凝灰巖石粉復合摻合料對混凝土性能的影響研究

唐超群，羅 恒，任龍芳，吳慶霞，夏京亮

(1.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

隨著“一帶一路”倡議的推進和國家基礎設施建設規模的加大，混凝土作為最大宗的土木工程材料用量逐年提升。2021年我國提出的“雙碳”指標給建材行業的低碳減排提出了更高要求。由于水泥行業的碳排放量占據全國碳排放量的12%[1]，不利于碳減排和碳中和實現，因此急需開發一些碳足跡更低的膠凝材料。

礦物摻合料替代部分水泥用于混凝土制備，不僅可以減少碳排放、實現固廢綜合利用，同時也可改善混凝土的微結構和工作性，提高混凝土的密實性[2]，對混凝土的后期強度和耐久性有一定提升，是制備低碳混凝土的重要組成材料。目前常用的礦物摻合料有粉煤灰、硅灰、礦渣粉等，然而近幾年大規模的基礎建設導致粉煤灰等傳統優質摻合料逐漸緊缺，以致頻繁出現摻假、造假等事件，加之很多“一帶一路”沿線國家本身缺乏傳統礦物摻合料，導致部分重點工程質量難以保障，尋找或開發替代性的材料用于低碳混凝土的制備刻不容緩。

由中國路橋工程有限公司承建的金港(金邊-西哈努克港)高速公路工程沿線存在大量的凝灰巖，凝灰巖機制砂制備過程中會產生大量的凝灰巖石粉，經調研和試驗可知，當地凝灰巖石粉具有一定的化學活性，可替代粉煤灰和水泥制備低碳混凝土。目前，國內外對于巖石粉作為摻合料制備混凝土的研究主要集中在石灰石粉[3,4]，而凝灰巖石粉的研究較少。該文結合工程現場產出的巖石粉，將凝灰巖機制砂石粉和部分石灰石粉復合，替代部分粉煤灰和水泥，研究其作為復合摻合料制備低碳混凝土的技術可行性，解決“一帶一路”沿線國家礦物摻合料短缺問題。

1 試 驗

1.1 原材料

1)水泥：采用PO42.5水泥，物理力學性能詳見表1。

表1 水泥物理性能指標

2)砂：采用柬埔寨地區生產的機制砂，細度模數為2.86，石粉含量為8.4%，MB值為1，需水比為102%，單級最大壓碎指標為16.5%，松散堆積密度為1 650 kg/m3。

3)粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，細度(45 μm篩余)12.5%，7 d、28 d活性指數分別72%、74%。

4)凝灰巖石粉：主要為柬埔寨地區生產凝灰巖機制砂產生的石粉，其化學成為SiO2、Al2O3和Fe2O3等，詳見表2。

表2 凝灰巖石粉的化學組成 w/%

5)石灰石粉：細度(45 μm篩余)3%，28 d活性指數62.5%，其化學成為SiO2、CaO和MgO等，詳見表3。

表3 石灰石粉的化學成分 w/%

6)減水劑：聚羧酸減水劑，固含量30%，減水率27%。

7)水：自來水。

1.2 試驗配合比

研究凝灰巖機制砂石粉(NF)、石灰石粉(SF)及粉煤灰(FA)單一或復合替代水泥用于機制砂混凝土中對混凝土性能的影響,配合比見表4，其中摻合料總摻量占膠凝材料總質量的30%，而水泥質量始終保持為膠凝材料的70%，水膠比恒定為0.46。

表4 混凝土試驗配比 /kg

1.3 試驗方法

按照《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》GB/T50080—2002測定混凝土坍落度、擴展度等；按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T50081—2002測定混凝土7 d、28 d、56 d的抗壓強度;按照《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》GB/T50082—2009測定混凝土的干燥收縮性能。

2 結果與分析

2.1 凝灰巖石粉細度的確定

為確定凝灰巖石粉用于混凝土中的最佳細度，該試驗將凝灰巖石粉分別粉磨10 min、20 min、30 min、50 min，并將其按照Y-3的配合比制備凝灰巖機制砂混凝土，測試不同粉磨時間對凝灰巖石粉比表面積的影響，進而驗證其用于混凝土中，細度對混凝土工作性及抗壓強度的影響，結果如表5、圖1所示。從表5可以看出隨粉磨時間的延長，機械粉磨能耗增加，凝灰巖石粉比表面積逐漸增大，當粉磨時間達到30 min時，繼續延長粉磨時間，凝灰巖石粉的比表面積增長緩慢。因為石粉到達一定細度后，顆粒之間的作用力增大而將顆粒粘附在一起，若繼續增大粉體細度，只會過分增加機械粉磨能耗。通過凝灰巖石粉細度對混凝土工作性的影響數據可以看出：隨石粉比表面積的增加，機制砂混凝土的坍落度和擴展度逐漸增大，1 h坍落度損失降低，均沒有產生離析、泌水。

表5 凝灰巖石粉細度對混凝土拌合物工作性的影響

從圖1可以看出，隨凝灰巖石粉比表面積的增大，機制砂混凝土7 d、28 d和56 d的抗壓強度均隨比表面積的增大逐漸增大。主要因為粉磨的同時磨掉了石粉表面的惰性層，加快了活性物質溶出和水泥水化的速度，且粉磨后的石粉顆粒粒徑小于水泥，適量摻入可以改善膠凝材料顆粒級配，有效填充水泥間孔隙，改善孔結構，提升混凝土結構密實性，進一步提升混凝土抗壓強度。綜合考慮石粉細度和粉磨能耗的影響，凝灰巖石粉最佳粉磨時間為30 min。

2.2 摻合料對混凝土拌合物工作性能的影響

凝灰巖機制砂石粉(NF)、石灰石粉(SF)及粉煤灰(FA)單一或復合替代30%膠凝材料用于混凝土中對混凝土拌合物工作性能的影響如表6所示。

表6 摻合料對混凝土拌合物工作性能的影響

從表6可以看出，未摻加摻合料的混凝土拌合物坍落度經時損失較大，工作性不好，主要因為機制砂相對于河砂表面粗糙，形狀不規則，多棱角，相同水膠比下制備的混凝土工作性較差。但在混凝土中摻加摻合料可以明顯改善混凝土工作性，復合摻合料相對于單一摻合料用于混凝土中，具有更好的坍落度保持能力和較好的粘聚性、流動性。

2.3 摻合料對混凝土抗壓強度的影響

摻合料對混凝土抗壓強度的影響如表7所示，可以看出：單一摻合料替代部分水泥制備的混凝土相較于純水泥制備的混凝土抗壓強度均有所降低，特別對7 d和28 d的抗壓強度影響較大，說明粉煤灰、凝灰巖石粉和石灰石粉在一定程度上減小了混凝土的早期強度。對于摻加單一摻合料的混凝土強度：單摻粉煤灰高于單摻凝灰巖石粉高于單摻石灰石粉，說明各摻合料活性：粉煤灰>凝灰巖石粉>石灰石石粉。對于混凝土的早期強度(7 d)和中期強度(28 d)，純水泥體系略高于復合摻合料體系，隨齡期的繼續延長到56 d時，20%粉煤灰+10%凝灰巖石粉復摻比純水泥體系抗壓強度增長1.84%，10%粉煤灰+20%凝灰巖石粉復摻比純水泥體系抗壓強度增長2.03%，10%粉煤灰+10%凝灰巖石粉+10%石灰石粉比純水泥體系抗壓強度增長0.37%，20%凝灰巖石粉+10%石灰石粉比純水泥體系抗壓強度降低1.29%，綜合來看，粉煤灰和凝灰巖石粉復合摻合料對機制砂混凝土后期強度提升明顯，主要因為凝灰巖石粉和粉煤灰均具有“火山灰效應”，在水泥水化過程中可以起到晶核作用，能加速水泥水化反應的發生和水化物的形成[5]。不同粒徑的摻合料復合可以充分發揮顆粒間的協同效應和互補效應，優化顆粒間級配、降低有害孔，使混凝土漿體更加密實，進一步提升混凝土抗壓強度。石灰石粉作為摻合料一定程度上會降低混凝土強度，但石灰石粉在一定程度上可以改善混凝土的工作性，在工程應用中，可在保證混凝土抗壓強度的基礎上少量摻加部分石灰石粉。

表7 摻合料對混凝土抗壓強度的影響 /MPa

2.4 復合摻合料對混凝土干燥收縮性能的影響

混凝土收縮會導致混凝土開裂、結構變形等，干燥收縮是混凝土硬化后的主要收縮，約占混凝土總收縮的80%～90%，控制混凝土干燥收縮對提升混凝土耐久性具有重要意義。

復合摻合料對混凝土干燥收縮性能的影響如圖2所示。可以看出：幾種混凝土的干燥收縮變化趨勢大體一致，28 d之前增長速度較快，隨齡期延長增長減緩；復合摻合料相對純水泥體系混凝土干燥收縮減小，說明復合摻合料對混凝土干燥收縮具有抑制作用，主要因為復合摻合料密度較水泥小，同質量膠凝材料下，粉料體積大，混凝土結構更加密實，干燥收縮減小，同時水泥水化反應也會加大混凝土收縮。對比4種復合摻合料，60 d之前，Y-5和Y-6的干燥收縮均小于Y-7和Y-8，隨齡期繼續延長，Y-5和Y-6干燥收縮值反超Y-7和Y-8，逐漸接近純水泥混凝土。分析原因：粉煤灰和凝灰巖石粉的化學活性在后期得到激活，不斷參與水化反應，導致混凝土干燥收縮增加。

3 結 論

a.粉磨時間超過30 min，凝灰巖石粉比表面積增長緩慢，隨石粉比表面積的增加，機制砂混凝土工作性變好，抗壓強度增大。綜合考慮石粉細度和粉磨能耗的影響，凝灰巖石粉最佳粉磨時間為30 min。

b.復合摻合料相對單一摻合料制備的機制砂混凝土，工作性能更好；摻合料的摻入減小了混凝土的早期強度，但粉煤灰和凝灰巖石粉復合摻合料對機制砂混凝土后期強度有一定提升。

c.復合摻合料的摻入能抑制混凝土的干燥收縮，但在后期，粉煤灰和凝灰巖石粉活性被激發，混凝土干燥

收縮增加。石灰石粉雖會降低混凝土抗壓強度，但可以改善混凝土工作性、降低混凝土干燥收縮。