高吸附性石粉與蒙脫土對混凝土性能的影響

王宇杰，嚴章國，宋少民

（1.北京建筑大學土木與交通工程學院，北京 100044；2.中國水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽 550008）

0 引言

1 原材料與試驗設計

1.1 原材料

（1）水泥：采用北京金隅公司生產的 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標見表 1。

表1 普通硅酸鹽水泥性能指標

（2）粉煤灰：采用河北金泰成公司生產的Ⅰ級粉煤灰，密度 2.24g/cm3，需水量比 91.2%，活性指數80%，燒失量 3.1%。

（3）礦渣：采用河北金泰成公司生產的 S95 級礦渣粉，比表面積 450m2/kg，流動度比 91%，活性指數95%，燒失量為 0。

（4）細骨料：試驗采用細骨料為河砂，依據 GB/T 14684—2011《建設用砂》，細骨料的顆粒級配如表 2所示。

表2 細骨料的顆粒級配

（5）粗骨料：試驗采用粗骨料為碎石，依據 GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》，粗骨料的顆粒級配如表 3 所示。其堆積密度為 1570kg/m3，表觀密度為2655kg/m3，空隙率為 41%。

表3 粗骨料顆粒級配

（6）減水劑：減水劑為保坍型減水劑，由北京榆樹莊構件廠提供，實測固含量為 25%，減水率為31%。

初加工環節對于中式烹飪來講不可或缺，也是后續切配環節的基礎，以下幾點應當引起烹飪者的注意：一是食品衛生達標，俗話說“病從口入”，所以在對原材料進行初加工的時候，必須要嚴格遵照食品衛生標準處理；二是保持營養成分，人的身體機能多依靠食物中的營養成分來維持，所以烹飪者在對原材料進行初加工的同時，除了要注意食物間相克的問題，還要注意保持原材料的營養成分；三是色香味形俱全，“色、香、味、形”和諧統一，一直是中式烹飪不懈追求的目標，所以在原材料初加工時要注意色香味形的問題，不能在初加工階段就影響菜肴的成型；四是科學使用食材，食品初加工中要注意合理使用原材料，避免鋪張浪費，提高原材料的凈料率[1]。

（7）石粉與粘土：高吸附性石粉選擇凝灰巖石粉，蒙脫土選擇南方地區的紅壤土（以下簡稱粘土），與石灰石粉（吸附性低）進行對比研究。石灰石粉（SHS）、凝灰巖石粉（NHY）和粘土泥粉（NF）細度、需水量比和亞甲藍值指標如表 4 所示。

表4 不同粉體的基本物理指標

對三種粉體進行激光粒度和 XRD 試驗，分析其粒徑分布與主要礦物成分，結果如圖 1 與圖 2 所示。

圖1 SHS、NHY、NF 的激光粒度分布

圖2 粘土與石粉 X 射線衍射圖譜

由圖 1 可以得出，粘土的 D50和 D90均比另外的兩種石粉小一些。總的來看，對于顆粒粒徑的具體分布尺寸而言，粘土和石灰石粉與凝灰巖石粉相比要小。從圖2 中可以看出粘土含有蒙脫石和云母，凝灰巖石粉成分為石英和沸石類礦物，而對于石灰石粉，它的礦物成分單一，主要為碳酸鈣。

1.2 試驗設計

（1）凝灰巖石粉、石灰石粉、粘土分別按照外摻摻量為 20% 和 40% 等質量替代混凝土中砂用量，并配制 C30 和 C50 混凝土。混凝土配合比見表 5。混凝土控制坍落度在 180～200mm 之間。

表5 混凝土配合比 kg/m3

（2）新拌混凝土工作性通過控制坍落度對比減水劑的用量表征，力學性能依據 GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測定，耐久性指標依據 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》完成試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 高吸附性石粉與蒙脫土對混凝土工作性的影響

試驗采用外摻法摻入石灰石粉、凝灰巖石粉以及粘土等質量替代砂進行混凝土工作性能、力學性能及耐久性的研究，通過控制外加劑摻量使混凝土坍落度維持在180～200mm，通過外加劑的摻量變化研究石灰石粉、凝灰巖粉和粘土對混凝土工作性的影響，得出的結果可見表 6，將表 6 所示結果繪成柱狀圖見圖 3。

表6 兩組混凝土相同坍落度下減水劑用量 kg/m3

圖3 C30、C50 相同坍落度下減水劑用量

試驗結果表明：石灰石粉在細骨料中摻量為 20%時，C30 混凝土外加劑用量降低，在細骨料中替代量為40% 時混凝土外加劑用量有所提高，但相對基準組提高幅度不大，而凝灰巖石粉會顯著增大外加劑用量；在細骨料中摻入 20% 和 40% 粘土會使混凝土的外加劑用量提高幾倍，并會使混凝土流動性出現減小的趨勢。此外，經過研究發現石灰石粉吸附性小，需水量比小，因此適當替代量就能使混凝土的工作性得到較大改善；凝灰巖石粉具有很強的吸附性，會較大程度的吸附混凝土中水和外加劑，從而使減水劑的分散性能減弱，且水泥漿體包裹能力變差，最終對混凝土和易性產生一定的影響[9]；而粘土的吸附性更大，對水以及減水劑的吸附量非常大，C30 外加劑增大 275%～645%；C50 外加劑增大 179%～452%，從而會顯著影響混凝土的工作性。

2.2 高吸附性石粉與蒙脫土對混凝土力學性能的影響

2.2.1 高吸附性石粉與蒙脫土對混凝土強度的影響

混凝土試配完成并測定坍落度后裝模，在 (20±5)℃ 溫度環境中帶模靜置一天，第二天拆模后將試塊置于標準養護室進行養護，分別在 3d、7d、28d 三個齡期取出三個試塊測定不同齡期下的立方體抗壓強度，試驗結果如表 7 所示。根據試驗結果繪制不同組別、不同齡期的抗壓強度圖，如圖 4、圖 5 所示。

試驗結果顯示石灰石粉、凝灰巖石粉的摻入對混凝土的早、中期強度的影響基本相當。通過分析和研究，發現引起這種現象的主要原因是石灰石粉在某些條件下可以發生晶核效應[10]，所以混凝土早期強度得到了一定程度的提高。相比石灰石粉，凝灰巖石粉對于C30 混凝土強度的影響不大，對 C50 混凝土強度有些影響，但降低幅度有限。較大石灰石粉、凝灰巖石粉的摻入會使混凝土 28 天強度總體上有一定程度的降低，但不顯著，仍基本滿足強度等級要求，這與較低水膠比條件下微細顆粒散布在混凝土中拉近了顆粒間距，有利于分子力提高有關。但是粘土是軟弱顆粒，與水泥基材料相容性差，粘土失去水分后體積出現了很大收縮，使得混凝土的內部缺陷增多，強度大幅度降低。

表7 混凝土立方體抗壓強度 MPa

圖4 C30 混凝土立方體抗壓強度

圖5 C50 混凝土立方體抗壓強度

2.2.2 高吸附性石粉與蒙脫土對混凝土早期收縮的影響

測定 C30 混凝土各個齡期收縮變形數據，結果見表8。

表8 C30 混凝土不同齡期的收縮率 1×10-6

將試驗所得收縮值經規范處理得出收縮率為縱坐標，齡期為橫坐標，繪得收縮曲線如圖 6 所示。

圖6 隨齡期增長 C30 混凝土收縮率變化趨勢

試驗結果表明：與基準組相比，摻石灰石粉混凝土組早期收縮并沒有增大，凝灰巖石粉混凝土組早期收縮有所增大，粘土混凝土組早期收縮顯著增大。分析認為主要是由于粘土的吸附性很大，當進行混凝土拌合的時候，粘土先吸附的是自由水和減水劑，大大減弱了混凝土中水的分散潤滑效果和增加了減水劑的使用量，在吸附階段的時候吸附—分散—潤滑的減水機理受到了阻礙，而且粘土在干燥失水后會出現比較大的體積收縮，從而導致混凝土收縮較大。凝灰巖石粉相對于石灰石粉吸附性較大，所以摻凝灰巖石粉混凝土收縮率也有所增大。石灰石粉表面能低、吸附性低、分散性好，所以摻石灰石粉混凝土收縮較小。

2.3 高吸附性石粉與蒙脫土對混凝土耐久性的影響

2.3.1 高吸附性石粉與蒙脫土對混凝土碳化的影響

將成型的試件置于標準養護室養護 28d，并提前兩天將試件置于 60℃ 的烘箱中烘干兩天，隨后做好標記將試件置于碳化箱中，分別在 3d、7d、14d 取出劈開，在劈裂面滴定 1% 的酚酞試劑測定碳化深度，試驗結果如表 9 所示。

表9 C30、C50 混凝土早期碳化深度 mm

將試驗所得碳化深度值作為縱坐標，齡期為橫坐標，繪成混凝土碳化深度折線圖如圖 7 所示。

試驗結果表明，石灰石粉和凝灰巖石粉混凝土組與基準組相比碳化深度增大不多，而粘土因為具有高吸附性，在凝結硬化之后強度低且存在較大程度上的體積收縮，缺陷多，因此抗碳化能力大幅度降低[11]。

圖7 混凝土碳化深度

2.3.2 混凝土電通量

試件于標養室養護 28d 后，將 100mm×100mm×100mm 的試件切割成 50 mm×100 mm×100mm 用于做抗氯離子滲透試驗，三個為一組，試驗結果見表 10。

表10 C30、C50 混凝土的電通量

根據規范電通量在 1000～2000C 之間，混凝土的抗氯離子滲透等級為很低，電通量在 2000～4000C 之間，混凝土的抗氯離子滲透等級為低。從表 10 中數據可以看出，替代細骨料 20% 的石灰石粉和凝灰巖石粉混凝土能提高混凝土抗氯離子滲透性能，大摻量的石灰石粉和凝灰巖石粉會降低混凝土的抗氯離子滲透能力，對 C30 混凝土降低程度更明顯；粘土將顯著降低混凝土的抗氯離子滲透能力。石粉不僅具有填充效應，而且可以參與二次水化反應，因此在適當摻量可以增強界面、改善孔隙，提高混凝土的致密度，然而在摻量過大時，會導致混凝土骨架削弱，缺陷增多，對氯離子滲透通道的阻礙作用降低，故電通量較大[12-15]。粘土一方面在混凝土拌合過程中會吸收大量的水和吸附大量的減水劑，包裹在膠凝材料表面，阻礙了水泥的水化，削弱了骨料與膠凝材料之間的連接，進而削弱了界面過渡區；另一方面粘土極易失水，失水后體積收縮，缺陷很多，在混凝土內部形成滲水通道，從而電通量較大，抗氯離子滲透性能降低。

3 結論

（1）高吸附性機制砂石粉和蒙脫土化學成分、礦物相、MB 值、需水行為有顯著差異。

（2）石灰石粉吸附性最低，外加劑用量最少。高吸附性機制砂石粉吸附性較大，混凝土達到大流動性時外加劑用量增大，但蒙脫土吸附性非常大，混凝土外加劑用量成幾倍增長，差異很大。

（3）高吸附性機制砂石粉和石灰石粉對于混凝土強度的影響相當，而相比石粉，粘土則大幅度降低混凝土強度。

（4）高吸附性機制砂石粉混凝土收縮有所增大，而粘土對混凝土早期收縮影響非常大，石灰石粉混凝土的收縮最小。

（4）高吸附性機制砂石粉和石灰石粉對混凝土碳化影響較小，而粘土會顯著降低混凝土抗碳化能力。

（5）20% 石粉替代機制砂混凝土電通量較基準組有所降低，粘土會大幅度提升混凝土電通量。

總體上說，高吸附性機制砂石粉（片麻巖、凝灰巖、花崗巖）與蒙脫土本質上不是一種物質，所以我們對待高吸附性機制砂石粉的態度不應與蒙脫土（泥）相同，在技術條件許可的情況下，20% 以下的高吸附性機制砂石粉在砂漿和混凝土中應用具有技術可行性，而蒙脫土則不然，必須嚴格限制。