李顏秀 ，周永祥 ，夏京亮 ，劉康 ，楊元喜

（1.西南交通大學，四川 成都 610031；2.中國建筑科學研究院，北京 100013；3.陜西瑞德寶爾投資有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

隨著基礎設施的發(fā)展，一方面，對混凝土的需求量越來越大，對混凝土的質量要求越來越高；另一方面，優(yōu)質的粉煤灰、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。近些年，礦物摻合料從工業(yè)廢渣擴展到天然礦物材料的趨勢越來越明顯，天然巖石粉應用是一個重要的研究方向，這與我國機制砂的推廣使用緊密相關。機制砂在生產過程中會產生15%～20%的石粉，受到機制砂標準對石粉含量的限制，多余石粉的處理方式多為堆置或者填埋[1]，不僅浪費資源而且污染環(huán)境。近年來有研究表明[2]，將礦物摻合料復合使用，既能充分發(fā)揮自身性能，還能產生協(xié)同與疊加效應。天然巖石粉為惰性石粉，本身活性較低，單獨使用在一定程度上會降低混凝土的力學性能，將天然巖石粉配制成復合礦物摻合料應用是一種有效途徑[3]。

目前，對石灰石粉的研究較多[4-8]，石灰石粉因其具有減水效應和微集料效應，因而得到廣泛的應用。但不同巖石粉性能差別很大，陜西地區(qū)出產的片麻巖石粉吸附性較強，作為摻合料取代水泥后對混凝土的工作性有一定的影響。為合理利用這種地域性材料，本文研究片麻巖石粉及其復合摻合料對混凝土性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：金隅P·O42.5水泥，其相關物理力學性能指標見表1。

表1 水泥的物理力學性能指標

（2）粉煤灰：Ⅱ級，細度（45μm 篩篩余）10%，需水量比96%，7d活性指數(shù)71%，28d活性指數(shù)74%。

（3）礦渣粉：S95級，燒失量0.4%，7 d活性指數(shù)63%，28 d活性指數(shù)101%。

（4）巖石粉：陜西瑞德寶爾投資有限公司提供的片麻巖石粉（GN），7 d活性指數(shù)為65%，28 d活性指數(shù)為61%；云南某公司提供的石灰石粉（LS），7 d活性指數(shù)為60%，28 d活性指數(shù)為61%。片麻巖石粉主要由SiO2和Al2O3組成，主要化學成分見表2。

表2 天然巖石粉的主要化學成分 %

（5）細骨料：天然河砂，細度模數(shù)2.49，Ⅱ區(qū)中砂，其級配曲線如圖1所示。

圖1 天然河砂的級配曲線

（6）粗骨料：粒徑5～20mm，連續(xù)級配，吸水率0.5%。

（7）減水劑：建研昆侖有限公司的聚羧酸高性能減水劑，固含量為23.4%，減水率為29.5%。

1.2 試驗方法

參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》對混凝土工作性能進行試驗；參照GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》對混凝土力學性能進行試驗；參照GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》對混凝土長期性能和耐久性能進行試驗。

采用表3的配合比配制混凝土，對比陜西地區(qū)片麻巖石粉及其復合摻合料和粉煤灰替代水泥對混凝土性能的影響，并對比片麻巖石粉復合摻合料和石灰石粉復合礦物摻合料替代水泥對混凝土性能的影響，摻合料摻量固定為膠凝材料質量的30%。

表3 混凝土的配合比 kg/m3

2 結果與分析

2.1 混凝土的工作性能

在保證工作性基本相同的情況下，各組混凝土的減水劑摻量（折固，按占膠凝材料質量計）和工作性能見表4。

表4 摻合料種類對混凝土工作性能的影響

由表4可見，在保證工作性基本相同的情況下，單摻片麻巖石粉組的減水劑摻量最大，為1.48%，單摻粉煤灰組所用的減水劑最少，為0.82%，片麻巖石粉和粉煤灰復合后所需減水劑的摻量為1.14%，比單摻片麻巖石粉組降低了20%，說明復合后產生了疊加效果，對混凝土的工作性有所改善，片麻巖石粉本身的工作性較差，和粉煤灰復合后性能得到一定程度的改善。P-4為片麻巖石粉和粉煤灰、礦渣粉三元復合，其工作性狀態(tài)和減水劑摻量與P-3組相近。S-4的減水劑摻量較P-4少，說明相同情況下石灰石粉的工作性比片麻巖石粉好。

2.2 混凝土的力學性能（見圖2）

對比圖2中P-1～P-4試樣可知，單摻片麻巖石粉的混凝土抗壓強度最低，片麻巖石粉為惰性石粉，不參與水化，取代水泥相當于減少了實際膠凝材料用量，隨著齡期的延長，總的水化產物量減少，故強度降低；片麻巖石粉與粉煤灰復摻，對混凝土后期強度有改善，但提升幅度不大；片麻巖石粉和粉煤灰、礦渣粉三元復摻的效果最佳，混凝土早期抗壓強度比單摻粉煤灰高，后期抗壓強度與單摻粉煤灰相當，說明片麻巖石粉復合礦物摻合料對混凝土的抗壓強度有所貢獻。

圖2 各組混凝土在不同齡期的抗壓強度

對比圖2中P-4、S-4試樣可知，石灰石粉復合的效果比片麻巖石粉復合的效果更佳，產生了超疊加效果，一方面，石灰石粉具有一定的減水效果，改善了拌合物的工作性能；另一方面，石灰石粉具有微弱的水化活性，能夠與鋁酸鹽礦物反應生成三碳水化鋁酸鈣和單碳水化鋁酸鈣，且單碳型水化鋁酸鈣可與其他水化產物搭接，有助于提高混凝土的密實性[9]。摻片麻巖石粉三元復合摻合料的混凝土抗壓強度，早期與石灰石粉復合摻合料組相當，片麻巖石粉為惰性石粉，在體系中可分散水泥顆粒，防止水泥絮凝，加速水泥水化，在后期，片麻巖石粉不參與水化，故強度略低，但基本和單摻粉煤灰的P-1組持平。

2.3 混凝土的耐久性能

2.3.1 早期收縮性能

收縮對混凝土影響很大，有效改善混凝土的收縮對工程安全性和耐久性有重要意義。試驗采用CABE-NES型非接觸式混凝土收縮變形測定儀對單摻粉煤灰組和片麻巖石粉復合礦物摻合料組對混凝土早期收縮進行試驗。圖3為72 h的混凝土早期收縮情況。

圖3 3組混凝土的早期收縮性能

從圖3可以看出：P-3和P-4組的收縮率比P-1組小，且P-3組的收縮最小，P-3組為粉煤灰和片麻巖石粉復合，片麻巖石粉為惰性石粉不參與水化，所以P-3組的早期收縮比P-1組小，體系中部分粉煤灰被片麻巖石粉替代，水化反應的量減少，總的體積變化減小，化學收縮減小。P-4組為片麻石粉和粉煤灰、礦渣粉三元復合，其收縮率比P-3組大，說明片麻巖石粉和粉煤灰復合對早期收縮改善效果比片麻巖石粉三元復合效果更好。3組試件都放在收縮室養(yǎng)護，環(huán)境溫度和濕度都一致，自收縮和干縮的量近似認為是一致的。

2.3.2 抗氯離子滲透性能

采用RCM法測試5組試樣混凝土的28 d氯離子擴散系數(shù)，試驗結果見表5。

表5 5組混凝土的28 d氯離子擴散系數(shù)

由表5可見，P-2組混凝土的28 d氯離子滲透擴散系數(shù)最大，和P-1組相比，P-2組中摻入的為惰性片麻巖石粉，片麻巖石粉的顆粒形貌沒有粉煤灰的規(guī)整，且不具備粉煤灰的滾珠效應，因此降低了水泥水化速率，從而減少了體系的水化產物，降低了體系致密性；P-1和P-4組的28 d氯離子滲透擴散系數(shù)很接近，說明摻片麻巖石粉復合礦物摻合料對提高體系致密程度有貢獻；對比P-3和P-4組可知，摻片麻巖石粉和粉煤灰的P-3組比摻片麻巖石粉、礦渣粉和粉煤灰組的P-4組的28 d氯離子滲透擴散系數(shù)大，說明片麻巖石粉和粉煤灰復合后的體系致密程度較三元復合差，一方面是因為三元復后的微集料填充效應，顆粒搭配更密實，減小了總的孔隙率；另一方面是因為礦渣粉的活性比粉煤灰的高，其活性成分與水化產物Ca（OH）2發(fā)生水化產生的C-S-H凝膠能夠填充過渡區(qū)的孔隙，改善過渡帶的性能。對比P-4和S-4組可知，石灰石粉三元復合比片麻巖石粉三元復合更有利于提高混凝土體系的密實性。

2.3.3 密實性

5組混凝土試樣的28 d電通量見表6。

表6 5組混凝土的28 d電通量

由表6可見，5組試件的28 d電通量都在2000～4000 C，根據JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗評定標準》中混凝土氯離子抗?jié)B性能等級劃分依據，5組混凝土為等級Q-Ⅱ，P-2組單摻片麻巖石粉的電通量最大，石粉的摻入減少水泥用量，水化產物減少，混凝土內部填充不密實，致密程度降低。S-4組的電通量最小，且P-4組的電通量和P-1組很接近，均低于P-3組，說明片麻巖石粉和粉煤灰、礦渣粉三元復合的混凝土密實性比片麻巖石粉和粉煤灰復合的效果好，且可以達到粉煤灰的致密程度。說明復合摻合料能有效改善混凝土的致密程度。礦物摻合料的火山灰效應、填充效應和對氯離子的初始固化能力是抗氯離子滲透性的3個重要因素[10]，復合礦物摻合料中部分活性摻合料被惰性摻合料替代，在一定程度上降低了體系的火山灰效應，但顆粒大小的不一致可以使體系的填充效應更佳。

3 結論

（1）摻片麻巖石粉的混凝土工作性能較差，片麻巖石粉和粉煤灰、礦渣粉復合后工作性得到改善，復合礦物摻合料是改善片麻巖石粉混凝土工作性的有效途徑，相同復合摻合料情況下，石灰石粉組的工作性比片麻巖石粉組好。

（2）片麻巖石粉與粉煤灰復合摻入對混凝土抗壓強度略有改善，與粉煤灰、礦渣粉三元復合的效果最佳，三元復摻混凝土的早期抗壓強度高于單摻粉煤灰組，后期抗壓強度基本和單摻粉煤灰組持平。片麻巖石粉復合后效果比石灰石粉復合后效果稍差。

（3）片麻巖石粉與粉煤灰復摻比片麻巖石粉和粉煤灰、礦渣粉三元復摻混凝土的早期收縮率小，但是密實性后者較好。片麻巖石粉復合礦物摻合料能有效降低混凝土的早期收縮，有效改善混凝土以電通量表征的密實性。