片麻岩石粉及其复合掺合料对混凝土性能的影响

李颜秀 ，周永祥 ，夏京亮 ，刘康 ，杨元喜

（1.西南交通大学，四川 成都 610031；2.中国建筑科学研究院，北京 100013；3.陕西瑞德宝尔投资有限公司，陕西 西安 710000）

0 引言

随着基础设施的发展，一方面，对混凝土的需求量越来越大，对混凝土的质量要求越来越高；另一方面，优质的粉煤灰、矿渣粉等传统矿物掺合料逐渐匮乏，寻求合适的替代材料迫在眉睫。近些年，矿物掺合料从工业废渣扩展到天然矿物材料的趋势越来越明显，天然岩石粉应用是一个重要的研究方向，这与我国机制砂的推广使用紧密相关。机制砂在生产过程中会产生15%～20%的石粉，受到机制砂标准对石粉含量的限制，多余石粉的处理方式多为堆置或者填埋[1]，不仅浪费资源而且污染环境。近年来有研究表明[2]，将矿物掺合料复合使用，既能充分发挥自身性能，还能产生协同与叠加效应。天然岩石粉为惰性石粉，本身活性较低，单独使用在一定程度上会降低混凝土的力学性能，将天然岩石粉配制成复合矿物掺合料应用是一种有效途径[3]。

目前，对石灰石粉的研究较多[4-8]，石灰石粉因其具有减水效应和微集料效应，因而得到广泛的应用。但不同岩石粉性能差别很大，陕西地区出产的片麻岩石粉吸附性较强，作为掺合料取代水泥后对混凝土的工作性有一定的影响。为合理利用这种地域性材料，本文研究片麻岩石粉及其复合掺合料对混凝土性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：金隅P·O42.5水泥，其相关物理力学性能指标见表1。

表1 水泥的物理力学性能指标

（2）粉煤灰：Ⅱ级，细度（45μm 筛筛余）10%，需水量比96%，7d活性指数71%，28d活性指数74%。

（3）矿渣粉：S95级，烧失量0.4%，7 d活性指数63%，28 d活性指数101%。

（4）岩石粉：陕西瑞德宝尔投资有限公司提供的片麻岩石粉（GN），7 d活性指数为65%，28 d活性指数为61%；云南某公司提供的石灰石粉（LS），7 d活性指数为60%，28 d活性指数为61%。片麻岩石粉主要由SiO2和Al2O3组成，主要化学成分见表2。

表2 天然岩石粉的主要化学成分 %

（5）细骨料：天然河砂，细度模数2.49，Ⅱ区中砂，其级配曲线如图1所示。

图1 天然河砂的级配曲线

（6）粗骨料：粒径5～20mm，连续级配，吸水率0.5%。

（7）减水剂：建研昆仑有限公司的聚羧酸高性能减水剂，固含量为23.4%，减水率为29.5%。

1.2 试验方法

参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》对混凝土工作性能进行试验；参照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对混凝土力学性能进行试验；参照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对混凝土长期性能和耐久性能进行试验。

采用表3的配合比配制混凝土，对比陕西地区片麻岩石粉及其复合掺合料和粉煤灰替代水泥对混凝土性能的影响，并对比片麻岩石粉复合掺合料和石灰石粉复合矿物掺合料替代水泥对混凝土性能的影响，掺合料掺量固定为胶凝材料质量的30%。

表3 混凝土的配合比 kg/m3

2 结果与分析

2.1 混凝土的工作性能

在保证工作性基本相同的情况下，各组混凝土的减水剂掺量（折固，按占胶凝材料质量计）和工作性能见表4。

表4 掺合料种类对混凝土工作性能的影响

由表4可见，在保证工作性基本相同的情况下，单掺片麻岩石粉组的减水剂掺量最大，为1.48%，单掺粉煤灰组所用的减水剂最少，为0.82%，片麻岩石粉和粉煤灰复合后所需减水剂的掺量为1.14%，比单掺片麻岩石粉组降低了20%，说明复合后产生了叠加效果，对混凝土的工作性有所改善，片麻岩石粉本身的工作性较差，和粉煤灰复合后性能得到一定程度的改善。P-4为片麻岩石粉和粉煤灰、矿渣粉三元复合，其工作性状态和减水剂掺量与P-3组相近。S-4的减水剂掺量较P-4少，说明相同情况下石灰石粉的工作性比片麻岩石粉好。

2.2 混凝土的力学性能（见图2）

对比图2中P-1～P-4试样可知，单掺片麻岩石粉的混凝土抗压强度最低，片麻岩石粉为惰性石粉，不参与水化，取代水泥相当于减少了实际胶凝材料用量，随着龄期的延长，总的水化产物量减少，故强度降低；片麻岩石粉与粉煤灰复掺，对混凝土后期强度有改善，但提升幅度不大；片麻岩石粉和粉煤灰、矿渣粉三元复掺的效果最佳，混凝土早期抗压强度比单掺粉煤灰高，后期抗压强度与单掺粉煤灰相当，说明片麻岩石粉复合矿物掺合料对混凝土的抗压强度有所贡献。

图2 各组混凝土在不同龄期的抗压强度

对比图2中P-4、S-4试样可知，石灰石粉复合的效果比片麻岩石粉复合的效果更佳，产生了超叠加效果，一方面，石灰石粉具有一定的减水效果，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，能够与铝酸盐矿物反应生成三碳水化铝酸钙和单碳水化铝酸钙，且单碳型水化铝酸钙可与其他水化产物搭接，有助于提高混凝土的密实性[9]。掺片麻岩石粉三元复合掺合料的混凝土抗压强度，早期与石灰石粉复合掺合料组相当，片麻岩石粉为惰性石粉，在体系中可分散水泥颗粒，防止水泥絮凝，加速水泥水化，在后期，片麻岩石粉不参与水化，故强度略低，但基本和单掺粉煤灰的P-1组持平。

2.3 混凝土的耐久性能

2.3.1 早期收缩性能

收缩对混凝土影响很大，有效改善混凝土的收缩对工程安全性和耐久性有重要意义。试验采用CABE-NES型非接触式混凝土收缩变形测定仪对单掺粉煤灰组和片麻岩石粉复合矿物掺合料组对混凝土早期收缩进行试验。图3为72 h的混凝土早期收缩情况。

图3 3组混凝土的早期收缩性能

从图3可以看出：P-3和P-4组的收缩率比P-1组小，且P-3组的收缩最小，P-3组为粉煤灰和片麻岩石粉复合，片麻岩石粉为惰性石粉不参与水化，所以P-3组的早期收缩比P-1组小，体系中部分粉煤灰被片麻岩石粉替代，水化反应的量减少，总的体积变化减小，化学收缩减小。P-4组为片麻石粉和粉煤灰、矿渣粉三元复合，其收缩率比P-3组大，说明片麻岩石粉和粉煤灰复合对早期收缩改善效果比片麻岩石粉三元复合效果更好。3组试件都放在收缩室养护，环境温度和湿度都一致，自收缩和干缩的量近似认为是一致的。

2.3.2 抗氯离子渗透性能

采用RCM法测试5组试样混凝土的28 d氯离子扩散系数，试验结果见表5。

表5 5组混凝土的28 d氯离子扩散系数

由表5可见，P-2组混凝土的28 d氯离子渗透扩散系数最大，和P-1组相比，P-2组中掺入的为惰性片麻岩石粉，片麻岩石粉的颗粒形貌没有粉煤灰的规整，且不具备粉煤灰的滚珠效应，因此降低了水泥水化速率，从而减少了体系的水化产物，降低了体系致密性；P-1和P-4组的28 d氯离子渗透扩散系数很接近，说明掺片麻岩石粉复合矿物掺合料对提高体系致密程度有贡献；对比P-3和P-4组可知，掺片麻岩石粉和粉煤灰的P-3组比掺片麻岩石粉、矿渣粉和粉煤灰组的P-4组的28 d氯离子渗透扩散系数大，说明片麻岩石粉和粉煤灰复合后的体系致密程度较三元复合差，一方面是因为三元复后的微集料填充效应，颗粒搭配更密实，减小了总的孔隙率；另一方面是因为矿渣粉的活性比粉煤灰的高，其活性成分与水化产物Ca（OH）2发生水化产生的C-S-H凝胶能够填充过渡区的孔隙，改善过渡带的性能。对比P-4和S-4组可知，石灰石粉三元复合比片麻岩石粉三元复合更有利于提高混凝土体系的密实性。

2.3.3 密实性

5组混凝土试样的28 d电通量见表6。

表6 5组混凝土的28 d电通量

由表6可见，5组试件的28 d电通量都在2000～4000 C，根据JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性检验评定标准》中混凝土氯离子抗渗性能等级划分依据，5组混凝土为等级Q-Ⅱ，P-2组单掺片麻岩石粉的电通量最大，石粉的掺入减少水泥用量，水化产物减少，混凝土内部填充不密实，致密程度降低。S-4组的电通量最小，且P-4组的电通量和P-1组很接近，均低于P-3组，说明片麻岩石粉和粉煤灰、矿渣粉三元复合的混凝土密实性比片麻岩石粉和粉煤灰复合的效果好，且可以达到粉煤灰的致密程度。说明复合掺合料能有效改善混凝土的致密程度。矿物掺合料的火山灰效应、填充效应和对氯离子的初始固化能力是抗氯离子渗透性的3个重要因素[10]，复合矿物掺合料中部分活性掺合料被惰性掺合料替代，在一定程度上降低了体系的火山灰效应，但颗粒大小的不一致可以使体系的填充效应更佳。

3 结论

（1）掺片麻岩石粉的混凝土工作性能较差，片麻岩石粉和粉煤灰、矿渣粉复合后工作性得到改善，复合矿物掺合料是改善片麻岩石粉混凝土工作性的有效途径，相同复合掺合料情况下，石灰石粉组的工作性比片麻岩石粉组好。

（2）片麻岩石粉与粉煤灰复合掺入对混凝土抗压强度略有改善，与粉煤灰、矿渣粉三元复合的效果最佳，三元复掺混凝土的早期抗压强度高于单掺粉煤灰组，后期抗压强度基本和单掺粉煤灰组持平。片麻岩石粉复合后效果比石灰石粉复合后效果稍差。

（3）片麻岩石粉与粉煤灰复掺比片麻岩石粉和粉煤灰、矿渣粉三元复掺混凝土的早期收缩率小，但是密实性后者较好。片麻岩石粉复合矿物掺合料能有效降低混凝土的早期收缩，有效改善混凝土以电通量表征的密实性。