楊治乾

（中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401120）

0 引言

中國鐵路建設(shè)在過去20 年高速發(fā)展，鐵路建設(shè)對混凝土的性能要求十分嚴(yán)格，尤其是高速鐵路隧道穿越復(fù)雜地質(zhì)，多數(shù)隧道環(huán)境作用等級都要求在混凝土中摻入一定比例的礦物摻合料，來改善混凝土的性能，粉煤灰作為最容易大量取得的礦物摻合料，具有改善混凝土和易性，降低水化熱，提高后期強(qiáng)度，提高耐蝕性、抗裂性等性能，使得粉煤灰在混凝土中大量使用[1]。但是隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國家大力提倡保護(hù)自然環(huán)境，習(xí)近平總書記更是提出“綠水青山就是金山銀山”的重要思想，污染嚴(yán)重的傳統(tǒng)火電廠逐漸減少，優(yōu)質(zhì)粉煤灰產(chǎn)量大幅縮減，劣質(zhì)粉煤灰在實(shí)際應(yīng)用中反而制約了混凝土強(qiáng)度和耐久性能的發(fā)展[2]。

石粉作為礦物摻合料，對于隧道工程更易于取得，在施工過程中將巖石洞渣加工成砂石料，收集過程中產(chǎn)生的石粉，既節(jié)約施工成本，又避免開山碎石破壞環(huán)境，更有研究表明，石灰石粉具有良好的減水效應(yīng)、微集料填充效應(yīng)和晶核效應(yīng)[3]，為此，本文基于渝黔高鐵保家鎮(zhèn)隧道工程和保家地材加工場，采用不同摻配比例的石粉取代粉煤灰，進(jìn)行水泥膠砂和混凝土試驗(yàn)，研究不同取代比例下，混凝土的工作性、強(qiáng)度和耐久性能，分析石粉取代粉煤灰使用的實(shí)際效果。

1 原材料制備及檢測

1.1 原材料

水泥使用P.O 42.5 普通水泥，28d 抗折抗壓強(qiáng)度分別為11.3MPa、51.2MPa。粉煤灰為F 類Ⅱ級，細(xì)度（45μm 篩余）23%，需水量比97.6%，7d、28d 活性指數(shù)分別為64.7%、87.1%。粗骨料為5～25mm 連續(xù)級配，由5～16mm 碎石和16～25mm 碎石按照3:7 的比例摻配而成，壓碎值6%，含泥量0.5%。細(xì)集料為機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.9，石粉含量7.8%，亞甲藍(lán)MB 值0.4g/kg，砂石料均為項(xiàng)目自有碎石場加工生產(chǎn)。減水劑采用聚羧酸系高性能緩凝型減水劑，減水率28%。

石粉來源于渝黔鐵路項(xiàng)目碎石加工廠，項(xiàng)目位于重慶市彭水縣保家鎮(zhèn)，保家鎮(zhèn)隧道圍巖以石灰?guī)r為主。將取回的石粉在105～110℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干8h，自然冷卻后過0.075mm 方孔砂石篩。石粉化學(xué)成分如表1 所示。

表1 石灰?guī)r石粉化學(xué)成分

石粉主要成分為二氧化硅和氧化鈣，占到總質(zhì)量的74.98%。

1.2 石粉物理性能檢測

石粉性能檢測用砂為試驗(yàn)室專用ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂，石粉性能檢測參照《用于水泥、砂漿和混凝土中的石灰石粉》（GB/T 35164—2017），石粉需水量比試驗(yàn)和活性指數(shù)檢測參照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2017），需水量試驗(yàn)如表2 所示。石粉7d 和28d強(qiáng)度活性指數(shù)試驗(yàn)如表3 所示。

表2 石粉需水量試驗(yàn)

表3 石粉強(qiáng)度活性指數(shù)試驗(yàn)

1.3 混凝土配合比

采用C35 襯砌混凝土配合比，試配強(qiáng)度=35+1.645×5=43.2MPa，粉煤灰摻量為總膠凝材料的25%，設(shè)計(jì)坍落度180～220mm，設(shè)計(jì)抗?jié)B等級P12，石粉按照0%、25%、50%、75%、100%的比例取代粉煤灰，新拌混凝土坍落度和含氣量試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）進(jìn)行，混凝土強(qiáng)度按《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019） 進(jìn)行試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度試件尺寸均為150mm×150mm×150mm，抗水滲透和抗氯離子滲透試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）進(jìn)行。摻石粉和粉煤灰的混凝土配合比和工作性能如表4 所示。

表4 摻石粉和粉煤灰的混凝土配合比和工作性能

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 石粉物理性能

碎石場取回的石粉整體顏色為青灰色，經(jīng)烘干和過0.075mm 篩處理，細(xì)度滿足B 型石灰石粉和Ⅱ級粉煤灰要求；碳酸鈣含量比《用于水泥、砂漿和混凝土中的石灰石粉》（GB/T 35164—2017）標(biāo)準(zhǔn)要求偏低；亞甲藍(lán)值偏高；需水量比隨著石粉摻量的提高而增長，取代粉煤灰75%和100%時，需水量比開始大于100%，分別為101.6%和104%，但依然滿足Ⅱ級粉煤灰的需水量要求；7d 強(qiáng)度活性指數(shù)偏低，28d 強(qiáng)度活性指數(shù)均大于60%，符合《用于水泥、砂漿和混凝土中的石灰石粉》（GB/T 35164—2017）標(biāo)準(zhǔn)要求，但摻量高于25%之后，活性指數(shù)達(dá)不到粉煤灰要求。

該自產(chǎn)石粉整體需水量比不高，強(qiáng)度活性指數(shù)前期偏低，后期有較明顯增長，說明該石粉有一定的活性。石粉的物理性能試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 石粉的物理性能

2.2 石粉取代粉煤灰對混凝土工作性影響

隨著石粉摻量提升，混凝土坍落度下降不十分明顯，全部取代粉煤灰時，坍落度為200mm，滿足設(shè)計(jì)180～220mm 的坍落度要求。從表4 可見，石粉摻量到50%以后，混凝土擴(kuò)展度明顯降低，含氣量明顯變大，重量明顯變輕，但混凝土流動性變差，開始出現(xiàn)沉底現(xiàn)象。分析導(dǎo)致混凝土工作性變差的原因有：①石粉相比粉煤灰需水量稍大。②石粉粒形不規(guī)則，沒有粉煤灰的微珠效應(yīng)。③石粉的亞甲藍(lán)值偏高，對聚羧酸減水劑的吸附性強(qiáng)。

2.3 石粉取代粉煤灰對混凝土強(qiáng)度的影響

石粉取代粉煤灰50%以后，強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降，分析是由于自產(chǎn)石粉未經(jīng)高溫煅燒，相比粉煤灰活性偏低；石粉顆粒較粗，雖有晶核效應(yīng)，但本身不直接參與水化，替代粉煤灰，相當(dāng)于降低了膠凝材料用量，使水灰比變大，導(dǎo)致強(qiáng)度降低[4]。所以，石粉取代粉煤灰的取代率控制在50%以內(nèi)（相當(dāng)于取代總膠凝材料的12.5%以內(nèi)），混凝土強(qiáng)度能穩(wěn)定在較高水平。石粉取代粉煤灰對強(qiáng)度的影響如表6 所示。

表6 各石粉摻量不同齡期混凝土強(qiáng)度

2.4 石粉取代粉煤灰對混凝土耐久性的影響

通過28d 抗?jié)B試驗(yàn)和56d 電通量試驗(yàn)對混凝土的耐久性進(jìn)行檢測，隨著石粉產(chǎn)量的增加，抗?jié)B性能基本沒有影響，電通量隨著石粉產(chǎn)量的增而變小，復(fù)摻石粉和粉煤灰/礦粉進(jìn)一步降低了混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)[5]，各石粉摻量的混凝土抗?jié)B等級和電通量如表7 所示。

表7 各石粉摻量的混凝土抗?jié)B等級和電通量

3 結(jié)論

（1）自產(chǎn)碎石廠石粉過0.075mm 篩后細(xì)度能達(dá)到Ⅱ級粉煤灰要求，石粉替代粉煤灰50%以內(nèi)7d 活性指數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)石灰石粉性能要求，石粉替代粉煤灰25%以內(nèi)28d 活性指數(shù)滿足粉煤灰性能要求，石粉中碳酸鈣含量較標(biāo)準(zhǔn)石灰石粉低，亞甲藍(lán)值偏高，需水量較粉煤灰偏高。

（2）隨著石粉摻量的增加，混凝土含氣量明顯上升，坍落度和擴(kuò)展坍落度變小，在石粉替代粉煤灰50%以后，含氣量和坍落度變化較明顯，混凝土流動性變差，開始出現(xiàn)輕微沉底現(xiàn)象。成型混凝土試件抗壓強(qiáng)度隨之減小，石粉取代粉煤灰50%以后28d 抗壓強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。石粉摻量對混凝土耐久性的影響不明顯，抗?jié)B性能幾乎沒有影響，電通量有一定減小。

綜合考慮石粉性能、混凝土工作性、抗壓強(qiáng)度和耐久性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用自產(chǎn)碎石廠石粉取代粉煤灰應(yīng)用是可行的，替代粉煤灰的比例宜控制在50%以內(nèi)，即替代混凝土配合比中膠凝材料的12.5%以內(nèi)應(yīng)用。