金正源，趙國民，封竹青

(中國港灣工程責(zé)任有限公司，北京 100027)

目前國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)量年年增大，并且“一帶一路”倡議推薦的如火如荼，水泥混凝土作為最主要的建筑工程材料，用量巨大，而隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境保護的要求日趨嚴(yán)格，“綠水青山就是金山銀山”深入人心，混凝土用礦物摻合料如粉煤灰、礦渣粉和硅灰等在多個地區(qū)出現(xiàn)緊缺現(xiàn)象，另外很多“一帶一路”沿線國家和地區(qū)工業(yè)落后[1,2]，以工業(yè)廢渣為主的傳統(tǒng)礦物摻合料基本上沒有，為此亟需尋找替代性的材料。

環(huán)保形勢嚴(yán)峻帶來另一個問題就是河砂資源的限采和禁采，機制砂逐漸成為建筑用細(xì)集料的主流。在機制砂生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的石粉，在目前的標(biāo)準(zhǔn)體系下，機制砂石粉含量受到嚴(yán)格的限制，多余的石粉一般通過水洗或者空氣分選出來堆放，大量的石粉如得不到科學(xué)合理地應(yīng)用一方面造成環(huán)境污染，另一方面也是資源的極大浪費[3-5]。為此，該文以火山巖石粉為研究對象，通過與傳統(tǒng)礦物摻合料粉煤灰和礦粉復(fù)合，研究通過復(fù)合摻合料的技術(shù)手段提高火山巖石粉技術(shù)指標(biāo)。

1 試 驗

1.1 原材料

1)水泥：采用普通硅酸鹽PO 42.5水泥，其化學(xué)成分見表1，力學(xué)指標(biāo)見表2。

表1 水泥化學(xué)成分 /%

表2 水泥力學(xué)指標(biāo)

2)火山巖石粉，細(xì)度11.1%(45 μm篩余)，化學(xué)組成見表3。

表3 火山巖石粉的化學(xué)成分 /%

3)粉煤灰：II級粉煤灰，燒失量2.5%，7 d活性指數(shù)為71%、28 d活性指數(shù)為74%，細(xì)度(45 μm篩余)為10%，需水量比為96%；礦粉：S95礦粉，燒失量0.4%，7 d活性指數(shù)73%，28 d活性指數(shù)101%。

4)河砂，細(xì)度模數(shù)2.5，Ⅱ區(qū)中砂；碎石，粒徑5～20 mm，連續(xù)級配；減水劑，聚羧酸減水劑，含固量為21.3%，減水率為29.6%。

1.2 方法

采用JJ-5型水泥膠砂攪拌機和NLD-3型水泥膠砂流動度測定儀，按照標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂流動度測定方法》GB/T 2419—2005測試流動度。按照標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》GB/T 17671—1999成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體基準(zhǔn)試件和試驗試件，脫模后在(20±1)℃的水中養(yǎng)護7 d、28 d后測其抗壓強度值，按照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596試驗方法試驗火山巖石粉復(fù)合摻合料流動度比和活性指數(shù)，火山巖石粉復(fù)合摻合料與基準(zhǔn)水泥比例為3∶7。試驗配比見表4。

表4 試驗?zāi)z砂配比

參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50080—2016對混凝土坍落度和擴展度進行試驗。參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081—2019對混凝土抗壓強度進行試驗，混凝土抗壓強度試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d后進行力學(xué)性能試驗。

1.3 配合比

試驗火山巖石粉復(fù)合摻合料的配比見表5，分別采用粉煤灰摻量10%、20%、30%、40%，礦粉10%、20%、30%、40%，以及粉煤灰和礦粉10%+10%、15%+15%、20%+20%與火山巖石粉進行復(fù)合，研究復(fù)合粉煤灰和礦粉對火山巖石粉性能的影響規(guī)律。

采用火山巖石粉復(fù)合摻合料開展混凝土性能試驗，具體采用純火山巖石粉H0，火山巖石粉80%+粉煤灰20%H2，火山巖石粉80%+礦粉20%H6，火山巖石粉80%+粉煤灰10%+礦粉10%H9開展混凝土試驗，試驗配合比見表6，火山巖石粉復(fù)合摻合料摻量占到膠凝材料用量的20%，混凝土塌落度按照180～200 mm通過調(diào)整外加劑用量控制。

表5 火山巖石粉復(fù)合摻合料配比

表6 火山巖石粉復(fù)合摻合料混凝土配合比 /kg

2 結(jié)果及分析

2.1 火山巖石粉復(fù)合摻合料流動性

為改善火山巖石粉的流動性，試驗了火山巖石粉分別復(fù)合不同摻量的粉煤灰、礦粉、粉煤灰+礦粉對流動性的影響，試驗結(jié)果見圖1。由試驗結(jié)果可知，隨著復(fù)合粉煤灰、礦粉、粉煤灰+礦粉摻量的增加，火山巖石粉復(fù)合摻合料流動性改善明顯，純火山巖石粉的流動度比僅有83%，復(fù)合粉煤灰摻量10%、20%、30%、40%的火山巖石粉復(fù)合摻合料的流動度比分別為91%、96%、98%和102%。對比復(fù)合相同摻量均為20%的粉煤灰、礦粉和粉煤灰+礦粉，流動度比分別為96%、89%和94%，可知粉煤灰對于火山巖石粉流動性改善最為突出。主要原因是，巖石粉由機械加工而成，表面較為粗糙，棱角分明[6]，加入水泥中形成漿體后，表面粗糙的巖石粉顆粒起到了阻礙漿體流動的作用，而粉煤灰含有大量的圓球形玻璃珠，在水泥漿體中能夠起到滾珠作用[7]，很好地提高了漿體的流動性，另外，不同粉體復(fù)合后，不同細(xì)度的粉體相互填充較小的空隙，能夠起到解放孔隙水的作用，進一步提高了漿體流動性。因此在火山巖石粉應(yīng)用過程中，建議采用復(fù)合粉煤灰或者礦粉的方式提高流動性，從而在應(yīng)用過程中提高混凝土工作性能。

2.2 火山巖石粉復(fù)合摻合料活性

為了提高火山巖石粉的活性，試驗分別研究了復(fù)合粉煤灰、礦粉和粉煤灰+礦粉對火山巖石粉活性的影響，試驗結(jié)果見圖2。由圖2(a)可知，隨著復(fù)合粉煤灰摻量的增加，各個試驗齡期的火山巖石粉復(fù)合摻合料活性指數(shù)均在提高，以28 d齡期為例，純火山巖石粉的活性指數(shù)為61%，而復(fù)合粉煤灰摻量為10%、20%、30%、40%的4組火山巖石粉復(fù)合摻合料活性指數(shù)分別為65%、66%、68%、75%，活性指數(shù)增加幅度明顯。

由圖2(b)可知，火山巖石粉復(fù)合礦粉的活性指數(shù)變化規(guī)律與復(fù)合粉煤灰一致，但是隨著礦粉復(fù)合比例的增加，活性指數(shù)的提高幅度更加明顯，以28 d齡期為例，純火山巖石粉的活性指數(shù)為61%，而復(fù)合礦粉摻量為10%、20%、30%、40%的4組火山巖石粉復(fù)合摻合料活性指數(shù)分別為67%、71%、78%、88%。

圖2(c)為火山巖石粉復(fù)合粉煤灰+礦粉的試驗結(jié)果，復(fù)合比例分別為10%+10%、15%+15%、20%+20%，可見隨著復(fù)合比例的提高，火山巖石粉復(fù)合摻合料活性指數(shù)逐漸增加，以28 d齡期為例，純火山巖石粉的活性指數(shù)為61%，復(fù)合后的活性指數(shù)分別為71%、77%、83%。

圖3為相同復(fù)合摻量情況下，不同復(fù)合摻量種類對火山巖石粉活性的影響?？梢?，在20%摻量的情況下，復(fù)合礦粉對于火山巖石粉活性提高效果最佳，其次是粉煤灰10%+礦粉10%，與礦粉對活性的提高效果相近，粉煤灰的提高效果相對最差。

主要原因是，粉煤灰、礦粉摻入火山巖石粉在水泥水化時能夠起到火山灰效應(yīng)，而礦粉的火山灰效應(yīng)更強，在粉煤灰和礦粉復(fù)合摻加時，兩種摻合料與火山灰石粉顆粒可以相互搭配，起到更好的摻配作用，包括顆粒協(xié)同效應(yīng)、疊加效應(yīng)和互補效應(yīng)等，更好地提高了火山巖石粉的性能。

2.3 火山巖石粉復(fù)合摻合料混凝土工作性能

不同種類的火山巖石粉復(fù)合摻合料對混凝土工作性能的影響見表7。由表7的試驗結(jié)果可知，4組不同火山巖石粉復(fù)合摻合料混凝土的坍落度在180～200 mm之間，坍落度最大的為80%火山巖石粉+20%粉煤灰復(fù)合組CH2，坍落度最小的為純火山巖石粉混凝土組CH0；4組火山巖石粉復(fù)合摻合料混凝土擴展度在450～470 mm之間，其中混凝土的擴展度最大組和最小組與混凝土坍落度規(guī)律相同，說明火山巖石粉復(fù)合摻合料混凝土擴展度與坍落度具有較強的相關(guān)性。由火山巖石粉復(fù)合摻合料混凝土減水劑摻量試驗結(jié)果可知，4組混凝土減水劑摻量保持在膠凝材料用量的0.95%～1.20%，減水劑用量最少的為火山巖石粉80%+粉煤灰20%的CH2組，用量為0.95%，減水劑用量最多的為純火山巖石粉CH0組，用量高達(dá)1.30%，可見，隨著粉煤灰、礦粉傳統(tǒng)摻合料的摻加，在保持相差不大的混凝土工作性能的情況下，減水劑用量下降明顯。試驗規(guī)律與火山巖石粉復(fù)合摻合料的流動性相關(guān)性較大，主要原因是火山巖石粉為機械粉磨得到，顆粒棱角較多，表面粗糙度大，對于混凝土工作性能具有較大的負(fù)面作用；而粉煤灰含有大量的圓形玻璃微珠，在混凝土中具有良好的滾珠效應(yīng)，能夠很大程度上提高混凝土工作性能；另外，粉煤灰、礦粉與火山巖石粉復(fù)合不同粒徑的摻合料顆粒相互嵌擠，填充較大粒徑的水泥顆?？障?，起到了一定的減水作用，從而改善了混凝土工作性能。

表7 火山巖石粉復(fù)合摻合料混凝土工作性能

2.4 花崗巖石粉對混凝土抗壓強度的影響

不同種類的火山巖石粉復(fù)合摻合料對混凝土抗壓強度的影響見圖4。由圖4的試驗結(jié)果可知，相比于純火山巖石粉混凝土組CH0，通過與粉煤灰、礦粉復(fù)合均能明顯提升混凝土抗壓強度，在7 d試驗齡期時，純火山巖石粉混凝土組CH0抗壓強度為31.2 MPa，20%復(fù)合粉煤灰CH2組、20%復(fù)合礦粉CH6組和10%粉煤灰+10%礦粉復(fù)合CH9組的抗壓強度分別為33.5 MPa、35.7 MPa、34.1 MPa，相比于純火山巖石粉混凝土組分別提高了7.4%、14.4%、9.3%；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護到56 d試驗齡期時，純火山巖石粉混凝土組CH0抗壓強度為47.3 MPa，20%復(fù)合粉煤灰CH2組、20%復(fù)合礦粉CH6組和10%粉煤灰+10%礦粉復(fù)合CH9組的抗壓強度分別為48.2 MPa、51.6 MPa、50.6 MPa，相比于純火山巖石粉混凝土組分別提高了1.9%、9.1%、7.0%。不同種類的火山巖石粉復(fù)合摻合料對混凝土抗壓強度的影響規(guī)律與活性指數(shù)變化規(guī)律相近，主要原因是火山巖石粉為惰性石粉，在水泥水化中僅有非常微弱的火山灰效應(yīng)，摻加到混凝土中對于混凝土抗壓強度沒有提高作用，而傳統(tǒng)礦物摻合料粉煤灰和礦粉不同，兩者在水泥水化過程中均可以與水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生顯著的二次水化反應(yīng)，具有火山灰活性，尤其是礦粉，火山灰活性較高，等量替代水泥摻入混凝土中可以不降低混凝土強度，甚至能夠在一定程度上提高強度。

3 結(jié) 論

在機制砂石生產(chǎn)和石材加工領(lǐng)域產(chǎn)生了大量的石粉，這些石粉如得不到合理應(yīng)用，將造成極大的資源浪費和環(huán)境污染，另一方面隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)量的增加，傳統(tǒng)礦物摻合料日益緊缺，摻假造假現(xiàn)象層出不窮，為此研究火山巖石粉作為礦物摻合料使用意義重大。

a.隨著復(fù)合粉煤灰、礦粉、粉煤灰+礦粉摻量的增加，火山巖石粉復(fù)合摻合料流動性改善明顯；各個試驗齡期的火山巖石粉復(fù)合摻合料活性指數(shù)均在提高，復(fù)合礦粉活性指數(shù)的提高幅度更加顯著。

b.隨著粉煤灰、礦粉傳統(tǒng)摻合料的摻加，在保持相差不大的混凝土工作性能的情況下，減水劑用量呈現(xiàn)下降趨勢。

c.相比于純火山巖石粉混凝土組CH0，通過與粉煤灰、礦粉復(fù)合均能明顯提升混凝土抗壓強度，并且粉煤灰和礦粉具有突出的疊加效應(yīng)。