宋小兵，董化瑞，黃直久，夏京亮，周永祥，王晶

（1. 中鐵十二局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024；2. 中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

隨著我國(guó)土木、水利、交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及國(guó)家“一帶一路”倡議的推進(jìn)，作為最大宗土木工程材料的混凝土，全球用量達(dá)到50億m3。礦物摻合料是混凝土的重要組成部分，隨著我國(guó)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。近年來(lái)，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，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填埋，不僅浪費(fèi)資源而且污染環(huán)境。天然巖石粉中以石灰石粉最有代表性，石灰石粉因其具有減水效應(yīng)[1-2]和微集料效應(yīng)[3-4]，作為摻合料取代水泥后能顯著改善混凝土的工作性能和致密性，因而得到較為廣泛的應(yīng)用。總體而言，目前對(duì)天然巖石粉的研究以石灰石粉較為充分，其他巖石粉的研究則較少，為最大限度將其利用起來(lái)，研究巖石粉作為礦物摻合料對(duì)于推進(jìn)機(jī)制砂應(yīng)用具有重大意義。

1 巖石粉作為摻合料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

目前巖石粉作為礦物摻合料用于混凝土的標(biāo)準(zhǔn)主要是石灰?guī)r石粉，其他天然巖石粉也有一定涉及。

1.1 國(guó)外現(xiàn)狀

日本混凝土研究院（JCI）整理制定石灰石粉的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用于混凝土的方法指南，現(xiàn)在日本石灰石粉已廣泛應(yīng)用于高流動(dòng)性混凝土和高性能?chē)娚浠炷令I(lǐng)域。

美國(guó)ACI212.1R-81《混凝土外加劑和外加劑在混凝土中的使用指南》中對(duì)石灰石粉作為混凝土礦物摻合料提出了技術(shù)指標(biāo)要求。

歐洲水泥行業(yè)試行標(biāo)準(zhǔn)ENV-197：CEM-II-L（石灰石波特蘭水泥）作為一種單獨(dú)類(lèi)型的水泥品種分為：CEM-II-L（A）——石灰石粉摻量5%～20%；CEMII-L（B）——石灰石粉摻量21%～35%。

德國(guó)水泥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的石灰石硅酸鹽水泥II/A-L，水泥熟料占80%～90%、石灰石粉摻量6%～20%。

法國(guó)1979年制定的新水泥標(biāo)準(zhǔn)中的CPJ45R和CPJ55R，可復(fù)摻也可單摻石灰石粉，單摻石灰石粉量為10%～25%。

1.2 我國(guó)現(xiàn)狀

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30190—2013《石灰石粉混凝土》規(guī)定了石灰石粉的技術(shù)指標(biāo)，包括碳酸鈣含量、細(xì)度、活性指數(shù)、流動(dòng)度比、含水量、MB值等，并根據(jù)水膠比、結(jié)構(gòu)形式和水泥種類(lèi)的不同規(guī)定了石粉摻量。最大摻量為：水膠比≤0.40、鋼筋混凝土、采用硅酸鹽水泥時(shí)，摻量為35%。最小摻量為：水膠比＞0.40、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、采用普通硅酸鹽水泥時(shí)，摻量為15%。

建筑工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 318—2014《石灰石粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》主要技術(shù)內(nèi)容為總則、術(shù)語(yǔ)、原材料技術(shù)要求、混凝土性能、配合比、施工、質(zhì)量檢驗(yàn)，其中石灰石粉的術(shù)語(yǔ)為“以一定純度的石灰石為原料，經(jīng)粉磨至規(guī)定細(xì)度的粉狀材料”。

鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》和TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了石灰石粉用于鐵路混凝土的技術(shù)指標(biāo)，除MB值規(guī)定小于1.0嚴(yán)于國(guó)標(biāo)規(guī)定，其他技術(shù)指標(biāo)基本與國(guó)標(biāo)一致。

福建省地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 13-243—2016《福建省石粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》把石粉的種類(lèi)擴(kuò)展到福建省的石灰石粉、大理巖石粉和花崗巖石粉。

但對(duì)于我國(guó)其他地區(qū)的大理巖石粉和花崗巖石粉，以及我國(guó)的玄武巖石粉、片麻巖石粉、石英巖石粉、白云巖石粉等，沒(méi)有對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)技術(shù)性能進(jìn)行規(guī)定，造成生產(chǎn)企業(yè)無(wú)法控制除石灰?guī)r之外的石粉質(zhì)量，應(yīng)用企業(yè)無(wú)法驗(yàn)收石粉質(zhì)量是否合格，嚴(yán)重制約了巖石粉的推廣應(yīng)用。

2 巖石粉作為摻合料對(duì)混凝土性能的影響

2.1 工作性能

巖石粉種類(lèi)不同對(duì)混凝土工作性能的影響也不同，如石灰石粉大多數(shù)的研究表明，其能夠改善混凝土工作性能，特別是在摻加聚羧酸的情況下；而硅質(zhì)巖石粉，如花崗巖石粉、片麻巖石粉、玄武巖石粉等，研究認(rèn)為石粉含量的增加因顯著提高需水性而降低了混凝土工作性能。

周永祥等[2]認(rèn)為，石灰石粉對(duì)水和外加劑的吸附性小，但有加速混凝土拌合物坍落度損失的傾向。Ahmed等[5]發(fā)現(xiàn)混凝土在固定坍落度下的用水量隨石粉含量的增加而不斷提高。Joudi-Bahri等[6]研究得出當(dāng)石粉含量在10%以內(nèi)時(shí)，混凝土達(dá)到固定坍落度所需的用水量幾乎保持不變，直到石粉含量超過(guò)10%后才開(kāi)始增加。Top?u等[7]研究發(fā)現(xiàn)在水泥用量為200 kg/m3時(shí)，石粉（粉磨石灰?guī)r，密度2.82 g/cm3，CaO含量55.6%）含量的增加提高了混凝土用水量，但當(dāng)水泥用量增加到275 kg/m3和350 kg/m3后，用水量增加很小或幾乎不增加也能達(dá)到相同的坍落度。

2.2 力學(xué)性能

由于巖石粉大多為惰性材料，對(duì)于混凝土而言起到填充作用，與同摻量的傳統(tǒng)礦物摻量對(duì)比，降低了混凝土的力學(xué)性能，但巖石粉可作為水泥水化過(guò)程中的晶核，加速水泥早期水化，提高混凝土早期強(qiáng)度。楊松玲等[8]研究了輝綠巖石粉在混凝土中的應(yīng)用，結(jié)果表明在水泥水化早期，輝綠巖石粉在網(wǎng)絡(luò)狀的水化硅酸鈣凝膠生成過(guò)程中作為基體孔隙中的支點(diǎn)幫助水化產(chǎn)物延伸搭接，有利于水泥早期強(qiáng)度的發(fā)展。陳劍雄等[9]認(rèn)為超細(xì)石灰石粉具有微集料效應(yīng)、微晶核效應(yīng)，能夠促進(jìn)C3S的水化，顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，對(duì)于早期抗壓強(qiáng)度要求特別高的工程項(xiàng)目，超細(xì)石灰石粉具有較高的使用價(jià)值，且其最佳摻量約為10%。Zhou Mingkai等[10]研究認(rèn)為石粉對(duì)水泥水化具有增強(qiáng)作用，石粉在水泥水化反應(yīng)中起晶核作用，誘導(dǎo)水泥的水化產(chǎn)物析晶，加速水泥水化并參加水泥的水化反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鈣。陸平等[11-12]得出石灰石粉加速C3S的水化及與C3A的反應(yīng)增加了早期強(qiáng)度等結(jié)論。Takami等[13]研究認(rèn)為，采用比表面積接近水泥的石灰石粉等量取代水泥時(shí)，石灰石粉的摻量增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度降低；水泥用量不變的情況下，石灰石粉摻量增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度提高。Gutteridge等[14-15]的研究表明，在水灰比很低的情況下，隨著石灰石粉摻量的增加，水泥的水化程度有所提高；而在高水灰比的情況下，水化產(chǎn)物隨著石灰石粉摻量的增加而增加。Nehdi等[16]認(rèn)為石灰石硅酸鹽水泥具有較高的早期強(qiáng)度是因?yàn)槭沂奂铀倭薈3S的水化，尤其當(dāng)石灰石粉磨得較細(xì)時(shí)，作用更明顯；CaCO3能夠和C3A反應(yīng)，生成單碳鋁酸鹽，這種碳鋁酸鹽的作用可能與硫鋁酸鹽一樣，能夠增加早期強(qiáng)度。Vijayalakshmi等[17]研究花崗巖粉替代混凝土天然細(xì)骨料的可行性，試驗(yàn)結(jié)果表明，花崗巖石粉取代15%天然細(xì)骨料時(shí)，對(duì)混凝土的力學(xué)性能沒(méi)有不利影響。

2.3 耐久性能

巖石粉作為礦物摻合料對(duì)于混凝土耐久性能影響的研究目前主要集中在抗碳化性能、抗凍性能和抗?jié)B性能等方面。研究者一般認(rèn)為巖石粉能夠填充混凝土內(nèi)部空隙，細(xì)化硬化漿體孔結(jié)構(gòu)，從而改善抗?jié)B性，對(duì)于其他耐久性能的影響不大。周永祥等[2]認(rèn)為，對(duì)于C3O混凝土，20%石灰石粉等量取代粉煤灰，不會(huì)造成抗壓強(qiáng)度、抗碳化性能、抗凍性能的下降；純度較高的石灰石粉對(duì)細(xì)骨料體系MB值的影響與粉煤灰、礦渣粉類(lèi)似。Hudson[18]研究認(rèn)為，石灰石粉的摻入可提高集料的有效堆積，并填充了混凝土中的空隙，使混凝土的滲透通路被阻斷，從而提高混凝土的抗?jié)B透性能，并且隨著石灰石粉摻量的增加，這種作用變得更明顯。Tsivilis等[19]研究表明，石灰石粉的摻入可略微提高混凝土的抗氯離子滲透性能，這是由于石灰石粉的摻入改變了混凝土的孔結(jié)構(gòu)。Torres等[20]研究表明，在不存在硫酸鹽侵蝕的條件下，石灰石硅酸鹽水泥具有好的穩(wěn)定性和抗劣化性，而置于5 ℃、1.8%的硫酸鎂溶液中的試件則呈現(xiàn)出很明顯的劣化跡象，且隨著石灰石粉的增加劣化加劇。Vijayalakshmi等[17]研究花崗巖粉替代混凝土天然細(xì)骨料的可行性，結(jié)果表明，花崗巖石粉取代15%天然細(xì)骨料時(shí)，對(duì)混凝土的耐久性能沒(méi)有不利影響。

3 巖石粉作為摻合料的相關(guān)專(zhuān)利

國(guó)外巖石粉作為礦物摻合料的相關(guān)專(zhuān)利匯總見(jiàn)表1，美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家均對(duì)巖石粉應(yīng)用方面的知識(shí)產(chǎn)權(quán)比較重視，主要內(nèi)容包括石灰石粉及其處理工藝及在混凝土中的應(yīng)用等方面。

表1 國(guó)外巖石粉作為礦物摻合料的相關(guān)專(zhuān)利匯總

表2 我國(guó)巖石粉作為礦物摻合料的相關(guān)專(zhuān)利匯總

我國(guó)巖石粉作為礦物摻合料的相關(guān)專(zhuān)利匯總見(jiàn)表2，天然巖石粉的知識(shí)產(chǎn)權(quán)主要集中在石灰石粉上，玄武巖粉、花崗巖粉、大理巖粉也有部分專(zhuān)利，其主要內(nèi)容包括巖石粉礦物摻量和制備方面，以及巖石粉混凝土等。

目前巖石粉作為礦物摻合料在混凝土中應(yīng)用的專(zhuān)利主要集中于石粉石和大理巖等鈣質(zhì)巖石，花崗巖、玄武巖、石英巖、片麻巖等硅質(zhì)巖石相對(duì)較少，尤其是在改善硅質(zhì)巖石粉作為礦物摻合料降低需水量比等方面，也是今后該研究方向上專(zhuān)利技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

4 存在問(wèn)題及建議

（1）國(guó)內(nèi)外對(duì)石灰石粉作為礦物摻合料用于水泥混凝土的研究較為廣泛，研究?jī)?nèi)容涵蓋石灰石粉對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響等方面，為石灰石粉在工程實(shí)際混凝土中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，而對(duì)于其他巖石粉的研究相對(duì)較少且缺乏系統(tǒng)性，制約了其推廣應(yīng)用。

（2）當(dāng)前巖石粉對(duì)于混凝土長(zhǎng)期性能、收縮和徐變方面研究還較少，為促進(jìn)其在預(yù)應(yīng)力混凝土中的應(yīng)用，建議今后加強(qiáng)該方面的研究。

（3）巖石粉作為礦物摻合料對(duì)于混凝土耐久性能的影響方面，研究成果目前尚未達(dá)成一致，尚需加強(qiáng)試驗(yàn)研究。

（4）目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于巖石粉作為礦物摻合料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要集中在石灰石粉上，對(duì)于其他種類(lèi)的巖石粉關(guān)注不夠，需加強(qiáng)其他種類(lèi)巖石粉的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。

（5）巖石粉作為礦物摻合料用于混凝土的主要研究成果多集中于應(yīng)用方面，包括巖石粉摻量、巖石粉細(xì)度等對(duì)混凝土宏觀性能的影響等，對(duì)于巖石粉膠凝材料體系的亞微觀研究不夠深入。