤灰對混凝土強度的影響

石粉取代粉煤灰50%以后，強度出現明顯下降，分析是由于自產石粉未經高溫煅燒，相比粉煤灰活性偏低；石粉顆粒較粗，雖有晶核效應，但本身不直接參與水化，替代粉煤灰，相當于降低了膠凝材料用量，使水灰比變大，導致強度降低[4]。所以，石粉取代粉煤灰的取代率控制在50%以內（相當于取代總膠凝材料的12.5%以內），混凝土強度能穩定在較高水平。石粉取代粉煤灰對強度的影響如表6 所示。

表6 各石粉摻量不同齡期混凝土強度

2.4 石粉取代粉煤灰對混凝土耐久性的影響

通過28d 抗滲試驗和56d 電通量試驗對混凝土的耐久性進行檢測，隨著石粉產量的增加，抗滲性能基本沒有影響，電通量隨著石粉產量的增而變小，復摻石粉和粉煤灰/礦粉進一步降低了混凝土的氯離子擴散系數[5]，各石粉摻量的混凝土抗滲等級和電通量如表7 所示。

表7 各石粉摻量的混凝土抗滲等級和電通量

3 結論

（1）自產碎石廠石粉過0.075mm 篩后細度能達到Ⅱ級粉煤灰要求，石粉替代粉煤灰50%以內7d 活性指數滿足標準石灰石粉性能要求，石粉替代粉煤灰25%以內28d 活性指數滿足粉煤灰性能要求，石粉中碳酸鈣含量較標準石灰石粉低，亞甲藍值偏高，需水量較粉煤灰偏高。

（2）隨著石粉摻量的增加，混凝土含氣量明顯上升，坍落度和擴展坍落度變小，在石粉替代粉煤灰50%以后，含氣量和坍落度變化較明顯，混凝土流動性變差，開始出現輕微沉底現象。成型混凝土試件抗壓強度隨之減小，石粉取代粉煤灰50%以后28d 抗壓強度達不到設計強度。石粉摻量對混凝土耐久性的影響不明顯，抗滲性能幾乎沒有影響，電通量有一定減小。

綜合考慮石粉性能、混凝土工作性、抗壓強度和耐久性試驗數據，使用自產碎石廠石粉取代粉煤灰應用是可行的，替代粉煤灰的比例宜控制在50%以內，即替代混凝土配合比中膠凝材料的12.5%以內應用。