高含泥量無機膠凝材料混凝土試驗探究

陳偉 李倩 黃勇 斯毅

（1.新疆交通建設集團股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830016；2.新疆交建公路規劃勘察設計有限公司，新疆 烏魯木齊 830016；3.新疆農業職業技術學院，新疆 昌吉 830000）

隨著全國2020年農村脫貧目標的實現和“十四五”規劃中對脫貧工作的鞏固，新疆各等級道路和相應基礎設施均迎來較大發展機遇，尤其是農村基礎設施得到了進一步完善。新疆天然砂礫各項物理性能指標良好，被廣泛應用于各種基礎設施建設中。相關行業標準對混凝土中粗、細集料含泥量指標作出了要求，如表1所示。天然砂礫無法直接用于水泥混凝土，主要因素為含泥量影響混凝土強度，并且利用現有常用無機膠凝材料固化高含泥量集料所形成的混凝土，其各項物理力學指標很難滿足規范要求，后期病害嚴重。針對新疆地區天然砂礫含泥量大的特點，可通過提升、改善一般常用膠凝材料的性能，實現天然砂礫直接用于混凝土拌和，達到就地取材、減少人為資源開采保護環境的目的，且混凝土質量并未降低，滿足強度和使用要求。

一、高含泥量無機膠凝材料分析

（一）化學成分分析

水泥中主要膠凝成分為硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鋁酸三鈣（C3A）和鐵鋁酸四鈣（C4AF），本文通過傅里葉紅外光譜對比分析了高含泥量無機膠凝材料和新疆天山水泥（P.O-42.5）的主要化學成分，如圖1所示，利用不同官能基團對能量吸收的差異，發現水泥四大主要成分有明顯特征峰存在，通過對不同特征峰的識別和面積計算，可深入分析不同膠凝材料的性能。從圖1光譜對比中，可看到高含泥量無機膠凝材料和普通硅酸鹽水泥在主要膠凝成分上具有相似的特征峰，且波形一致。在1410cm-1和1128cm-1處，兩種膠凝材料波峰面積累計總和分別是60263和54516，說明加入的活性SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分在與普通硅酸鹽水泥研磨后使主要膠凝物質明顯增加，Si-Al官能團含量提高約10%，可促進水化產物的形成。

表1 混凝土含泥量要求（%）

圖1 水泥紅外光譜對比分析圖

（二）膠砂強度分析

通過上述紅外光譜分析，高含泥量無機膠凝材料活性物質含量有所增加，理論上膠砂強度有所提高。本文通過水泥膠砂強度分析了兩種膠凝材料的固化特性，試驗采用相同的膠砂比和水灰比，其中在高含泥量無機膠凝材料膠砂試驗中，為了驗證對含泥量包容性更強，以0.075mm以下細顆粒物替換了20%的標準砂用量，細顆粒物取自天然砂礫。兩種材料膠砂強度試驗結果如表2所示，在不同齡期下普通硅酸鹽水泥膠砂抗壓、抗折強度值與高含泥量無機膠凝材料相比均要低一些，在相同齡期內抗壓強度后者約為前者的1.1倍至1.2倍，28d抗折強度后者約為前者的1.2倍，在大含泥量條件下高含泥量無機膠凝材強度有較大提升。結果表明：加入活性SiO2、Al2O3、Fe2O3和堿性環境后，普通硅酸鹽水泥膠凝性能得到較大改善，水化作用和水化產物含量得到提升。

表2 不同膠材膠砂試驗結果

二、混凝土性能分析

（一）混凝土強度分析

新疆天然砂礫分布廣泛，論文選取5個地方的天然砂礫（粒徑顆粒、含泥量不同），用高含泥量無機膠凝檢測混凝土抗壓、抗折強度，如表3所示。混凝土強度設定為C30，因含泥量較大，水灰比控制在0.6，未加減水劑和其他外加劑，膠材用量均為350kg/m3。從表3中可看到取樣含泥量在10%上下浮動，按表1中C30混凝土集料含泥量要求，其遠遠大于4%，是規范要求的2倍至3倍。但在高含泥量無機膠凝材料作用下混凝土強度均可達到C30混凝土強度，且有部分富余量，同時抗折強度也較好，按照現行相關標準可滿足中等交通等級技術要求。

表3 不同取樣地混凝土強度

為了進一步分析高含泥量無機膠凝材料和普通硅酸鹽水泥（P.O42.5）在膠凝固化性能上的差異，選取表3中哈密地區的兩種天然砂礫分析混凝土強度變化規律，兩種天然砂礫采用水洗法測得含泥量分別為17.6%（1#）和9.8%（2#），采用上述相同水灰比（0.6）和膠材用量（350kg/m3），實測強度如表4所示。

表4 不同膠凝材料混凝土實測強度

在表4中，不考慮集料級配結構對混凝土強度的影響，在相同水灰比下可看出普通硅酸鹽水泥在高含泥量條件下膠凝性能受到顯著影響，與高含泥量無機膠凝材料相比強度明顯不足，在兩種含泥量條件下均未達到設計強度要求。反觀高含泥量無機膠凝材料，1#和2#集料混凝土28d抗壓強度分別為33.2MPa和35.2MPa，且抗折強度也較高，分別為4.4MPa和4.9MPa。從試驗結果可知，含泥量弱化了普通硅酸鹽水泥的水化反應，小于0.075mm以下的細小顆粒物裹附在水化產物中，影響了水泥石和水泥石-集料界面整體強度的形成。

為了進一步分析相同含泥量條件下高含泥量無機膠凝材料的膠凝性能，利用電子顯微鏡得到了天然砂礫中0.075mm以下顆粒物分別與普通硅酸鹽水泥和高含泥量無機膠凝材料水化反應后的微觀結構圖，如圖2所示。從圖2(a)可以看到，在普通硅酸鹽水泥作用下，0.075mm以下顆粒物呈聚集性的分散狀態，團狀物之間沒有膠結關系；而圖2(b)中，在高含泥量無機膠凝材料作用下，顆粒物與顆粒物之間存在化學鍵的緊密搭接，并膠結為整體結構，說明高含泥量無機膠凝材料在活性SiO2、Al2O3、Fe2O3和堿性環境作用下，可激發細顆粒物（不大于0.075mm）中非活性或活性較低的硅、鋁基團共同參與到水泥的水化反應中。

圖2 細顆粒物與不同膠凝材料水化微觀結構圖

（二）混凝土抗凍性能分析

利用表4中哈密2#集料分別用普通硅酸鹽水泥和高強無機膠凝材料分析混凝土抗凍性能，兩種混凝土中均未添加引氣劑，試驗采用行業規范中的快凍法，凍融試驗結果如表5所示。

可以看出，在相同凍融循環次數下，普通硅酸鹽水泥混凝土與高含泥量無機膠凝材料混凝土相比質量損失嚴重，在凍融循環50次后，質量損失前者是后者的10倍左右，說明普通硅酸鹽水泥混凝土結構在反復凍融條件下已遭到破壞，實測相對動彈模量如圖3所示。

表5 不同水泥混凝土凍融試驗結果

圖3 相對動彈模量與凍融循環次數的關系

由圖3可知，普通硅酸鹽水泥混凝土在凍融循環30次至40次之間，相對動彈模量損失超過標準規范值，根據圖像分析在大約34次凍融循環后相對動彈模量已低于60%。高含泥量無機膠凝材料混凝土相對動彈模量損失較為平緩，凍融循環50次后相對動彈模量剩余強度接近70%，在相同凍融次數下大約為普通硅酸鹽水泥混凝土的1.6倍，說明高含泥量無機膠凝材料混凝土的抗凍性能更好。

（三）混凝土干縮性能分析

在前期混凝土性能分析基礎上，監測了哈密2#集料兩種膠凝材料的干縮變形，干縮率如圖4所示。由圖4可知，在不同齡期內普通硅酸鹽水泥混凝土的干縮實測值明顯大于高含泥量無機膠凝材料混凝土，說明在普通硅酸鹽水泥作用下0.075mm細顆粒物在吸收大量水后以團聚現象分散在水化產物中，隨著齡期的增長團聚細顆粒物內部自由水蒸發散失，致使干縮形變增強。而在圖2(b)中高含泥量無機膠凝材料使0.075mm細顆粒物一同參與水化反應，自由水相對較少，且細顆粒物與水化膠凝物質相互融合，形成整體性和強度均較好的水泥石和水泥石-集料界面，因此混凝土結構干縮率小于普通硅酸鹽水泥混凝土，具有良好的干縮性能。

圖4 干縮率變化趨勢

三、環境效益分析

從上述研究可以看出，高含泥量無機膠凝材料對高含泥量的天然砂礫有較好的固化效果，與傳統混凝土相比，無需對原材料實施篩分和水洗等工藝。通過相關定額和生產調研，每立方米高含泥量無機膠凝材料混凝土原材料在篩分和水洗工藝中可節約柴油約1.3kg、電0.56kw·h、水0.39m3，結合《綜合能耗計算通則》（GB/T2589）中柴油和原煤的CO2排放系數，計算得到每m3高含泥量無機膠凝材料混凝土可減少CO2排量4.37kg，具有一定環境效益。

四、結語

通過在普通硅酸鹽水泥中加入活性SiO2、Al2O3、Fe2O3和堿性物質激發劑，可提升水泥膠凝性能，并可放寬混凝土原材料對含泥量的要求。經試驗分析，主要結論如下：

1.通過傅里葉紅外光譜分析，高含泥量無機膠凝材料中所添加的SiO2、Al2O3、Fe2O3等活性激發劑可使主要膠凝成分的硅、鋁基團增加10%。在水泥膠砂試驗中，高含泥量無機膠凝材料所用標準砂在用20%的0.075mm以下細顆粒物替代后膠砂強度并未降低，與常規水泥相比提高1.1倍至1.2倍，可激發細顆粒物（不大于0.075mm）中非活性或活性較低的硅、鋁基團共同參與到水泥的水化反應中；

2.在新疆多地取料，天然砂礫含泥量在10%左右高含泥量無機膠凝材料仍表現出良好的膠凝性質，混凝土強度滿足C30，且有一定富余；

3.天然砂礫含泥量為10%左右時，在高含量無機膠凝材料作用下混凝土的質量損失和相對動彈模量衰減指標完全小于常規水泥混凝土，抗凍性可達到常用硅酸鹽水泥混凝土的1.6倍，同時實測不同齡期的干縮率也小于常用硅酸鹽水泥混凝土，高含量無機膠凝材料混凝土具有良好的抗凍性能和干縮性能；

4.基于高含泥量無機膠凝材料特殊的作用機理，可將高含泥量（10%左右）天然砂礫作為混凝土原材料，無需篩分和水洗處理工藝，具有一定環境效益。