劉方，何濤，夏京亮，王中文，榮國城，譚立心，關青鋒

（1.保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510620；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；3.國家建筑工程技術研究中心，北京 100013）

0 引言

我國房建、交通、水利等基礎結構建設的推進需要大量混凝土材料，同時對混凝土材料的質量與成本不斷提出多樣化需求。隨著自密實混凝土、粉末混凝土和超高性能混凝土等新型混凝土的發(fā)展，混凝土強度等級逐漸升高，意味著混凝土水膠比降低，膠凝材料用量逐漸增大，水泥消耗量增多，對能源消耗與碳排放控制帶來新挑戰(zhàn)。為降低水泥用量，常采用優(yōu)質礦物摻合料（如粉煤灰、礦渣粉等）替代部分水泥制備混凝土，然而傳統(tǒng)礦物摻合料種類有限，地域分布明顯，生產(chǎn)量逐漸難于滿足市場需求，亟需尋找新型礦物摻合料。

與此同時，機制砂大規(guī)模制備過程中往往同時產(chǎn)生約20%巖石粉[1]，由于機制砂應用標準對機制砂石粉含量有嚴格限制，多余的石粉不得不采用填埋、露天堆放的方式處理。而石材生產(chǎn)行業(yè)亦會產(chǎn)生各類巖石粉廢料，主要采用自然丟棄處理，對環(huán)境保護、資源節(jié)省和旅游服務產(chǎn)生不利影響。因此，國內外較多研究嘗試采用不同類型巖石粉替代部分水泥制備各強度等級的綠色環(huán)保型混凝土[2-7]。然而，由于目前的文獻多數(shù)僅集中研究某一類巖石粉對混凝土性能的影響，無法形成全面的理解，得出的結論往往出現(xiàn)偏差乃至矛盾。另一方面，現(xiàn)有巖石粉混凝土研究僅測試180 d內各項性能，缺乏長齡期強度發(fā)展規(guī)律數(shù)據(jù)，難以形成全面、合理的研究結論。

為了形成巖石粉混凝土強度經(jīng)時演變規(guī)律，本文采用花崗巖、片麻巖、玄武巖和石灰?guī)r石粉分別取代部分水泥制備不同水膠比普通混凝土，并以粉煤灰混凝土為基準組，測試新拌漿體的工作性能與長齡期強度，揭示巖石粉、齡期、水膠比對混凝土基本性能的影響規(guī)律以及巖石粉混凝土抗壓-抗拉強度的關系。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·Ⅰ42.5水泥，密度3.15g/cm3，比表面積349m2/kg，初、終凝時間分別為138、218 min；粉煤灰：Ⅱ級，細度（45μm篩篩余）13.1%，燒失量2.5%，7、28 d活性指數(shù)分別為71%、74%；巖石粉：采用4類不同來源地區(qū)的天然巖石粉，包括片麻巖（PM）、玄武巖（XW）、花崗巖（HG）和石灰?guī)r（SH），基本性能見表1，主要化學成分見表2；細骨料：河砂，細度模數(shù)2.5，表觀密度2640 kg/m3；粗骨料：5～20 mm連續(xù)級配花崗巖碎石，表觀密度2668 kg/m3，吸水率0.5%：聚羧酸減水劑：固含量23.4%；拌合水：自來水。

表1 天然巖石粉的基本性能

表2 天然巖石粉的化學成分 %

1.2 試驗配合比

采用不同巖石粉等質量取代20%水泥制備混凝土，并以粉煤灰混凝土為基準組。為對比水膠比對巖石粉混凝土性能的影響，設計0.47和0.32水膠比，分別對應C30和C60混凝土，相關配合比如表3所示，編號中的SH、HG、XW、PM分別代表石灰?guī)r石粉、花崗巖石粉、玄武巖石粉、片麻巖石粉，F(xiàn)A代表粉煤灰，數(shù)字為混凝土強度等級。

表3 巖石粉混凝土的配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

依據(jù)GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》對混凝土新拌漿體坍落度和擴展度進行測試。混凝土攪拌完畢后，立即成型100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，置于溫度為（23±1）℃室內環(huán)境靜置養(yǎng)護24 h脫模，移入標準養(yǎng)護室內養(yǎng)護，當齡期達到3、7、28、90、180、360、540、720、1080 d時，每組配合比取3個試件，參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度測試。

2 試驗結果與分析

2.1 新拌混凝土的工作性能（見表4）

表4 不同石粉新拌漿體的坍落度和擴展度

由表4可見，相比于粉煤灰混凝土，摻20%各類石粉整體上會對混凝土的工作性能產(chǎn)生不利影響，與現(xiàn)有研究結果一致[8-9]。粉煤灰與各巖石粉的細度接近，但粉煤灰含有圓球形玻璃珠，可通過“滾珠效應”促進漿體流動；巖石粉顆粒粗糙，表面棱角分明，填充在漿體孔隙時增大不同組分顆粒之間的摩擦，同時石粉顆粒比表面積更大，形成顆粒表面水膜時需要吸附更多自由水，降低了供漿體流動的水分含量，故對漿體流動性能產(chǎn)生負面影響[10]。片麻巖石粉的MB值稍高，導致PM組漿體需水量稍大，漿體流動性略低。有研究表明[2，11]，不同巖石粉礦物組成對石粉顆粒表面Zeta點位和減水劑吸附率影響顯著，成分單一、結構密實與礦物溶解度高的巖石粉（如石灰?guī)r石粉）可增大Zeta電位負電性，降低減水劑吸附率，含有石英、云母和長石等的巖石粉（如花崗巖石粉）通過插層吸附令其顆粒對減水劑吸附率明顯高于其他巖石粉。

另一方面，表4還表明，巖石粉的摻入對C60混凝土工作性的影響更敏感。隨著將摻合料從粉煤灰分別更換為玄武巖石粉、石灰?guī)r石粉、片麻巖石粉和花崗巖石粉，C60混凝土的坍落度和擴展度基本呈逐漸下降的趨勢，而C30混凝土的擴展度，存在上下起伏波動規(guī)律，其坍落度先明顯下降而后有所改善。C30混凝土的水膠比大，用水量較高，新拌漿體含有充足水分，可在一定范圍內抵消石粉摻入帶來的不利影響。C60混凝土雖然含有較多包裹骨料以促進流動的漿體組分，但是膠凝材料用量大，用水量低，拌合物黏度較大，其流動性易受巖石粉的影響。

2.2 硬化混凝土的力學性能

2.2.1 摻不同巖石粉混凝土的抗壓強度

摻不同巖石粉的C30、C60混凝土立方體抗壓強度隨齡期的變化如圖1、圖2所示。

圖1 摻不同巖石粉C30混凝土抗壓強度隨齡期的變化

圖2 摻不同巖石粉C60混凝土抗壓強度隨齡期的變化

由圖1、圖2可見，在90 d前，巖石粉種類對C30混凝土抗壓強度基本無影響，對于C60混凝土，含不同巖石粉下抗壓強度差異在28 d開始呈現(xiàn)。雖然圖1（a）與圖2（a）表明混凝土強度發(fā)展似乎在90～180 d內已趨于穩(wěn)定，但從圖1（b）與圖2（b）可知，對于長齡期養(yǎng)護情況下，不同水膠比和巖石粉種類混凝土強度發(fā)展從180 d才進入穩(wěn)定發(fā)展階段。FA-60組水膠比為0.32，且摻20%粉煤灰，即使齡期超過180 d，其強度仍然以一定速率持續(xù)提高。

具體而言，齡期為180 d時，C30混凝土中FA-30組抗壓強度最高，為64.9MPa；SH-30組抗壓強度最低，為53.3MPa；其余3組巖石粉組抗壓強度為55～58 MPa。當齡期為1080 d時，F(xiàn)A-30組抗壓強度達到69.0 MPa，HG-30組抗壓強度最低，為58.8 MPa。C60混凝土存在類似規(guī)律，齡期達到1080 d時，F(xiàn)A-60組抗壓強度最高，XW-60組抗壓強度最低。

對于不同水膠比混凝土，摻入粉煤灰或不同巖石粉均對混凝土3～7 d抗壓強度影響不大?？梢娫诩毝冉咏那疤嵯?，由于粉煤灰的早期活性低，其所產(chǎn)生的填充效應與成核效應與巖石粉類似；隨著水泥熟料水化程度的提高，粉煤灰中無定形物質與CH、孔隙自由水等發(fā)生火山灰效應，生成更多高硅鈣比的C-S-H凝膠，令漿體密實化，提高混凝土的強度[12]。在早齡期下不同水膠比或摻不同巖石粉混凝土的抗壓強度與粉煤灰混凝土抗壓強度的比值為0.8～0.9，即利用巖石粉替代粉煤灰制備C30混凝土對早期抗壓強度削弱程度為10%～20%。隨著齡期延長，巖石粉混凝土與粉煤灰混凝土抗壓強度比值逐漸穩(wěn)定于0.8～0.9。

另外，SH-30組抗壓強度在90～360 d齡期較其它巖石粉組低，但在后期逐漸成為強度最高組；SH-60組則在90～180 d內漸漸超過其它巖石粉組，說明摻入石灰石粉可發(fā)生更復雜的水化反應，持續(xù)提高混凝土的抗壓強度。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)[13]，傳統(tǒng)上被認為是惰性材料的石灰石粉在水泥水化環(huán)境中可產(chǎn)生化學反應，其溶解的碳酸根離子與水泥熟料或礦物摻合料中的活性鋁組分在堿性孔溶液中生成碳鋁酸鹽，該水化產(chǎn)物既可填充毛細孔，亦可抑制鈣釩石轉化為AFm，提高水化產(chǎn)物的總體積，促使?jié){體孔結構細化。

由于混凝土立方體抗壓強度在長齡期養(yǎng)護下存在雙階段特征（即在3～180 d快速發(fā)展，此后緩慢增長），且在核電廠房、水利大壩等場合內混凝土結構設計使用壽命較長，往往需要對混凝土長齡期抗壓強度發(fā)展水平進行預測，故本文針對圖1與圖2測試結果進行回歸分析，以提出可靠的混凝土長齡期抗壓強度預測模型。關于雙階段特征曲線函數(shù)表達式，有研究[14]歸納了如下主要形式：

式中：F（t）——t時刻的預測對象；

a、b——常數(shù)。

對于摻粉煤灰或不同巖石粉混凝土長齡期立方體抗壓強度的經(jīng)時演變規(guī)律，本文按照復合指數(shù)函數(shù)形式進行歸納，相關函數(shù)表達式如下：

式中：F0、a、b、c、d——均為常數(shù)，不同配合比混凝土參數(shù)取值如表5所示。

表5 不同配合比混凝土參數(shù)取值

由表5可知，本文所歸納的復合指數(shù)函數(shù)模型與強度實測值相關系數(shù)高，圖1（b）與圖2（b）顯示各模型曲線與強度變化趨勢接近。為進一步衡量式（4）的預測準確性，定義預測殘差百分比絕對值計算式如下：

式中：P（t）——t時刻預測殘差百分比絕對值，%；

F（t）、fc（t）——t時刻預測強度及實測強度。

在3～1080 d齡期內，各配合比的P（t）計算結果如圖3所示，P（t）計算值分布于x軸與上界限y=3.12+7.55e-t/243.90內，且多數(shù)P（t）值不超過5%，故式（4）具有較高預測準確性。

圖3 抗壓強度預測殘差絕對值計算結果

2.2.2 摻不同巖石粉混凝土的劈裂抗拉強度

摻不同巖石粉的C30、C60混凝土劈裂抗拉強度隨齡期的變化如圖4所示。

圖4 巖石粉混凝土劈裂抗拉強度隨齡期的變化

由圖4可見，對于C30混凝土，與抗壓強度類似，各混凝土3 d和7 d劈裂抗拉強度相差較小，自28 d開始巖石粉混凝土的劈裂抗拉強度逐漸低于粉煤灰混凝土；摻石灰石粉混凝土早期劈裂抗拉強度較低，但隨養(yǎng)護時間延長，SH-30組劈裂抗拉強度逐漸高于其它巖石粉組；1080 d時，F(xiàn)A-30、XW-30、SH-30、PM-30和HG-30組劈裂抗拉強度分別為4.12、3.40、3.63、3.74、3.23 MPa。對于C60混凝土，在180 d前各巖石粉混凝土的劈裂抗拉強度與粉煤灰混凝土接近，此后逐漸低于FA-60組。

以粉煤灰混凝土為基準組，C30巖石粉混凝土早期劈裂抗拉強度極為接近基準組，巖石粉混凝土與粉煤灰混凝土劈裂抗拉強度比值為0.9～1.0；強度等級為C60時，早期劈裂抗拉強度比值超過1.0，個別配合比達到1.3以上。齡期達到28d后，各巖石粉組與基準組劈裂抗拉強度比值為0.8～1.0，其中C30混凝土比值為0.8～0.9，C60混凝土比值為0.9～1.0?；炷翆儆诖嘈圆牧?，承受劈裂張拉荷載時，漿體在成型、養(yǎng)護過程中形成的初始微缺陷容易擴展、延伸，相互連接至形成貫通大裂縫，在較低壓力水平下突然發(fā)生脆性破裂，相對于立方體抗壓強度，劈裂抗拉強度比值分布范圍較廣，總體波動程度較大。巖石粉顆粒表面粗糙，形狀棱角分明，在劈裂張拉荷載作用下可通過機械咬合、互鎖作用抑制漿體微裂縫延伸。當水膠比較低時，漿體水化產(chǎn)物體積大，孔結構密實，初始微缺陷少，摻合料顆粒可通過成核效應與填充效應改善骨料界面過渡區(qū)晶體取向度，增強硬化漿體骨架作用，使得漿體劈裂抗拉強度有所提高。

2.3 討論

2.3.1 劈裂抗拉強度與抗壓強度的相關性

巖石粉混凝土和粉煤灰混凝土不同齡期下劈裂抗拉強度fsp和抗壓強度fc之間的相關性如圖5所示?；炷量箟簭姸群涂估瓘姸让芮邢嚓P，但往往無線性關系?？估瓘姸入S著抗壓強度提高而提高，但提高幅度逐漸降低。目前較多研究通過歸納不同數(shù)學模型嘗試依據(jù)抗壓強度預測抗拉強度，針對普通混凝土的常見函數(shù)表達式有：

可見，表征普通混凝土抗拉強度與抗壓強度關系的常見表達式為冪函數(shù)形式。采用以上函數(shù)和基于不同水膠比、不同摻合料和長齡期條件的混凝土強度實測數(shù)據(jù)計算抗拉強度預測值時發(fā)現(xiàn)，預測值與實測值相差較大，因此本文提出如式（11）的回歸模型，其95%置信帶與95%預測帶如圖5所示。研究發(fā)現(xiàn)，影響混凝土界面過渡區(qū)的各種因素共同影響抗壓強度和抗拉強度之間的關系。結合上文不同配合比混凝土工作性和力學強度測試結果可知，除了養(yǎng)護齡期，混凝土拌合物性能（水膠比、摻合料種類）均在不同程度上影響混凝土受拉-受壓關系，導致圖5中數(shù)據(jù)散點分布范圍較廣，影響回歸模型精度，為更準確掌握巖石粉混凝土不同齡期下的受拉-受壓關系，需要進一步拓寬試驗范圍。

2.3.2 不同強度與長齡期強度的比值

由于水泥基材料在終凝后基本完成從流塑態(tài)向固態(tài)的轉化過程，水化進程發(fā)展較緩慢，盡管獲取長齡期力學性能更利于對混凝土結構進行合理設計，然而延長混凝土養(yǎng)護齡期將帶來各種不便，故目前混凝土材料研究、施工管理等均以28～90 d力學性能作為重要參考依據(jù)。從圖1、圖2、圖4可知，粉煤灰混凝土和巖石粉混凝土強度發(fā)展至180 d后方進入穩(wěn)定階段，28～90 d仍處于快速發(fā)展期，因此有必要了解28、56、90d強度占長齡期強度的比例。圖6為不同配合比混凝土28、56、90 d強度與1080 d強度的比值。

圖5 混凝土劈裂抗拉強度和抗壓強度的相關性

圖6 混凝土28、56、90 d強度與1080 d強度的比值

由圖6可見，混凝土立方體抗壓強度比值大致分布于0.65～0.95，隨齡期延長而增大；C30混凝土劈裂抗拉強度比值大致分布于0.90～0.98，C60混凝土劈裂抗拉強度比值分布區(qū)間則為0.75～0.90，且均隨齡期延長而增大。

對于C60混凝土，同齡期下FA組立方體抗壓強度比值均為最低值，粉煤灰作為活性礦物摻合料，其火山灰活性高于巖石粉，在普通混凝土中可持續(xù)與水泥熟料水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應，不斷提高漿體強度，圖2（b）亦表明FA-60組強度在長齡期仍可保持一定增長速度；對于C30混凝土，由于水膠比較高，水泥熟料在早期可在充分自由水含量環(huán)境下快速反應，較粗的毛細孔結構利于水化產(chǎn)物離子結晶，進一步促進粉煤灰反應，故FA-30組抗壓強度比值較高。另一方面，C60巖石粉混凝土強度的上升主要依賴于水泥熟料水化反應，巖石粉活性較低，在后期難以通過火山灰效應持續(xù)提高強度，故28～90 d立方體抗壓強度比值較高；對于C30混凝土，巖石粉組中SH-30組抗壓強度比值在不同齡期下均為最低值，結合圖1與上文相關分析，石灰?guī)r石粉含有較多碳酸鈣，可與水泥熟料中活性鋁物質發(fā)生二次水化反應，令混凝土強度隨齡期延長而不斷增長，故28～90 d抗壓強度比值較低。

總體而言，為保證混凝土結構具有充足的荷載承受富裕度，并考慮混凝土材料強度發(fā)展的波動性，本文認為可將混凝土28～90 d抗壓強度設計為長齡期抗壓強度的0.7～0.8，將混凝土28～90 d劈裂抗拉強度設計為長齡期劈裂抗拉強度的0.8～0.9。

4 結論

分別采用20%玄武巖、石灰?guī)r、片麻巖與花崗巖石粉等質量取代水泥制備不同水膠比混凝土，以粉煤灰混凝土為基準組，對比巖石粉對新拌漿體工作性、試件長齡期立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響。

（1）摻入巖石粉降低新拌漿體的工作性，低水膠比混凝土受此影響較大。

（2）巖石粉混凝土抗壓強度發(fā)展呈雙階段特征，3～180 d為快速增長期，180 d后進入緩慢增長期；巖石粉混凝土早期抗壓強度與粉煤灰混凝土接近，后期強度為粉煤灰混凝土的0.8～0.9，其中石灰?guī)r石粉混凝土抗壓強度較高，玄武巖石粉混凝土較低，片麻巖石粉混凝土與花崗巖石粉混凝土接近。

（3）采用復合指數(shù)函數(shù)模型對巖石粉混凝土長齡期抗壓強度發(fā)展規(guī)律進行預測，預測值與實測值吻合度較高；巖石粉混凝土劈裂抗拉強度隨齡期變化的規(guī)律與其立方體抗壓強度類似，進入穩(wěn)定發(fā)展階段時，其數(shù)值約為粉煤灰混凝土劈裂抗拉強度的0.8～1.0。

（4）巖石粉混凝土立方體抗壓強度與劈裂抗拉強度的關系可采用冪函數(shù)模型描述。

（5）為保證混凝土結構具有充足的荷載承受富裕度，并考慮混凝土材料強度發(fā)展的波動性，認為可將混凝土28～90 d抗壓強度設計為長齡期抗壓強度的0.7～0.8，將混凝土28～90d劈裂抗拉強度設計為長齡期劈裂抗拉強度的0.8～0.9。