大掺量白云岩石粉对低强度混凝土和易性与强度影响的试验研究

张智茹，宋少民＊，严章国

（1. 北京建筑大学，建筑结构与环境修复功能材料北京市重点试验室，北京 100044；2. 中国水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳 550008）

0 引言

随着我国基础建设的发展，机制砂石已取代天然砂石成为主力砂源。机制砂石生产过程中产生的石粉如果不能合理利用，将对环境造成极大的危害[1-2]。GB/T 14684—2011《建设用砂》规定机制砂石粉含量不得高于 10%[3]。目前多余石粉一般通过水洗、堆积等方法来处理，既不环保又浪费资源[4]。为保证混凝土绿色健康发展，可以将多余的石粉作为矿物掺和料掺入混凝土中，既可以改善混凝土的性能，又可以处理掉机制砂生产过程中多余的石粉，且起到了节能减排、降本增效、保护大气环境等良好效果。

目前，对石灰石粉的研究、利用和开发较多，并出台了相关的标准：GB/T 30190—2013《石灰石粉混凝土》，该标准中规定在混凝土中可以掺入一定比例的石灰石粉[5]。白云岩石粉的主要化学成分与石灰石粉相近，近年来，我国对白云岩石粉在混凝土中的应用也进行了相关的研究。孙丽丽等[6]用白云岩石粉作为矿物掺和料，替代 50% 的粉煤灰，试验发现：白云岩石粉对混凝土强度影响不大，但对混凝土的耐久性能，如碳化、收缩、抗冻性有提高。李明卫等[7]试验发现在碾压混凝土中，石粉对混凝土强度影响较大，石粉含量应控制在 23.6%～25.6%。标准规范中根据已有研究结果基本上把石灰石粉掺量控制在 20%，最高不超过 25%。针对低强等级大流动性混凝土和易性不良，经常出现离析、泌水、浆体稠度太低、包裹性差等问题，笔者认为在 C30 及以下等级混凝土不宜降低胶凝材料用量，可以使用较大掺量碳酸盐石粉，相对较低的水胶比，充分保障混凝土粘聚性和包裹性。

1 原材料与试验设计

1.1 原材料

（1）水泥：采用北京市金隅水泥有限公司生产的P·O42.5 水泥，其主要物理性能如表1 所示。

表1 水泥指标试验数据

（2）粉煤灰：采用北京敬业达公司生产的Ⅰ级粉煤灰。其主要性能指标如表2 所示。

表2 粉煤灰主要指标试验数据

（3）矿渣粉：采用三河市天龙新型建材有限公司生产的 S95 矿渣粉。其主要的性能指标如表3 所示。

表3 矿渣粉主要指标试验数据

（4）白云岩石粉：采用河北顺和建筑材料有限公司生产的白云岩机制砂中的 75μm 以下石粉，其物理性能如表4 所示。

表4 白云岩石粉物理性能

（5）细骨料

采用河北顺和建筑材料有限公司生产的白云岩机制砂，典型的“两头大、中间小”。其物理性能如表5，级配如表6 所示。

表5 白云岩机制砂物理性能

表6 白云岩机制砂级配

采用北京榆构有限公司的河砂，其物理性能及级配如表7、8 所示。

表7 河砂物理性能

表8 河砂级配

（6）粗骨料：采用北京榆构有限公司的石灰岩碎石，5～10mm、10～20mm 按 5:5 比例混合，其性能指标见表9。

表9 粗骨料指标

（7）减水剂：采用北京市高强混凝土有限责任公司的聚羧酸减水剂，具体性能指标[8-9]见表10。

表10 混凝土外加剂性能指标

（8）水：自来水。

1.2 试验方案

1.2.1 白云岩石粉胶砂试验

将白云岩石粉按 0%、10%、20%、30%、40%、50% 等质量取代水泥与矿粉双掺，水胶比均为 0.5，配合比设计如表11。

表11 白云岩石粉胶砂配合比 kg

1.2.2 白云岩石粉混凝土试验

基准组参考 JGJ 55—2011《混凝土配合比设计规程》中规定，选用 C15、C20、C25、C30 这四种常用设计强度等级进行配合比设计，配合比设计如表12，试验组将石粉按照 30%、35%、40%、45% 的掺量分为4 个大组，其中每个掺量对应三个或两个水胶比，一共11 组，B-1～B-6 胶材总量为 376kg/m3，砂率为 45%，B-7～B-11 胶材总量为 350kg/m3，砂率为 46%，所有组矿粉掺量均为 15%。石粉来自白云岩机制砂中 75μm 以下部分，配合比设计如表13。

表12 基准组混凝土配合比 kg/m3

表13 白云岩石粉试验组混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果及分析

2.1 白云岩石粉对胶砂性能的影响

由表14 和图1、2 可知：

图1 白云岩石粉胶砂抗压强度图

表14 白云岩石粉对胶砂力学性能的影响

整体上看，胶砂各组随着龄期的增加强度越来越高；掺白云岩石粉的水泥胶砂组 3d、7d、28d 的抗压强度均低于基准组，而且随着石粉掺量的增大呈下降趋势；石粉掺量在 30%～50%，B-30、B-40、B-50 组胶砂 28d 强度为 30.3MPa、24.7MPa、20.6MPa，与基准组相比，强度分别下降了 38%、50%、58%，胶砂各组抗折强度与抗压强度规律基本一致，石粉掺量每增大10%，胶砂 28d 抗折强度下降约 10%。

图2 白云岩石粉胶砂抗折强度

2.2 大掺量白云岩石粉对混凝土性能的影响

2.2.1 大掺量白云岩石粉对混凝土和易性的影响

为达到大流动性的要求，通过调整减水剂的掺量来使混凝土的坍落度范围控制在 200～240mm，扩展度范围控制在 500～600mm，混凝土和易性见表15。

表15 白云岩石粉混凝土和易性

基准组随着混凝土强度等级下降，减水剂用量增大，和易性变差。C30-J 组和易性良好，C25-J 组通过调整减水剂的用量和易性可以满足大流态的要求，但是每方混凝土减水剂用量增大一倍，为 4.5kg，经济性差；C20-J 和 C15-J 组因为浆体太少，无法包裹骨料，和易性差，即使增大减水剂用量和易性也达不到大流动性混凝土的要求，没有技术和经济可行性。与基准组相比，大掺量白云岩石粉混凝土试验组整体和易性良好，满足大流动性混凝土的要求，B-6、B-11 组有轻微离析泌水，试验组各组每方混凝土减水剂用量均低于 2kg，有良好的技术、经济效益。

2.2.2 大掺量白云岩石粉对混凝土立方体抗压强度的影响

白云岩石粉各组 7d、14d、28d 龄期立方体抗压强度见表16。

表16 白云岩石粉混凝土立方体抗压强度

从 28d 强度来看：当每方混凝土胶材总量 376 kg，白云岩石粉掺量为 30% 时，B-3 组达到 C30 混凝土配制强度，B-1、B-2 组达到 C25 混凝土配制强度。石粉掺量 40% 时，B-6 组达到 C30 混凝土配制强度，B-4、B-5 组达到 C25 混凝土配制强度。

当每方混凝土胶材总量 350kg，石粉掺量 35% 时，B-8、B-9 组达到 C20 混凝土配制强度，B-7 组达到 C15混凝土配制强度。石粉掺量 45%，B-10、B-11 组达到C15 混凝土配制强度。

2.3 大掺量白云岩石粉对混凝土成本的影响

试验所用原材料价格如表17 所示，因 C20-J、C15-J 组和易性较差，故不做对比，各组混凝土成本分析如表18。

表17 原材料价格 元/t

表18 混凝土材料成本分析 元/m3

对于 C30 混凝土，试验中成本均低于基准组，其中 B-3 组水泥用量减少 15kg/m3，成本降低约 36.7 元，B-6 组水泥用量减少 53kg/m3，成本降低约 50 元。对于C25 混凝土 B-1、B-2 组水泥用量减少 7kg/m3，成本降低约 40 元左右，B-4、B-5 组水泥用量减少 45kg/m3，成本降低约 55 元左右。

3 结论

（1）白云岩石粉有良好的需水行为，掺加石粉各组的流动度均大于基准组，掺入石粉改善了胶砂的流动性。

（2）大掺量白云岩石粉混凝土单方胶凝材料总量为 376kg，其中石粉掺量 30% 时，水胶比 0.43 时混凝土和易性好、28d 强度满足 C30 混凝土配制强度要求，水泥用量减少 15kg/m3，外加剂用量减少 0.7kg/m3，单方混凝土节省成本约 36.7 元；石粉掺量 40% 时，水胶比 0.41 时混凝土和易性较好、28d强度满足 C30 混凝土配制强度要求，水泥用量减少 65kg/m3，外加剂用量减少 0.2kg/m3，单方混凝土节省成本约 50 元。

（3）大掺量白云岩石粉混凝土单方胶凝材料总量为 376kg，其中石粉掺量 30% 时，水胶比 0.47 和 0.45时混凝土和易性好、28d 强度满足 C25 混凝土配制强度要求，水泥有所减少，外加剂用量显著降低，单方混凝土节省成本约 40 元；石粉掺量 40% 时，水胶比 0.45 和0.43 时混凝土和易性较好、28d 强度满足 C25 混凝土配制强度要求，水泥用量减少 45kg/m3，外加剂用量显著降低，单方混凝土节省成本约 55 元。

（4）大掺量白云岩石粉混凝土胶材总量为 350kg试验组可以满足 C20 和 C15 混凝土和易性好，配制强度要求，水泥用量和外加剂用量显著降低。

（5）考虑到白云岩机制砂石粉含量为 10%，所以混凝土中实际石粉含量更大。白云岩石粉掺入混凝土中，既可以弥补中低强度等级混凝土因为浆体不足的缺陷，改善混凝土的和易性、提高混凝土的密实度，又降低了混凝土的成本，石粉也可以得到有效的利用。具有很好的技术和经济效益。