石粉对含低品质粉煤灰铁路混凝土性能的影响

2021-05-13宋小兵任达元张轩伟夏京亮王晶关青锋周永祥

新型建筑材料 2021年4期

宋小兵，任达元，张轩伟，夏京亮，王晶，关青锋，周永祥

（1.中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西西安 710021；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；3.建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013）

0 引言

机制砂作为一种从岩石破碎而成的混凝土细骨料，当前已经成为天然砂不可或缺的替代品。相对于圆润干净的天然砂，机制砂含有大量粒径小于75 μm 的石粉，目前对于机制砂的研究集中于石粉对混凝土性能的影响及其定量化[1-3]。为慎重起见，某些工程将机制砂石粉认同为泥粉，导致机制砂在实际工程中的推广遇到不同程度的限制。

在云南弥蒙铁路的建设中，工程沿线缺乏天然砂，但是矿石资源相对丰富，大规模利用机制砂替代天然砂势在必行。经前期调研，发现当地缺乏符合铁路建设要求的粉煤灰资源，因此需要进一步考虑采用在机制砂生产中收集的石粉替代部分粉煤灰，以制备出兼具技术优势和经济效益的混凝土。当前关于利用石粉作为矿物掺合料的研究较为广泛，李颜秀等[4]的研认为，掺片麻岩石粉会降低混凝土的工作性和抗压强度。张亚舟等[5]的研究表明，火成岩石粉、粉煤灰、矿粉按照6∶2∶2 的质量比复合可对混凝土抗压强度起最佳提高作用。谢春磊等[6]的研究认为，石粉-粉煤灰-偏高岭土多元复合掺合料对混凝土的抗压强度有提高作用。李北星和周明凯[7]的研究认为，对于C30、C60、C80 混凝土，石粉替代粉煤灰的比例若分别未超过75%、75%、100%，则石粉可起到接近Ⅱ级甚至是Ⅰ级粉煤灰的作用。田建平等[8]的研究认为，11%粉煤灰和7%石粉可以产生良好的复合叠加效应。

虽然现有研究对石粉用在混凝土制备中已取得某些共识，但是对于石粉在不同场合下的最佳掺量尚存在不同看法。本文针对云南弥蒙铁路的建设背景和原材料性能，对石粉替代粉煤灰对铁路混凝土力学性能和耐久性能的影响进行详细探讨，总结石粉替代粉煤灰的适宜比例。

1 试验

1.1 原材料

（1）石灰石机制砂：石粉含量10.2%，细度模数2.94，表观密度2690 kg/m3，需水量比103%，MB 值0.75，单级最大压碎指标16.5%，松散堆积密度1600 kg/m3，松散堆积空隙率41%。

（2）石粉：石灰石质，粒径小于75 μm，流动度比106%，需水量比98%，MB 值0.5，比表面积900 m2/kg，密度2655 kg/m3，含水量0.41%，7 d 活性指数70%。

（3）碎石：采用5～10 mm、10～20 mm、20～31.5 mm 碎石按2∶5∶3 的质量比混合制得，混合后针片状颗粒含量为0.6%，压碎指标为8.7%。

（4）水泥：文山海螺P·O42.5 水泥，标准稠度用水量27.1%，比表面积326 m2/kg，初、终凝时间分别为161、246 min，3、28 d抗压强度分别为32.2、57.5 MPa。

（5）粉煤灰：贵州黔电力盘南电厂F 类Ⅱ级，细度（45 μm筛筛余）13.2%，28 d 活性指数74%。

（6）减水剂：云南宸磊建材有限公司聚羧酸高效减水剂，固含量30.2%，减水率28%。

1.2 试验配合比和试验方法

设计混凝土强度等级分别为C30 和C40，研究机制砂石粉替代粉煤灰对混凝土性能影响的配合比如表1所示，胶凝材料由水泥、粉煤灰和石粉组成，固定水泥掺量为80%，粉煤灰与石粉总掺量为20%，石粉替代粉煤灰，掺量分别为0、10%、20%，粉煤灰掺量依次为20%、10%、0，水胶比保持不变，减水剂总掺量为胶凝材料质量的0.65%。混凝土浆体拌合完毕后，按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试浆体坍落度和扩展度，此后将浆体装入塑料模具中，静置于25 ℃室内环境中24 h 后脱模。试件脱模后，立即转入标准养护室养护，按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试3、7、28、56 d 立方体抗压强度（试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm），测试28、56 d 静力受压弹性模量（试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm）；按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试56 d 电通量、120 d 干燥收缩、56 d 碳化性能和150次冻融循环性能，试件依次为直径φ100 mm×高50 mm 圆柱体、100 mm×100 mm×512 mm 棱柱体、100 mm×100 mm×300 mm 棱柱体和100 mm×100 mm×400 mm 棱柱体。

表1 不同机制砂石粉掺量混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果与分析

2.1 石粉掺量对混凝土工作性的影响（见表2）

表2 机制砂石粉掺量对混凝土工作性的影响

由表2 可知：

（1）当浆体中仅含粉煤灰或机制砂石粉时，混凝土的和易性均不如复掺粉煤灰和石粉的试样，说明在表1 配合比下，复合掺用粉煤灰和石粉比单掺石粉或粉煤灰对混凝土的工作性能更有利。这是因为：粉煤灰颗粒光滑圆润，在新拌混凝土中可充当“滚珠”作用；机制砂石粉可通过其小粒径填充在浆体空隙中，降低空隙中自由水滞留量，达到减水效应。

（2）C40 混凝土的工作性能比C30 更佳，这是因为C40混凝土中胶凝材料用量较多，拌合过程中有更多浆体包裹骨料，增大浆体的流动性。

2.2 石粉掺量对混凝土抗压强度的影响（见图1、图2）

图1 机制砂石粉掺量对C30 混凝土抗压强度的影响

图2 机制砂石粉掺量对C40 混凝土抗压强度的影响

由图1 可见，在3 d 和7 d 龄期，石粉替代粉煤灰对C30混凝土抗压强度没有明显影响。当龄期延长到28 d 时，石粉替代50%粉煤灰对样品强度影响较大，抗压强度从C30-2-0组的56.3 MPa 降低到50.8 MPa，降幅达到9.7%；若石粉进一步替代100%粉煤灰，则在该龄期下抗压强度被削弱程度尚未明显，C30-2-2 组的28 d 抗压强度仅比C30-2-1 低2.8 MPa，为52.1 MPa。养护到56 d 龄期时，3 组试样的抗压强度差距进一步扩大：当掺合料全为粉煤灰时，混凝土的抗压强度为61.8 MPa；当石粉替代50%粉煤灰时，抗压强度降至54.8 MPa，降幅达到11.3%；而当石粉替代100%粉煤灰时，则混凝土的56 d 抗压强度为52.1 MPa，仅为C30-2-0 组的84%。

由图2 可见，当混凝土强度等级为C40 时，石粉替代粉煤灰对抗压强度的影响更显著。龄期为3 d 时，未掺石粉组抗压强度为44.9 MPa，石粉分别替代50%、100%粉煤灰后混凝土的抗压强度分别为40.5、36.3 MPa，较未掺石粉组分别降低了9.8%、19.2%。当龄期达到28 d 时，石粉替代粉煤灰带来的强度削弱效应更显著，未掺石粉组抗压强度为66.8 MPa，石粉分别替代50%、100%粉煤灰后混凝土的抗压强度较未掺石粉组分别降低了11.5%、26.3%。继续养护至56 d 龄期对C40 三组样品抗压强度的提高作用不大，虽然C40-2-1 组抗压强度与C40-2-0 组的差距稍稍缩小，但C40-2-2 组与C40-2-0组的抗压强度上差异依然大于15 MPa（达到16.5 MPa）。

综合图1 和图2 可以发现，石粉替代粉煤灰对C40 混凝土抗压强度的削弱作用大于对C30 混凝土的，但C40-2-2、C30-2-2 组的56 d 抗压强度均高于50 MPa，满足强度等级设计要求。李北星等[9]的研究得出，对于掺粉煤灰的混凝土，石粉以3.5%、7.0%、10.5%、14.0%等质量替代粉煤灰时，试样抗压强度先提高后降低。本文石粉替代粉煤灰比例为10%、20%，强度呈单调递减规律，与其结论相接近。粉煤灰具有火山灰活性，能够通过二次水化效应、“滚珠效应”、稀释效应等改善混凝土孔结构，提高混凝土强度[10]。关于石粉影响混凝土性能的作用机理，目前获得普遍认可的主要包括微晶核效应、填充效应以及化学活性效应，本文中胶凝材料总量不变，虽然不管石粉替代多少粉煤灰，新拌混凝土的浆体量均保持一致，但总体上石粉作为传统上被认为是惰性物质的材料，其对水泥基胶凝材料体系水化的促进作用有限。石粉替代粉煤灰后，会减少产生胶凝性的胶凝材料含量，表现出稀释效应，从而减少了单位体积水泥基材料的水化产物C-S-H、Ca（OH）2等的含量[11]，并在其自身微颗粒表面与胶凝材料间引入薄弱界面，导致混凝土力学性能降低[12]。如图1、图2，石粉替代粉煤灰的比例越高，混凝土的56 d 抗压强度被削减得越厉害。

2.3 石粉掺量对混凝土弹性模量的影响（见表3）

表3 石粉掺量对混凝土弹性模量的影响

由表3 可见，在28 d 和56 d 龄期时，石粉替代50%、100%粉煤灰均会造成硬化混凝土弹性模量的降低；对C30 等级混凝土而言，粉煤灰被石粉全部替代后，弹性模量下降幅度有限，但对于C40 混凝土，矿物掺合料全部采用石粉会造成56 d 弹性模量比使用粉煤灰低16.6%。同时，混凝土弹性模量数据表现出的规律也很好地验证了抗压强度的发展趋势。

2.4 石粉掺量对混凝土耐久性能的影响

2.4.1 石粉掺量对混凝土电通量和碳化深度的影响（见表4）

由表4 可见：

（1）当石粉以0、50%、100%逐步取代粉煤灰时，硬化混凝土的56 d 电通量急剧增大。C30-2-1、C40-2-1 两组样品的56 d 电通量分别为1141、1023 C，尚低于1200 C。若掺合料全部为石粉，C40-2-2 组的电通量为1593 C，C30-2-2 组的电通量则高达1952 C，说明混凝土孔结构、密实性能等不断在劣化，进一步印证了抗压强度、弹模的变化规律。

表4 石粉掺量对混凝土电通量和碳化深度的影响

（2）当石粉以0、50%、100%逐步取代粉煤灰时，C30 和C40混凝土的碳化深度均出现不同程度的上升。例如养护至56 d时，C30-2-0、C30-2-1 和C30-2-2 的碳化深度分别为6.5、7.3、9.2 mm；C40-2-0、C40-2-1 和C40-2-2 的碳化深度分别为5.1、5.7、6.1 mm。可见机制砂石粉的惰性降低了水化产物生成总量，劣化硬化浆体孔结构，二氧化碳等侵蚀介质更容易侵入浆体内部，通过中性化消耗浆体的碱储备。

（3）C40 混凝土碳化深度比C30 混凝土低，主要是因为C40 混凝土水胶比更小，混凝土硬化过程中可生成更多水化产物填充空隙，同时较少的用水量可降低浆体硬化后毛细孔中自由水含量，生成更致密的微观结构，提高抗碳化性能。

2.4.2 石粉掺量对混凝土抗冻融性能的影响

采用机制砂石粉替代粉煤灰对混凝土抗冻融性能的影响如图3所示。在冻融循环作用下，混凝土内部毛细孔逐渐吸水至临界饱水度，在过大冰晶压力作用下出现体积膨胀，浆体剥落破损，裂缝逐渐出现、延长或变宽，导致混凝土动弹性模量急剧下降。

图3 石粉掺量对C40 混凝土抗冻融性能的影响

由图3 可知，石粉替代粉煤灰对混凝土抗冻融性能的影响相差不大，C40-2-0、C40-2-1 和C40-2-2 在150 次冻融循环内的相对动弹性模量下降趋势接近，在125～150 次冻融循环次数之间降低到60%以下。其中C40-2-1 组在测试期间内相对动弹模下降速率相对较小，可能是因为粉煤灰和机制砂石粉的协同作用改善了新拌浆体的和易性，利于制备更加均匀密实的浆体，细化了浆体毛细孔径和增大了浆体孔结构的连通复杂程度。总体而言，机制砂石粉替代粉煤灰对机制砂混凝土抗冻性能影响较低。

2.4.3 石粉掺量对混凝土干燥收缩性能的影响

机制砂石粉掺量对低品质粉煤灰铁路混凝土体积稳定性的影响如图4所示。干燥收缩的大小间接反应了混凝土开裂应力的高低。混凝土在浇筑成型、硬化后，若出现过高的干燥收缩，会促使硬化浆体内逐渐储备越来越高的开裂拉应力，一旦达到混凝土的抗拉强度，浆体将出现裂缝，这些裂缝随着收缩行为和外界荷载的作用持续变深和变宽，进而为外界腐蚀介质侵蚀水化产物和钢筋提供条件，严重损害混凝土的服役寿命。一般来说，石粉含量增多，混凝土干燥收缩愈为显著。

图4 石粉掺量对混凝土干燥收缩的影响

由图4 可见，混凝土的干燥收缩率随石粉替代率增大而上升。比如120 d 时，C30-2-0、C30-2-1 和C30-2-2 干燥收缩率分别为345×10-6、366×10-6和379×10-6；C40-2-0、C40-2-1 和C40-2-2 干燥收缩率分别为376×10-6、384×10-6和398×10-6。对比C30 和C40 混凝土，发现C40 混凝土总体干燥收缩率更大，这是因为C40 混凝土胶凝材料用量更大，其产生的化学收缩更加严重，再加上干燥过程中的失水作用，最终出现更剧烈的收缩行为。

为进一步探讨石粉替代率对混凝土干燥收缩的影响，以120 d 收缩率为干燥收缩终值，定义每组样品干燥收缩率达到其终值的一半为收缩半衰期，干燥收缩终值的一半与收缩半衰期的比值为半衰期收缩率[13]，各组样品的收缩半衰期和半衰期收缩率如表5所示。

表5 各组样品的收缩半衰期和半衰期收缩率

由表5 可见，当石粉替代粉煤灰时，混凝土干燥收缩半衰期呈现不同程度的缩短；随着石粉替代率的增大，混凝土半衰期收缩率增大，说明石粉替代粉煤灰会加快混凝土收缩行为。

石粉颗粒的粒形、粒径与颗粒分布均会对混凝土工作性、力学性能和长期性能产生影响[7，9，14]。我国优质粉煤灰供小于求，施工单位转而采用性能稍差的粉煤灰，利用石粉替代部分粉煤灰所能达到的效果往往难以达到理想状况。因此，虽然利用机制砂石粉作为部分矿物掺合料能在经济和技术上均取得一定效益，但是其取代率仍需慎重选择。