基于石粉混凝土的物理性能及抗碳化性能研究

刘登贤，崔贺龙，张荣华

(四川华西绿舍建材有限公司，四川 成都 610051)

0 前 言

将石粉以辅助胶凝材料或矿物掺合料的形式掺入混凝土中已变得愈来愈普遍，这样不仅减少了环境污染问题，还将石粉有效地进行了资源化利用，缓解了不可再生资源短缺问题，同时也降低了混凝土原材料成本，实现建材行业的可持续发展[1]。冷冬等[2]认为，随着石粉含量的增加，混凝土含气量和增实因数减小，各龄期抗压强度均呈现一定的下降趋势，当石粉含量为9%～11%，轨枕混凝土表面气泡较少、颜色均匀，外观质量良好，且各个指标均符合(TB/T 3275—2011)要求，轨枕静载试验合格；鄢佳佳等[3]认为，当机制砂中石粉含量为7 wt%时，高性能火山灰混凝土的工作性能最佳，抗压强度和抗压弹性模量均达到最大值，混凝土抗碳化性能水平最高，同时氯离子扩散系数处在最小值范围。高瑞军等[4]利用XRD、TOC、需水量测定、净浆流动度和砂浆扭矩参数等测试方法研究了机制砂中石粉含量对水泥基材料流变行为影响及其作用机理，结果表明：水泥净浆流动度的降低并不是由于石粉消耗自由水导致的，而是因为石粉和水泥对外加剂存在竞争吸附，水泥对聚羧酸减水剂的吸附能力更强，聚羧酸减水剂会优先吸附在水泥颗粒表面上，石粉外掺时宏观上表现出水泥净浆流动度会下降，内掺时水泥净浆流动度会逐渐增大。

掺入一定比例的石粉可以有效改善混凝土的工作性能与力学性能，并能够提高其抗碳化性能以及抗氯离子侵蚀能力。然而，在混凝土中以辅助胶凝材料形式单独掺入石粉对其强度提高幅度较小，对于复合掺加石粉于混凝土中的研究相对较少，故本文通过粉煤灰、粒化高炉矿粉与磷渣粉分别与石粉复合掺加于混凝土中，重点研究了石粉的细度、掺量及其复合比例对混凝土流动度与强度及抗碳化性能的影响。

1 试 验

1.1 原材料

1)胶凝材料。本试验选用了峨胜P·O42.5R水泥、博磊Ⅰ级磨细粉煤灰、中林广升S95级粒化高炉矿粉以及龙蟒化工磷渣粉，相应的技术参数如表1～2所示。

表1 水泥技术性能指标

表2 矿物掺合料技术性能指标

本试验采用了三种不同细度的石粉，其45 μm筛余依次为26.6%、29.5%、35.8%，标号依次为A、B、C，其对应的28 d活性指数依次为71%、67%、62%，化学成分如表3所示。

表3 石粉的化学组成 %

2)骨料。本试验采用的细骨料为机制砂，细度模数为2.6，含水率为5.2%，含泥量≤3.0%；选用的粗骨料是分别为5～16 mm与5～31.5 mm粒径的两种连续级配骨料混合而成，其质量比为85∶15，粗骨料粒型良好，含泥量均小于0.4%。

3)外加剂。本试验采用的外加剂为聚羧酸高性能减水剂(简称HLP)，含固量为15%，与水泥有良好的适应性，并具备一定的保坍效果，其减水率为20%。

1.2 试验方法

1)流动性测试：参照《普通混凝土拌合物性能试验方法》(GB/T 50080—2002)测试混凝土拌合物的坍落度与扩展度。

2)强度测试：参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)测试混凝土不同龄期下的抗压强度。

3)抗碳化性能测试：参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)测试混凝土56 d的碳化深度。

2 试验结果分析

2.1 石粉细度与掺量对混凝土性能的影响

为了探究石粉细度与掺量对混凝土流动性、强度及抗碳化性能的影响，将三种细度的石粉分别掺于混凝土中，替代水泥质量的0、5、10、15%，详细配合比见表4(其中试验组1设为基准组)，其测试结果如图1～2所示。

表4 不同细度石粉的混凝土配合比

图1 石粉细度及掺量对混凝土流动性与强度的影响

由图1可知，掺加一定比例的石粉后，混凝土拌合物的坍落度与扩展度均高于基准组，相比于A组与C组，B组提升幅度相对最大，且其提升幅度随着石粉掺量的增加而降低。可见，掺加一定比例的石粉能够改善混凝土的流动性，当石粉细度为29.5%时，改善效果相对较好。

图1中的强度数据表明：在掺入石粉后，混凝土的28 d强度均高于基准组，其中B组提升幅度相对最大，且其提升幅度随着石粉掺量的增加而增加；A组提升幅度相对较大，且其提升幅度随着石粉掺量的增加而降低；C组提升幅度相对较小，其强度随石粉掺量的增加而增加。可见，掺加一定比例的石粉能够改善混凝土的28 d强度，当石粉细度为29.5%时，改善效果相对较好，此强度数据与流动性数据相一致。此外，掺入石粉后混凝土的7 d强度均低于基准组，这说明石粉有益于混凝土后期强度发展，对混凝土早期强度发展起一定的制约作用。

由图2可知，掺加三种细度石粉的混凝土碳化深度均随着石粉含量的增加而增加。相比于B组与C组，A组碳化深度最小，均低于基准组；B组中，当石粉掺量为5%时，该细度石粉对混凝土的抗碳化性能有一定改善作用，当其掺量超过10%后，混凝土的抗碳化性将大幅度减弱；C组碳化深度最大，且均大于基准组。可见，三种细度石粉中，当石粉细度为26.6%时，其抗碳化性能最好，且随着石粉细度的增加，混凝土的抗碳化性能逐渐降低。

图2 石粉细度及掺量对混凝土56 d碳化深度的影响

2.2 石粉与矿物掺合料复掺对混凝土性能的影响

基于以上试验研究，从对混凝土流动性、强度、抗碳化性能的改善效果以及材料的成本经济方面综合考虑，B类石粉(即细度为29.5%的石粉)具备一定的研究价值。故，本节试验在内掺B类石粉30%掺量的混凝土配合比基础上，选用粉煤灰、矿粉、磷渣粉分别与石粉复掺，粉煤灰、矿粉、磷渣粉的掺加比例均依次为胶凝材料总质量的0、5%、10%、15%、20%、25%、30%，详细配合比见表5，其流动性与强度测试结果如图3～5所示，其抗碳化性能测试结果如图6所示。

表5 石粉与矿物掺合料复掺混凝土配合比

由图3可知，在石粉混凝土体系中掺加粉煤灰后，混凝土的坍落度均有不同幅度的提升，对混凝土扩展度变化的影响不大，且当粉煤灰与石粉比例为2∶1时(即粉煤灰掺量为20%)，混凝土28 d强度提升幅度开始显著，可高达38.7 MPa，已超过基准组试块的28 d强度；当粉煤灰与石粉比例为5∶1时(即粉煤灰掺量为25%)，混凝土的强度提升幅度最大。宋少民等[5]的试验结果也表明，复合掺加石粉-粉煤灰不仅能够保证预拌砂浆对稠度的要求，而且可使其2 h稠度损失率低，还能提高预拌砂浆的抗压强度，此现象与本试验结果相一致。

由图4可知，复合掺加石粉-矿粉对混凝土体系的坍落度与扩展度变化影响不大，其7、28 d强度均有一定幅度的提升，且随着矿粉掺量的增加，混凝土抗压强度提升幅度越大；当矿粉的掺入比例为胶凝材料总质量的10%时，混凝土28 d强度已高达38.4 MPa，已超过基准组试块的28 d强度；当矿粉的掺入比例为胶凝材料总质量的25%时，混凝土28 d强度已高达47.7 MPa，已远超于基准组试块的28 d强度。可见，掺加矿粉有益于提升石粉混凝土体系的后期强度发展。

由图5可知，掺入不同比例的磷渣粉后，混凝土的坍落度与流动度均有不同程度的增大，且二者变化趋势相一致；当磷渣粉的掺入比例为15%时，混凝土的坍落度与扩展度相对最高，其抗压强度也开始有明显提升，此后，其强度随着磷渣粉掺入比例的增加而增大，强度最高可达38.8 MPa。

由图6可知，在分别掺入粉煤灰与磷渣粉后，混凝土的56 d碳化深度均出现了增高现象，且随着粉煤灰/磷渣粉掺量的增加，混凝土的碳化深度逐渐增高。可见，石粉-粉煤灰或石粉-磷渣粉复掺均对混凝土的抗碳化性能产生了不利影响。在石粉-矿粉复合体系中，混凝土的碳化深度随着矿粉掺入比例的增加逐渐出现了降低现象。表明，在石粉混凝土体系中引入矿粉，可有效改善混凝土的抗碳化性能，且矿粉的掺入比例越大，其抗碳化性能越好。

图6 石粉与矿物掺合料复掺对混凝土抗碳化性能的影响

3 结 论

1)掺加一定比例的石粉能够改善混凝土的流动性与其后期强度，当石粉细度为29.5%时，改善效果最佳，且该细度石粉对于其后期强度的提升幅度随着石粉掺量的增加而增加；在掺加的三种细度石粉的混凝土体系中，当石粉细度为26.6%时，其抗碳化性能最好，且随着石粉细度的增加，混凝土的抗碳化性能逐渐降低。

2)在石粉混凝土体系中，掺入一定比例的磷渣粉能够改善整体的流动性，且当磷渣粉的掺入比例为15%时，其流动性相对最好；复合掺加石粉-粉煤灰、粒化高炉矿粉-石粉均对混凝土的流动性影响不大。

3)掺加粒化高炉矿粉可有效提升石粉混凝土体系的强度，且其后期强度的提升幅度会随矿粉掺量的增加而增大，复掺矿粉-石粉混凝土强度最高可达47.7 MPa；在石粉混凝土体系中，掺入一定比例粉煤灰可以改善其强度，当粉煤灰与石粉的掺入比例达到2∶1时，复合体系混凝土的强度开始有明显提升，后期强度超过基准组强度；相比于矿粉与粉煤灰，复掺磷渣粉-石粉对混凝土强度的提升幅度相对较小。

4)在石粉混凝土体系中引入矿粉，可有效改善混凝土的抗碳化性能，且矿粉的掺入比例越大，其抗碳化性能越好；复合掺加石粉-粉煤灰或石粉-磷渣粉均不利于混凝土的抗碳化性能。

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