大摻量白云巖石粉對低強度混凝土和易性與強度影響的試驗研究

張智茹，宋少民＊，嚴章國

（1. 北京建筑大學，建筑結構與環境修復功能材料北京市重點試驗室，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

隨著我國基礎建設的發展，機制砂石已取代天然砂石成為主力砂源。機制砂石生產過程中產生的石粉如果不能合理利用，將對環境造成極大的危害[1-2]。GB/T 14684—2011《建設用砂》規定機制砂石粉含量不得高于 10%[3]。目前多余石粉一般通過水洗、堆積等方法來處理，既不環保又浪費資源[4]。為保證混凝土綠色健康發展，可以將多余的石粉作為礦物摻和料摻入混凝土中，既可以改善混凝土的性能，又可以處理掉機制砂生產過程中多余的石粉，且起到了節能減排、降本增效、保護大氣環境等良好效果。

目前，對石灰石粉的研究、利用和開發較多，并出臺了相關的標準：GB/T 30190—2013《石灰石粉混凝土》，該標準中規定在混凝土中可以摻入一定比例的石灰石粉[5]。白云巖石粉的主要化學成分與石灰石粉相近，近年來，我國對白云巖石粉在混凝土中的應用也進行了相關的研究。孫麗麗等[6]用白云巖石粉作為礦物摻和料，替代 50% 的粉煤灰，試驗發現：白云巖石粉對混凝土強度影響不大，但對混凝土的耐久性能，如碳化、收縮、抗凍性有提高。李明衛等[7]試驗發現在碾壓混凝土中，石粉對混凝土強度影響較大，石粉含量應控制在 23.6%～25.6%。標準規范中根據已有研究結果基本上把石灰石粉摻量控制在 20%，最高不超過 25%。針對低強等級大流動性混凝土和易性不良，經常出現離析、泌水、漿體稠度太低、包裹性差等問題，筆者認為在 C30 及以下等級混凝土不宜降低膠凝材料用量，可以使用較大摻量碳酸鹽石粉，相對較低的水膠比，充分保障混凝土粘聚性和包裹性。

1 原材料與試驗設計

1.1 原材料

（1）水泥：采用北京市金隅水泥有限公司生產的P·O42.5 水泥，其主要物理性能如表1 所示。

表1 水泥指標試驗數據

（2）粉煤灰：采用北京敬業達公司生產的Ⅰ級粉煤灰。其主要性能指標如表2 所示。

表2 粉煤灰主要指標試驗數據

（3）礦渣粉：采用三河市天龍新型建材有限公司生產的 S95 礦渣粉。其主要的性能指標如表3 所示。

表3 礦渣粉主要指標試驗數據

（4）白云巖石粉：采用河北順和建筑材料有限公司生產的白云巖機制砂中的 75μm 以下石粉，其物理性能如表4 所示。

表4 白云巖石粉物理性能

（5）細骨料

采用河北順和建筑材料有限公司生產的白云巖機制砂，典型的“兩頭大、中間小”。其物理性能如表5，級配如表6 所示。

表5 白云巖機制砂物理性能

表6 白云巖機制砂級配

采用北京榆構有限公司的河砂，其物理性能及級配如表7、8 所示。

表7 河砂物理性能

表8 河砂級配

（6）粗骨料：采用北京榆構有限公司的石灰巖碎石，5～10mm、10～20mm 按 5:5 比例混合，其性能指標見表9。

表9 粗骨料指標

（7）減水劑：采用北京市高強混凝土有限責任公司的聚羧酸減水劑，具體性能指標[8-9]見表10。

表10 混凝土外加劑性能指標

（8）水：自來水。

1.2 試驗方案

1.2.1 白云巖石粉膠砂試驗

將白云巖石粉按 0%、10%、20%、30%、40%、50% 等質量取代水泥與礦粉雙摻，水膠比均為 0.5，配合比設計如表11。

表11 白云巖石粉膠砂配合比 kg

1.2.2 白云巖石粉混凝土試驗

基準組參考 JGJ 55—2011《混凝土配合比設計規程》中規定，選用 C15、C20、C25、C30 這四種常用設計強度等級進行配合比設計，配合比設計如表12，試驗組將石粉按照 30%、35%、40%、45% 的摻量分為4 個大組，其中每個摻量對應三個或兩個水膠比，一共11 組，B-1～B-6 膠材總量為 376kg/m3，砂率為 45%，B-7～B-11 膠材總量為 350kg/m3，砂率為 46%，所有組礦粉摻量均為 15%。石粉來自白云巖機制砂中 75μm 以下部分，配合比設計如表13。

表12 基準組混凝土配合比 kg/m3

表13 白云巖石粉試驗組混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結果及分析

2.1 白云巖石粉對膠砂性能的影響

由表14 和圖1、2 可知：

圖1 白云巖石粉膠砂抗壓強度圖

表14 白云巖石粉對膠砂力學性能的影響

整體上看，膠砂各組隨著齡期的增加強度越來越高；摻白云巖石粉的水泥膠砂組 3d、7d、28d 的抗壓強度均低于基準組，而且隨著石粉摻量的增大呈下降趨勢；石粉摻量在 30%～50%，B-30、B-40、B-50 組膠砂 28d 強度為 30.3MPa、24.7MPa、20.6MPa，與基準組相比，強度分別下降了 38%、50%、58%，膠砂各組抗折強度與抗壓強度規律基本一致，石粉摻量每增大10%，膠砂 28d 抗折強度下降約 10%。

圖2 白云巖石粉膠砂抗折強度

2.2 大摻量白云巖石粉對混凝土性能的影響

2.2.1 大摻量白云巖石粉對混凝土和易性的影響

為達到大流動性的要求，通過調整減水劑的摻量來使混凝土的坍落度范圍控制在 200～240mm，擴展度范圍控制在 500～600mm，混凝土和易性見表15。

表15 白云巖石粉混凝土和易性

基準組隨著混凝土強度等級下降，減水劑用量增大，和易性變差。C30-J 組和易性良好，C25-J 組通過調整減水劑的用量和易性可以滿足大流態的要求，但是每方混凝土減水劑用量增大一倍，為 4.5kg，經濟性差；C20-J 和 C15-J 組因為漿體太少，無法包裹骨料，和易性差，即使增大減水劑用量和易性也達不到大流動性混凝土的要求，沒有技術和經濟可行性。與基準組相比，大摻量白云巖石粉混凝土試驗組整體和易性良好，滿足大流動性混凝土的要求，B-6、B-11 組有輕微離析泌水，試驗組各組每方混凝土減水劑用量均低于 2kg，有良好的技術、經濟效益。

2.2.2 大摻量白云巖石粉對混凝土立方體抗壓強度的影響

白云巖石粉各組 7d、14d、28d 齡期立方體抗壓強度見表16。

表16 白云巖石粉混凝土立方體抗壓強度

從 28d 強度來看：當每方混凝土膠材總量 376 kg，白云巖石粉摻量為 30% 時，B-3 組達到 C30 混凝土配制強度，B-1、B-2 組達到 C25 混凝土配制強度。石粉摻量 40% 時，B-6 組達到 C30 混凝土配制強度，B-4、B-5 組達到 C25 混凝土配制強度。

當每方混凝土膠材總量 350kg，石粉摻量 35% 時，B-8、B-9 組達到 C20 混凝土配制強度，B-7 組達到 C15混凝土配制強度。石粉摻量 45%，B-10、B-11 組達到C15 混凝土配制強度。

2.3 大摻量白云巖石粉對混凝土成本的影響

試驗所用原材料價格如表17 所示，因 C20-J、C15-J 組和易性較差，故不做對比，各組混凝土成本分析如表18。

表17 原材料價格 元/t

表18 混凝土材料成本分析 元/m3

對于 C30 混凝土，試驗中成本均低于基準組，其中 B-3 組水泥用量減少 15kg/m3，成本降低約 36.7 元，B-6 組水泥用量減少 53kg/m3，成本降低約 50 元。對于C25 混凝土 B-1、B-2 組水泥用量減少 7kg/m3，成本降低約 40 元左右，B-4、B-5 組水泥用量減少 45kg/m3，成本降低約 55 元左右。

3 結論

（1）白云巖石粉有良好的需水行為，摻加石粉各組的流動度均大于基準組，摻入石粉改善了膠砂的流動性。

（2）大摻量白云巖石粉混凝土單方膠凝材料總量為 376kg，其中石粉摻量 30% 時，水膠比 0.43 時混凝土和易性好、28d 強度滿足 C30 混凝土配制強度要求，水泥用量減少 15kg/m3，外加劑用量減少 0.7kg/m3，單方混凝土節省成本約 36.7 元；石粉摻量 40% 時，水膠比 0.41 時混凝土和易性較好、28d強度滿足 C30 混凝土配制強度要求，水泥用量減少 65kg/m3，外加劑用量減少 0.2kg/m3，單方混凝土節省成本約 50 元。

（3）大摻量白云巖石粉混凝土單方膠凝材料總量為 376kg，其中石粉摻量 30% 時，水膠比 0.47 和 0.45時混凝土和易性好、28d 強度滿足 C25 混凝土配制強度要求，水泥有所減少，外加劑用量顯著降低，單方混凝土節省成本約 40 元；石粉摻量 40% 時，水膠比 0.45 和0.43 時混凝土和易性較好、28d 強度滿足 C25 混凝土配制強度要求，水泥用量減少 45kg/m3，外加劑用量顯著降低，單方混凝土節省成本約 55 元。

（4）大摻量白云巖石粉混凝土膠材總量為 350kg試驗組可以滿足 C20 和 C15 混凝土和易性好，配制強度要求，水泥用量和外加劑用量顯著降低。

（5）考慮到白云巖機制砂石粉含量為 10%，所以混凝土中實際石粉含量更大。白云巖石粉摻入混凝土中，既可以彌補中低強度等級混凝土因為漿體不足的缺陷，改善混凝土的和易性、提高混凝土的密實度，又降低了混凝土的成本，石粉也可以得到有效的利用。具有很好的技術和經濟效益。