片麻巖石粉及其復(fù)合摻合料對(duì)混凝土性能的影響

李顏秀 ，周永祥 ，夏京亮 ，劉康 ，楊元喜

（1.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031；2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京 100013；3.陜西瑞德寶爾投資有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，一方面，對(duì)混凝土的需求量越來(lái)越大，對(duì)混凝土的質(zhì)量要求越來(lái)越高；另一方面，優(yōu)質(zhì)的粉煤灰、礦渣粉等傳統(tǒng)礦物摻合料逐漸匱乏，尋求合適的替代材料迫在眉睫。近些年，礦物摻合料從工業(yè)廢渣擴(kuò)展到天然礦物材料的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，天然巖石粉應(yīng)用是一個(gè)重要的研究方向，這與我國(guó)機(jī)制砂的推廣使用緊密相關(guān)。機(jī)制砂在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生15%～20%的石粉，受到機(jī)制砂標(biāo)準(zhǔn)對(duì)石粉含量的限制，多余石粉的處理方式多為堆置或者填埋[1]，不僅浪費(fèi)資源而且污染環(huán)境。近年來(lái)有研究表明[2]，將礦物摻合料復(fù)合使用，既能充分發(fā)揮自身性能，還能產(chǎn)生協(xié)同與疊加效應(yīng)。天然巖石粉為惰性石粉，本身活性較低，單獨(dú)使用在一定程度上會(huì)降低混凝土的力學(xué)性能，將天然巖石粉配制成復(fù)合礦物摻合料應(yīng)用是一種有效途徑[3]。

目前，對(duì)石灰石粉的研究較多[4-8]，石灰石粉因其具有減水效應(yīng)和微集料效應(yīng)，因而得到廣泛的應(yīng)用。但不同巖石粉性能差別很大，陜西地區(qū)出產(chǎn)的片麻巖石粉吸附性較強(qiáng)，作為摻合料取代水泥后對(duì)混凝土的工作性有一定的影響。為合理利用這種地域性材料，本文研究片麻巖石粉及其復(fù)合摻合料對(duì)混凝土性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：金隅P·O42.5水泥，其相關(guān)物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)

（2）粉煤灰：Ⅱ級(jí)，細(xì)度（45μm 篩篩余）10%，需水量比96%，7d活性指數(shù)71%，28d活性指數(shù)74%。

（3）礦渣粉：S95級(jí)，燒失量0.4%，7 d活性指數(shù)63%，28 d活性指數(shù)101%。

（4）巖石粉：陜西瑞德寶爾投資有限公司提供的片麻巖石粉（GN），7 d活性指數(shù)為65%，28 d活性指數(shù)為61%；云南某公司提供的石灰石粉（LS），7 d活性指數(shù)為60%，28 d活性指數(shù)為61%。片麻巖石粉主要由SiO2和Al2O3組成，主要化學(xué)成分見表2。

表2 天然巖石粉的主要化學(xué)成分 %

（5）細(xì)骨料：天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.49，Ⅱ區(qū)中砂，其級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 天然河砂的級(jí)配曲線

（6）粗骨料：粒徑5～20mm，連續(xù)級(jí)配，吸水率0.5%。

（7）減水劑：建研昆侖有限公司的聚羧酸高性能減水劑，固含量為23.4%，減水率為29.5%。

1.2 試驗(yàn)方法

參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)混凝土工作性能進(jìn)行試驗(yàn)；參照GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)混凝土力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)；參照GB/T50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能進(jìn)行試驗(yàn)。

采用表3的配合比配制混凝土，對(duì)比陜西地區(qū)片麻巖石粉及其復(fù)合摻合料和粉煤灰替代水泥對(duì)混凝土性能的影響，并對(duì)比片麻巖石粉復(fù)合摻合料和石灰石粉復(fù)合礦物摻合料替代水泥對(duì)混凝土性能的影響，摻合料摻量固定為膠凝材料質(zhì)量的30%。

表3 混凝土的配合比 kg/m3

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土的工作性能

在保證工作性基本相同的情況下，各組混凝土的減水劑摻量（折固，按占膠凝材料質(zhì)量計(jì)）和工作性能見表4。

表4 摻合料種類對(duì)混凝土工作性能的影響

由表4可見，在保證工作性基本相同的情況下，單摻片麻巖石粉組的減水劑摻量最大，為1.48%，單摻粉煤灰組所用的減水劑最少，為0.82%，片麻巖石粉和粉煤灰復(fù)合后所需減水劑的摻量為1.14%，比單摻片麻巖石粉組降低了20%，說(shuō)明復(fù)合后產(chǎn)生了疊加效果，對(duì)混凝土的工作性有所改善，片麻巖石粉本身的工作性較差，和粉煤灰復(fù)合后性能得到一定程度的改善。P-4為片麻巖石粉和粉煤灰、礦渣粉三元復(fù)合，其工作性狀態(tài)和減水劑摻量與P-3組相近。S-4的減水劑摻量較P-4少，說(shuō)明相同情況下石灰石粉的工作性比片麻巖石粉好。

2.2 混凝土的力學(xué)性能（見圖2）

對(duì)比圖2中P-1～P-4試樣可知，單摻片麻巖石粉的混凝土抗壓強(qiáng)度最低，片麻巖石粉為惰性石粉，不參與水化，取代水泥相當(dāng)于減少了實(shí)際膠凝材料用量，隨著齡期的延長(zhǎng)，總的水化產(chǎn)物量減少，故強(qiáng)度降低；片麻巖石粉與粉煤灰復(fù)摻，對(duì)混凝土后期強(qiáng)度有改善，但提升幅度不大；片麻巖石粉和粉煤灰、礦渣粉三元復(fù)摻的效果最佳，混凝土早期抗壓強(qiáng)度比單摻粉煤灰高，后期抗壓強(qiáng)度與單摻粉煤灰相當(dāng)，說(shuō)明片麻巖石粉復(fù)合礦物摻合料對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有所貢獻(xiàn)。

圖2 各組混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度

對(duì)比圖2中P-4、S-4試樣可知，石灰石粉復(fù)合的效果比片麻巖石粉復(fù)合的效果更佳，產(chǎn)生了超疊加效果，一方面，石灰石粉具有一定的減水效果，改善了拌合物的工作性能；另一方面，石灰石粉具有微弱的水化活性，能夠與鋁酸鹽礦物反應(yīng)生成三碳水化鋁酸鈣和單碳水化鋁酸鈣，且單碳型水化鋁酸鈣可與其他水化產(chǎn)物搭接，有助于提高混凝土的密實(shí)性[9]。摻片麻巖石粉三元復(fù)合摻合料的混凝土抗壓強(qiáng)度，早期與石灰石粉復(fù)合摻合料組相當(dāng)，片麻巖石粉為惰性石粉，在體系中可分散水泥顆粒，防止水泥絮凝，加速水泥水化，在后期，片麻巖石粉不參與水化，故強(qiáng)度略低，但基本和單摻粉煤灰的P-1組持平。

2.3 混凝土的耐久性能

2.3.1 早期收縮性能

收縮對(duì)混凝土影響很大，有效改善混凝土的收縮對(duì)工程安全性和耐久性有重要意義。試驗(yàn)采用CABE-NES型非接觸式混凝土收縮變形測(cè)定儀對(duì)單摻粉煤灰組和片麻巖石粉復(fù)合礦物摻合料組對(duì)混凝土早期收縮進(jìn)行試驗(yàn)。圖3為72 h的混凝土早期收縮情況。

圖3 3組混凝土的早期收縮性能

從圖3可以看出：P-3和P-4組的收縮率比P-1組小，且P-3組的收縮最小，P-3組為粉煤灰和片麻巖石粉復(fù)合，片麻巖石粉為惰性石粉不參與水化，所以P-3組的早期收縮比P-1組小，體系中部分粉煤灰被片麻巖石粉替代，水化反應(yīng)的量減少，總的體積變化減小，化學(xué)收縮減小。P-4組為片麻石粉和粉煤灰、礦渣粉三元復(fù)合，其收縮率比P-3組大，說(shuō)明片麻巖石粉和粉煤灰復(fù)合對(duì)早期收縮改善效果比片麻巖石粉三元復(fù)合效果更好。3組試件都放在收縮室養(yǎng)護(hù)，環(huán)境溫度和濕度都一致，自收縮和干縮的量近似認(rèn)為是一致的。

2.3.2 抗氯離子滲透性能

采用RCM法測(cè)試5組試樣混凝土的28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 5組混凝土的28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)

由表5可見，P-2組混凝土的28 d氯離子滲透擴(kuò)散系數(shù)最大，和P-1組相比，P-2組中摻入的為惰性片麻巖石粉，片麻巖石粉的顆粒形貌沒有粉煤灰的規(guī)整，且不具備粉煤灰的滾珠效應(yīng)，因此降低了水泥水化速率，從而減少了體系的水化產(chǎn)物，降低了體系致密性；P-1和P-4組的28 d氯離子滲透擴(kuò)散系數(shù)很接近，說(shuō)明摻片麻巖石粉復(fù)合礦物摻合料對(duì)提高體系致密程度有貢獻(xiàn)；對(duì)比P-3和P-4組可知，摻片麻巖石粉和粉煤灰的P-3組比摻片麻巖石粉、礦渣粉和粉煤灰組的P-4組的28 d氯離子滲透擴(kuò)散系數(shù)大，說(shuō)明片麻巖石粉和粉煤灰復(fù)合后的體系致密程度較三元復(fù)合差，一方面是因?yàn)槿獜?fù)后的微集料填充效應(yīng)，顆粒搭配更密實(shí)，減小了總的孔隙率；另一方面是因?yàn)榈V渣粉的活性比粉煤灰的高，其活性成分與水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生水化產(chǎn)生的C-S-H凝膠能夠填充過(guò)渡區(qū)的孔隙，改善過(guò)渡帶的性能。對(duì)比P-4和S-4組可知，石灰石粉三元復(fù)合比片麻巖石粉三元復(fù)合更有利于提高混凝土體系的密實(shí)性。

2.3.3 密實(shí)性

5組混凝土試樣的28 d電通量見表6。

表6 5組混凝土的28 d電通量

由表6可見，5組試件的28 d電通量都在2000～4000 C，根據(jù)JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中混凝土氯離子抗?jié)B性能等級(jí)劃分依據(jù)，5組混凝土為等級(jí)Q-Ⅱ，P-2組單摻片麻巖石粉的電通量最大，石粉的摻入減少水泥用量，水化產(chǎn)物減少，混凝土內(nèi)部填充不密實(shí)，致密程度降低。S-4組的電通量最小，且P-4組的電通量和P-1組很接近，均低于P-3組，說(shuō)明片麻巖石粉和粉煤灰、礦渣粉三元復(fù)合的混凝土密實(shí)性比片麻巖石粉和粉煤灰復(fù)合的效果好，且可以達(dá)到粉煤灰的致密程度。說(shuō)明復(fù)合摻合料能有效改善混凝土的致密程度。礦物摻合料的火山灰效應(yīng)、填充效應(yīng)和對(duì)氯離子的初始固化能力是抗氯離子滲透性的3個(gè)重要因素[10]，復(fù)合礦物摻合料中部分活性摻合料被惰性摻合料替代，在一定程度上降低了體系的火山灰效應(yīng)，但顆粒大小的不一致可以使體系的填充效應(yīng)更佳。

3 結(jié)論

（1）摻片麻巖石粉的混凝土工作性能較差，片麻巖石粉和粉煤灰、礦渣粉復(fù)合后工作性得到改善，復(fù)合礦物摻合料是改善片麻巖石粉混凝土工作性的有效途徑，相同復(fù)合摻合料情況下，石灰石粉組的工作性比片麻巖石粉組好。

（2）片麻巖石粉與粉煤灰復(fù)合摻入對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度略有改善，與粉煤灰、礦渣粉三元復(fù)合的效果最佳，三元復(fù)摻混凝土的早期抗壓強(qiáng)度高于單摻粉煤灰組，后期抗壓強(qiáng)度基本和單摻粉煤灰組持平。片麻巖石粉復(fù)合后效果比石灰石粉復(fù)合后效果稍差。

（3）片麻巖石粉與粉煤灰復(fù)摻比片麻巖石粉和粉煤灰、礦渣粉三元復(fù)摻混凝土的早期收縮率小，但是密實(shí)性后者較好。片麻巖石粉復(fù)合礦物摻合料能有效降低混凝土的早期收縮，有效改善混凝土以電通量表征的密實(shí)性。