火山岩石粉复合掺合料研究及对混凝土性能的影响

2021-03-16金正源赵国民封竹青

建材世界 2021年1期

金正源，赵国民，封竹青

(中国港湾工程责任有限公司，北京 100027)

目前国家基础设施建设量年年增大，并且“一带一路”倡议推荐的如火如荼，水泥混凝土作为最主要的建筑工程材料，用量巨大，而随着国家经济的发展，环境保护的要求日趋严格，“绿水青山就是金山银山”深入人心，混凝土用矿物掺合料如粉煤灰、矿渣粉和硅灰等在多个地区出现紧缺现象，另外很多“一带一路”沿线国家和地区工业落后[1,2]，以工业废渣为主的传统矿物掺合料基本上没有，为此亟需寻找替代性的材料。

环保形势严峻带来另一个问题就是河砂资源的限采和禁采，机制砂逐渐成为建筑用细集料的主流。在机制砂生产过程中产生大量的石粉，在目前的标准体系下，机制砂石粉含量受到严格的限制，多余的石粉一般通过水洗或者空气分选出来堆放，大量的石粉如得不到科学合理地应用一方面造成环境污染，另一方面也是资源的极大浪费[3-5]。为此，该文以火山岩石粉为研究对象，通过与传统矿物掺合料粉煤灰和矿粉复合，研究通过复合掺合料的技术手段提高火山岩石粉技术指标。

1 试验

1.1 原材料

1)水泥：采用普通硅酸盐PO 42.5水泥，其化学成分见表1，力学指标见表2。

表1 水泥化学成分 /%

表2 水泥力学指标

2)火山岩石粉，细度11.1%(45 μm筛余)，化学组成见表3。

表3 火山岩石粉的化学成分 /%

3)粉煤灰：II级粉煤灰，烧失量2.5%，7 d活性指数为71%、28 d活性指数为74%，细度(45 μm筛余)为10%，需水量比为96%；矿粉：S95矿粉，烧失量0.4%，7 d活性指数73%，28 d活性指数101%。

4)河砂，细度模数2.5，Ⅱ区中砂；碎石，粒径5～20 mm，连续级配；减水剂，聚羧酸减水剂，含固量为21.3%，减水率为29.6%。

1.2 方法

采用JJ-5型水泥胶砂搅拌机和NLD-3型水泥胶砂流动度测定仪，按照标准《水泥胶砂流动度测定方法》GB/T 2419—2005测试流动度。按照标准《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T 17671—1999成型尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体基准试件和试验试件，脱模后在(20±1)℃的水中养护7 d、28 d后测其抗压强度值，按照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596试验方法试验火山岩石粉复合掺合料流动度比和活性指数，火山岩石粉复合掺合料与基准水泥比例为3∶7。试验配比见表4。

表4 试验胶砂配比

参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T50080—2016对混凝土坍落度和扩展度进行试验。参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081—2019对混凝土抗压强度进行试验，混凝土抗压强度试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，混凝土标准养护28 d后进行力学性能试验。

1.3 配合比

试验火山岩石粉复合掺合料的配比见表5，分别采用粉煤灰掺量10%、20%、30%、40%，矿粉10%、20%、30%、40%，以及粉煤灰和矿粉10%+10%、15%+15%、20%+20%与火山岩石粉进行复合，研究复合粉煤灰和矿粉对火山岩石粉性能的影响规律。

采用火山岩石粉复合掺合料开展混凝土性能试验，具体采用纯火山岩石粉H0，火山岩石粉80%+粉煤灰20%H2，火山岩石粉80%+矿粉20%H6，火山岩石粉80%+粉煤灰10%+矿粉10%H9开展混凝土试验，试验配合比见表6，火山岩石粉复合掺合料掺量占到胶凝材料用量的20%，混凝土塌落度按照180～200 mm通过调整外加剂用量控制。

表5 火山岩石粉复合掺合料配比

表6 火山岩石粉复合掺合料混凝土配合比 /kg

2 结果及分析

2.1 火山岩石粉复合掺合料流动性

为改善火山岩石粉的流动性，试验了火山岩石粉分别复合不同掺量的粉煤灰、矿粉、粉煤灰+矿粉对流动性的影响，试验结果见图1。由试验结果可知，随着复合粉煤灰、矿粉、粉煤灰+矿粉掺量的增加，火山岩石粉复合掺合料流动性改善明显，纯火山岩石粉的流动度比仅有83%，复合粉煤灰掺量10%、20%、30%、40%的火山岩石粉复合掺合料的流动度比分别为91%、96%、98%和102%。对比复合相同掺量均为20%的粉煤灰、矿粉和粉煤灰+矿粉，流动度比分别为96%、89%和94%，可知粉煤灰对于火山岩石粉流动性改善最为突出。主要原因是，岩石粉由机械加工而成，表面较为粗糙，棱角分明[6]，加入水泥中形成浆体后，表面粗糙的岩石粉颗粒起到了阻碍浆体流动的作用，而粉煤灰含有大量的圆球形玻璃珠，在水泥浆体中能够起到滚珠作用[7]，很好地提高了浆体的流动性，另外，不同粉体复合后，不同细度的粉体相互填充较小的空隙，能够起到解放孔隙水的作用，进一步提高了浆体流动性。因此在火山岩石粉应用过程中，建议采用复合粉煤灰或者矿粉的方式提高流动性，从而在应用过程中提高混凝土工作性能。

2.2 火山岩石粉复合掺合料活性

为了提高火山岩石粉的活性，试验分别研究了复合粉煤灰、矿粉和粉煤灰+矿粉对火山岩石粉活性的影响，试验结果见图2。由图2(a)可知，随着复合粉煤灰掺量的增加，各个试验龄期的火山岩石粉复合掺合料活性指数均在提高，以28 d龄期为例，纯火山岩石粉的活性指数为61%，而复合粉煤灰掺量为10%、20%、30%、40%的4组火山岩石粉复合掺合料活性指数分别为65%、66%、68%、75%，活性指数增加幅度明显。

由图2(b)可知，火山岩石粉复合矿粉的活性指数变化规律与复合粉煤灰一致，但是随着矿粉复合比例的增加，活性指数的提高幅度更加明显，以28 d龄期为例，纯火山岩石粉的活性指数为61%，而复合矿粉掺量为10%、20%、30%、40%的4组火山岩石粉复合掺合料活性指数分别为67%、71%、78%、88%。

图2(c)为火山岩石粉复合粉煤灰+矿粉的试验结果，复合比例分别为10%+10%、15%+15%、20%+20%，可见随着复合比例的提高，火山岩石粉复合掺合料活性指数逐渐增加，以28 d龄期为例，纯火山岩石粉的活性指数为61%，复合后的活性指数分别为71%、77%、83%。

图3为相同复合掺量情况下，不同复合掺量种类对火山岩石粉活性的影响。可见，在20%掺量的情况下，复合矿粉对于火山岩石粉活性提高效果最佳，其次是粉煤灰10%+矿粉10%，与矿粉对活性的提高效果相近，粉煤灰的提高效果相对最差。

主要原因是，粉煤灰、矿粉掺入火山岩石粉在水泥水化时能够起到火山灰效应，而矿粉的火山灰效应更强，在粉煤灰和矿粉复合掺加时，两种掺合料与火山灰石粉颗粒可以相互搭配，起到更好的掺配作用，包括颗粒协同效应、叠加效应和互补效应等，更好地提高了火山岩石粉的性能。

2.3 火山岩石粉复合掺合料混凝土工作性能

不同种类的火山岩石粉复合掺合料对混凝土工作性能的影响见表7。由表7的试验结果可知，4组不同火山岩石粉复合掺合料混凝土的坍落度在180～200 mm之间，坍落度最大的为80%火山岩石粉+20%粉煤灰复合组CH2，坍落度最小的为纯火山岩石粉混凝土组CH0；4组火山岩石粉复合掺合料混凝土扩展度在450～470 mm之间，其中混凝土的扩展度最大组和最小组与混凝土坍落度规律相同，说明火山岩石粉复合掺合料混凝土扩展度与坍落度具有较强的相关性。由火山岩石粉复合掺合料混凝土减水剂掺量试验结果可知，4组混凝土减水剂掺量保持在胶凝材料用量的0.95%～1.20%，减水剂用量最少的为火山岩石粉80%+粉煤灰20%的CH2组，用量为0.95%，减水剂用量最多的为纯火山岩石粉CH0组，用量高达1.30%，可见，随着粉煤灰、矿粉传统掺合料的掺加，在保持相差不大的混凝土工作性能的情况下，减水剂用量下降明显。试验规律与火山岩石粉复合掺合料的流动性相关性较大，主要原因是火山岩石粉为机械粉磨得到，颗粒棱角较多，表面粗糙度大，对于混凝土工作性能具有较大的负面作用；而粉煤灰含有大量的圆形玻璃微珠，在混凝土中具有良好的滚珠效应，能够很大程度上提高混凝土工作性能；另外，粉煤灰、矿粉与火山岩石粉复合不同粒径的掺合料颗粒相互嵌挤，填充较大粒径的水泥颗粒空隙，起到了一定的减水作用，从而改善了混凝土工作性能。

表7 火山岩石粉复合掺合料混凝土工作性能

2.4 花岗岩石粉对混凝土抗压强度的影响

不同种类的火山岩石粉复合掺合料对混凝土抗压强度的影响见图4。由图4的试验结果可知，相比于纯火山岩石粉混凝土组CH0，通过与粉煤灰、矿粉复合均能明显提升混凝土抗压强度，在7 d试验龄期时，纯火山岩石粉混凝土组CH0抗压强度为31.2 MPa，20%复合粉煤灰CH2组、20%复合矿粉CH6组和10%粉煤灰+10%矿粉复合CH9组的抗压强度分别为33.5 MPa、35.7 MPa、34.1 MPa，相比于纯火山岩石粉混凝土组分别提高了7.4%、14.4%、9.3%；标准养护到56 d试验龄期时，纯火山岩石粉混凝土组CH0抗压强度为47.3 MPa，20%复合粉煤灰CH2组、20%复合矿粉CH6组和10%粉煤灰+10%矿粉复合CH9组的抗压强度分别为48.2 MPa、51.6 MPa、50.6 MPa，相比于纯火山岩石粉混凝土组分别提高了1.9%、9.1%、7.0%。不同种类的火山岩石粉复合掺合料对混凝土抗压强度的影响规律与活性指数变化规律相近，主要原因是火山岩石粉为惰性石粉，在水泥水化中仅有非常微弱的火山灰效应，掺加到混凝土中对于混凝土抗压强度没有提高作用，而传统矿物掺合料粉煤灰和矿粉不同，两者在水泥水化过程中均可以与水化产物氢氧化钙发生显著的二次水化反应，具有火山灰活性，尤其是矿粉，火山灰活性较高，等量替代水泥掺入混凝土中可以不降低混凝土强度，甚至能够在一定程度上提高强度。