龍 行，熊 沖，任龍芳

(1.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013)

由中國路橋工程有限公司承建的金港(金邊-西哈努克港)高速公路工程，公路全長187.05 km，需要大量水泥、粗細(xì)骨料等滿足混凝土的配制。水泥生產(chǎn)不僅會消耗大量的能源和資源，還對環(huán)境造成一定的污染。礦物摻合料替代部分水泥用于混凝土，不僅可以減少水泥用量，而且可以改善混凝土工作性、增強(qiáng)后期強(qiáng)度，已成為混凝土不可或缺的重要組成材料[1]。目前比較成熟的摻合料有粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢料，然而，在工業(yè)廢渣基礦物摻合料匱乏的地區(qū)，尋找并開發(fā)其他新型混凝土摻合料，具有十分重要的意義和價(jià)值。

當(dāng)前由于河砂資源的限采和禁采政策，使得機(jī)制砂用于混凝土工程成為必然，而機(jī)制砂生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的石粉。若石粉得不到合理應(yīng)用，將會對環(huán)境造成污染和浪費(fèi)資源[2]。經(jīng)過調(diào)研，擬建工程沿線存在大量孤石，其質(zhì)地堅(jiān)硬，巖性為凝灰?guī)r，具有一定的化學(xué)活性，可作為機(jī)制砂石骨料用于混凝土工程。機(jī)制砂石粉的礦物成分和母巖相同，可作為礦物摻合料用于混凝土制備。

近年來國內(nèi)外對復(fù)合摻合料的研究眾多[3-6]，但基本集中在石灰石粉和粉煤灰、礦渣等普通摻合料的復(fù)合研究，復(fù)合摻合料的種類不夠系統(tǒng)。該文結(jié)合工程實(shí)際，將孤石機(jī)制砂粉和石灰石粉復(fù)合，研究其作為復(fù)合摻合料的技術(shù)可行性，從而推動(dòng)石灰石粉和地域性天然原料的綜合開發(fā)和利用。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1)水泥：普通硅酸鹽42.5水泥，初凝163 min，終凝245 min，3 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別為23.6 MPa、49.8 MPa。

2)河砂：采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.3。

3)凝灰?guī)r石粉：主要為孤石機(jī)制砂生產(chǎn)產(chǎn)生的石粉，通過行星式球磨機(jī)將其粉磨。主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3等，詳見表1。

4)石灰石粉：細(xì)度為45 μm篩余3%，比表面積330 m2/kg，28 d活性指數(shù)62.5%。主要化學(xué)成分為見表2。

5)自來水。

1.2 試驗(yàn)方法

參照《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》GB/T2419—2005測定不同摻合料制備的膠砂的流動(dòng)度；參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》GB/T 17671—1999制作膠砂強(qiáng)度試件，并測定膠砂各個(gè)齡期的試件強(qiáng)度，參照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596計(jì)算復(fù)合摻合料的活性指數(shù)。膠砂試驗(yàn)的配比如表3所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉磨時(shí)間、細(xì)度的確定

將凝灰?guī)r石粉、石灰石粉放入烘箱，在105 ℃下烘干24 h，待冷卻后分別放入行星式球磨機(jī)中進(jìn)行粉磨，粉磨時(shí)間分別為15 min、20 min、25 min及30 min，然后分別測試粉磨后的石粉的比表面積，結(jié)果如表4所示?？梢钥闯觯簝煞N粉體的比表面積均隨粉磨時(shí)間的延長而增大，25 min后繼續(xù)延長粉磨時(shí)間，比表面積增長幅度降低，考慮由于粉磨到達(dá)一定程度，粉體太細(xì)容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，易粘附在球體表面，阻礙粉磨的繼續(xù)進(jìn)行，進(jìn)而影響到粉體比表面積。整體來看，相同的粉磨時(shí)間，石灰石粉較凝灰?guī)r石粉的比表面積更大。

表4 石灰石粉/凝灰?guī)r石粉的比表面積

用不同比表面積的石灰石粉和凝灰?guī)r石粉分別替代30%水泥制備膠砂，研究不同比表面積的石灰石粉或凝灰?guī)r石粉對水泥膠砂流動(dòng)度和活性指數(shù)的影響規(guī)律，進(jìn)而確定兩種石粉的最佳粉磨時(shí)間。流動(dòng)度比如圖1所示，活性指數(shù)如圖2所示。

從圖1可以看出，隨著粉磨時(shí)間的延長，石灰石粉或凝灰?guī)r石粉的膠砂流動(dòng)度比均有所增大，主要因?yàn)槭沂酆湍規(guī)r石粉均具有“玻璃滾珠”效應(yīng)，可以降低水泥膠砂漿體的塑性黏度和屈服應(yīng)力[7，8]，因此均能增大膠砂流動(dòng)度。石灰石粉相對于凝灰?guī)r石粉具有更高的流動(dòng)度比，主要因?yàn)橥瑯拥姆勰r(shí)間，石灰石粉較凝灰?guī)r石粉細(xì)度更細(xì)，具有更好的填充作用，更有利于置換出水泥顆粒間的三角空隙水，更具減水作用，在相同用水量的配比下，水泥膠砂的流動(dòng)性能更好。

從圖2可以看出，兩種石粉7 d活性指數(shù)和28 d活性指數(shù)隨粉磨時(shí)間的延長均有不同程度的提高，這是因?yàn)樵跈C(jī)械力的作用下，較大的石粉顆粒被粉磨變細(xì)，比表面積變大，同時(shí)石粉表面的惰性層被磨去，進(jìn)而增加了顆粒的表面活性，進(jìn)一步加快活性物質(zhì)的溶出和水化的速度[9]。石灰石粉相對于凝灰?guī)r石粉，其7 d和28 d的強(qiáng)度均較低，主要由于石灰石粉更偏屬于惰性物質(zhì)，而凝灰?guī)r石粉巖性為凝灰?guī)r，具有一定的化學(xué)活性。凝灰?guī)r石粉更能和Ca(OH)2等反應(yīng)生成具有膠凝作用的水化產(chǎn)物，進(jìn)一步加強(qiáng)體系致密性。

綜合表4、圖2和圖3可知，對于石灰石粉和凝灰?guī)r石粉，粉磨25 min是個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在25 min之前，比表面積、流動(dòng)度比和活性指數(shù)均隨粉磨時(shí)間延長增長較快，25 min之后仍繼續(xù)增長，但速度變緩?？紤]到粉磨時(shí)間和能耗的關(guān)系，推薦25 min作為石灰石粉和凝灰?guī)r石粉最終粉磨時(shí)間，比表面積分別為602 m2/kg和540 m2/kg。

2.2 復(fù)合摻合料制備膠砂的最佳摻量

由2.1研究可知，石灰石粉屬于惰性粉體，具有一定的減水效應(yīng)，能改善膠砂的流動(dòng)度；凝灰?guī)r石粉屬于活性粉體，可同Ca(OH)2反應(yīng)生成水化硅酸鈣，有助于膠砂強(qiáng)度的提升。目前大量研究表明，將兩種石粉復(fù)合制備復(fù)合摻合料用于膠砂或混凝土，可以產(chǎn)生疊加效應(yīng)。該試驗(yàn)將比表面積為602 m2/kg的石灰石粉和540 m2/kg的凝灰?guī)r石粉按1∶1比例混合制備復(fù)合摻合料，分別以10%、20%、30%、40%的比例替代水泥制備膠砂，根據(jù)膠砂的流動(dòng)度比和活性指數(shù)確定復(fù)合摻合料的最佳取代量，結(jié)果如圖3、圖4所示。

結(jié)合圖3、圖4可以看出，當(dāng)石灰石粉與凝灰?guī)r石粉等質(zhì)量復(fù)合替代水泥制備膠砂時(shí)，隨復(fù)合摻合料的替代量增加，膠砂流動(dòng)度比和活性指數(shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)復(fù)合摻合料替代30%水泥時(shí)，膠砂的流動(dòng)度比達(dá)到最大值102%，7 d活性指數(shù)達(dá)到最大值64.5%，28 d活性指數(shù)達(dá)到最大值67.2%。石灰石粉和凝灰?guī)r石粉細(xì)度均小于水泥細(xì)度，兩者復(fù)合之后用于膠砂可使膠凝材料體系的顆粒級配更為合理，粒徑分布更加趨近Fuller曲線，能夠產(chǎn)生“超疊加效應(yīng)”[10]。隨著摻量的增加，膠砂性能得到改善，但是摻量過多則會導(dǎo)致超細(xì)顆粒過多，需水量增加，導(dǎo)致膠砂流動(dòng)性下降，因此復(fù)合摻合料的最佳取代量定為30%。

2.3 石灰石粉/凝灰?guī)r石粉復(fù)合最佳配比

根據(jù)2.2研究結(jié)果，將石灰石粉和凝灰?guī)r石粉以1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1的比例混合成復(fù)合摻合料，以30%的比例替代水泥，制備水泥膠砂，研究不同配比對膠砂流動(dòng)度比和活性指數(shù)的影響，結(jié)果如圖5、圖6所示。

結(jié)合圖5、圖6可以看出，當(dāng)石灰石粉-凝灰?guī)r石粉復(fù)合摻合料替代30%水泥制備膠砂時(shí)，隨著石灰石粉摻量的增加，流動(dòng)度比先增大后減小，7 d活性指數(shù)和28 d活性指數(shù)均降低。在石灰石粉與凝灰?guī)r石粉比例1∶2、1∶1、2∶1時(shí)，流動(dòng)度比均高于100%，在石灰石粉與凝灰?guī)r石粉比例1∶3、1∶2時(shí)活性指數(shù)較高，繼續(xù)增加石灰石粉的摻量，活性指數(shù)迅速下降。主要因?yàn)槭沂蹫槎栊苑垠w，具有一定的減水保水性，有利于增強(qiáng)膠砂的流動(dòng)度，但不宜摻量過多；凝灰?guī)r石粉具有一定的“火山灰效應(yīng)”，將兩種物質(zhì)按合適的比例混合應(yīng)用到膠砂或混凝土中，可以充分發(fā)揮其顆粒協(xié)同效應(yīng)和互補(bǔ)效應(yīng)[11]。綜合考慮流動(dòng)度比和活性指數(shù)數(shù)據(jù)指標(biāo)，研究認(rèn)為石灰石粉和凝灰?guī)r石粉最優(yōu)復(fù)合配比為1∶2。

3 結(jié) 論

a.隨粉磨時(shí)間的延長，石灰石粉和凝灰?guī)r石粉變細(xì)，所制備的膠砂流動(dòng)度比和活性指數(shù)均有所增大。考慮粉磨時(shí)間和能耗的關(guān)系，推薦25 min作為石灰石粉和凝灰?guī)r石粉最終粉磨時(shí)間，比表面積分別為602 m2/kg和540 m2/kg。

b.石灰石粉屬于惰性粉體，具有較好的流動(dòng)度；凝灰?guī)r石粉巖性為凝灰?guī)r，具有一定活性，活性指數(shù)優(yōu)于石灰石粉。石灰石粉與凝灰?guī)r石粉混合制備復(fù)合摻合料，可進(jìn)一步優(yōu)化膠凝材料體系的顆粒級配，且能產(chǎn)生互補(bǔ)、協(xié)同效應(yīng)，充分提升復(fù)合摻合料性能。

c.石灰石粉與凝灰?guī)r石粉以1∶2的比例混合制備復(fù)合摻合料，以30%的比例替代水泥，所制備的水泥膠砂性能最優(yōu)，流動(dòng)度比為101%，7 d活性指數(shù)為67.7%，28 d活性指數(shù)為70.9%。