宋小兵，任達(dá)元，張軒偉，夏京亮，王晶，關(guān)青鋒，周永祥

（1.中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 西安 710021；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；3.建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

0 引言

機(jī)制砂作為一種從巖石破碎而成的混凝土細(xì)骨料，當(dāng)前已經(jīng)成為天然砂不可或缺的替代品。相對于圓潤干凈的天然砂，機(jī)制砂含有大量粒徑小于75 μm 的石粉，目前對于機(jī)制砂的研究集中于石粉對混凝土性能的影響及其定量化[1-3]。為慎重起見，某些工程將機(jī)制砂石粉認(rèn)同為泥粉，導(dǎo)致機(jī)制砂在實(shí)際工程中的推廣遇到不同程度的限制。

在云南彌蒙鐵路的建設(shè)中，工程沿線缺乏天然砂，但是礦石資源相對豐富，大規(guī)模利用機(jī)制砂替代天然砂勢在必行。經(jīng)前期調(diào)研，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)厝狈Ψ翔F路建設(shè)要求的粉煤灰資源，因此需要進(jìn)一步考慮采用在機(jī)制砂生產(chǎn)中收集的石粉替代部分粉煤灰，以制備出兼具技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)效益的混凝土。當(dāng)前關(guān)于利用石粉作為礦物摻合料的研究較為廣泛，李顏秀等[4]的研認(rèn)為，摻片麻巖石粉會降低混凝土的工作性和抗壓強(qiáng)度。張亞舟等[5]的研究表明，火成巖石粉、粉煤灰、礦粉按照6∶2∶2 的質(zhì)量比復(fù)合可對混凝土抗壓強(qiáng)度起最佳提高作用。謝春磊等[6]的研究認(rèn)為，石粉-粉煤灰-偏高嶺土多元復(fù)合摻合料對混凝土的抗壓強(qiáng)度有提高作用。李北星和周明凱[7]的研究認(rèn)為，對于C30、C60、C80 混凝土，石粉替代粉煤灰的比例若分別未超過75%、75%、100%，則石粉可起到接近Ⅱ級甚至是Ⅰ級粉煤灰的作用。田建平等[8]的研究認(rèn)為，11%粉煤灰和7%石粉可以產(chǎn)生良好的復(fù)合疊加效應(yīng)。

雖然現(xiàn)有研究對石粉用在混凝土制備中已取得某些共識，但是對于石粉在不同場合下的最佳摻量尚存在不同看法。本文針對云南彌蒙鐵路的建設(shè)背景和原材料性能，對石粉替代粉煤灰對鐵路混凝土力學(xué)性能和耐久性能的影響進(jìn)行詳細(xì)探討，總結(jié)石粉替代粉煤灰的適宜比例。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）石灰石機(jī)制砂：石粉含量10.2%，細(xì)度模數(shù)2.94，表觀密度2690 kg/m3，需水量比103%，MB 值0.75，單級最大壓碎指標(biāo)16.5%，松散堆積密度1600 kg/m3，松散堆積空隙率41%。

（2）石粉：石灰石質(zhì)，粒徑小于75 μm，流動度比106%，需水量比98%，MB 值0.5，比表面積900 m2/kg，密度2655 kg/m3，含水量0.41%，7 d 活性指數(shù)70%。

（3）碎石：采用5～10 mm、10～20 mm、20～31.5 mm 碎石按2∶5∶3 的質(zhì)量比混合制得，混合后針片狀顆粒含量為0.6%，壓碎指標(biāo)為8.7%。

（4）水泥：文山海螺P·O42.5 水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27.1%，比表面積326 m2/kg，初、終凝時間分別為161、246 min，3、28 d抗壓強(qiáng)度分別為32.2、57.5 MPa。

（5）粉煤灰：貴州黔電力盤南電廠F 類Ⅱ級，細(xì)度（45 μm篩篩余）13.2%，28 d 活性指數(shù)74%。

（6）減水劑：云南宸磊建材有限公司聚羧酸高效減水劑，固含量30.2%，減水率28%。

1.2 試驗(yàn)配合比和試驗(yàn)方法

設(shè)計混凝土強(qiáng)度等級分別為C30 和C40，研究機(jī)制砂石粉替代粉煤灰對混凝土性能影響的配合比如表1所示，膠凝材料由水泥、粉煤灰和石粉組成，固定水泥摻量為80%，粉煤灰與石粉總摻量為20%，石粉替代粉煤灰，摻量分別為0、10%、20%，粉煤灰摻量依次為20%、10%、0，水膠比保持不變，減水劑總摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.65%。混凝土漿體拌合完畢后，按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試漿體坍落度和擴(kuò)展度，此后將漿體裝入塑料模具中，靜置于25 ℃室內(nèi)環(huán)境中24 h 后脫模。試件脫模后，立即轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試3、7、28、56 d 立方體抗壓強(qiáng)度（試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm），測試28、56 d 靜力受壓彈性模量（試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm）；按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試56 d 電通量、120 d 干燥收縮、56 d 碳化性能和150次凍融循環(huán)性能，試件依次為直徑φ100 mm×高50 mm 圓柱體、100 mm×100 mm×512 mm 棱柱體、100 mm×100 mm×300 mm 棱柱體和100 mm×100 mm×400 mm 棱柱體。

表1 不同機(jī)制砂石粉摻量混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 石粉摻量對混凝土工作性的影響（見表2）

表2 機(jī)制砂石粉摻量對混凝土工作性的影響

由表2 可知：

（1）當(dāng)漿體中僅含粉煤灰或機(jī)制砂石粉時，混凝土的和易性均不如復(fù)摻粉煤灰和石粉的試樣，說明在表1 配合比下，復(fù)合摻用粉煤灰和石粉比單摻石粉或粉煤灰對混凝土的工作性能更有利。這是因?yàn)椋悍勖夯翌w粒光滑圓潤，在新拌混凝土中可充當(dāng)“滾珠”作用；機(jī)制砂石粉可通過其小粒徑填充在漿體空隙中，降低空隙中自由水滯留量，達(dá)到減水效應(yīng)。

（2）C40 混凝土的工作性能比C30 更佳，這是因?yàn)镃40混凝土中膠凝材料用量較多，拌合過程中有更多漿體包裹骨料，增大漿體的流動性。

2.2 石粉摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響（見圖1、圖2）

圖1 機(jī)制砂石粉摻量對C30 混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 機(jī)制砂石粉摻量對C40 混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1 可見，在3 d 和7 d 齡期，石粉替代粉煤灰對C30混凝土抗壓強(qiáng)度沒有明顯影響。當(dāng)齡期延長到28 d 時，石粉替代50%粉煤灰對樣品強(qiáng)度影響較大，抗壓強(qiáng)度從C30-2-0組的56.3 MPa 降低到50.8 MPa，降幅達(dá)到9.7%；若石粉進(jìn)一步替代100%粉煤灰，則在該齡期下抗壓強(qiáng)度被削弱程度尚未明顯，C30-2-2 組的28 d 抗壓強(qiáng)度僅比C30-2-1 低2.8 MPa，為52.1 MPa。養(yǎng)護(hù)到56 d 齡期時，3 組試樣的抗壓強(qiáng)度差距進(jìn)一步擴(kuò)大：當(dāng)摻合料全為粉煤灰時，混凝土的抗壓強(qiáng)度為61.8 MPa；當(dāng)石粉替代50%粉煤灰時，抗壓強(qiáng)度降至54.8 MPa，降幅達(dá)到11.3%；而當(dāng)石粉替代100%粉煤灰時，則混凝土的56 d 抗壓強(qiáng)度為52.1 MPa，僅為C30-2-0 組的84%。

由圖2 可見，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C40 時，石粉替代粉煤灰對抗壓強(qiáng)度的影響更顯著。齡期為3 d 時，未摻石粉組抗壓強(qiáng)度為44.9 MPa，石粉分別替代50%、100%粉煤灰后混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為40.5、36.3 MPa，較未摻石粉組分別降低了9.8%、19.2%。當(dāng)齡期達(dá)到28 d 時，石粉替代粉煤灰?guī)淼膹?qiáng)度削弱效應(yīng)更顯著，未摻石粉組抗壓強(qiáng)度為66.8 MPa，石粉分別替代50%、100%粉煤灰后混凝土的抗壓強(qiáng)度較未摻石粉組分別降低了11.5%、26.3%。繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至56 d 齡期對C40 三組樣品抗壓強(qiáng)度的提高作用不大，雖然C40-2-1 組抗壓強(qiáng)度與C40-2-0 組的差距稍稍縮小，但C40-2-2 組與C40-2-0組的抗壓強(qiáng)度上差異依然大于15 MPa（達(dá)到16.5 MPa）。

綜合圖1 和圖2 可以發(fā)現(xiàn)，石粉替代粉煤灰對C40 混凝土抗壓強(qiáng)度的削弱作用大于對C30 混凝土的，但C40-2-2、C30-2-2 組的56 d 抗壓強(qiáng)度均高于50 MPa，滿足強(qiáng)度等級設(shè)計要求。李北星等[9]的研究得出，對于摻粉煤灰的混凝土，石粉以3.5%、7.0%、10.5%、14.0%等質(zhì)量替代粉煤灰時，試樣抗壓強(qiáng)度先提高后降低。本文石粉替代粉煤灰比例為10%、20%，強(qiáng)度呈單調(diào)遞減規(guī)律，與其結(jié)論相接近。粉煤灰具有火山灰活性，能夠通過二次水化效應(yīng)、“滾珠效應(yīng)”、稀釋效應(yīng)等改善混凝土孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土強(qiáng)度[10]。關(guān)于石粉影響混凝土性能的作用機(jī)理，目前獲得普遍認(rèn)可的主要包括微晶核效應(yīng)、填充效應(yīng)以及化學(xué)活性效應(yīng)，本文中膠凝材料總量不變，雖然不管石粉替代多少粉煤灰，新拌混凝土的漿體量均保持一致，但總體上石粉作為傳統(tǒng)上被認(rèn)為是惰性物質(zhì)的材料，其對水泥基膠凝材料體系水化的促進(jìn)作用有限。石粉替代粉煤灰后，會減少產(chǎn)生膠凝性的膠凝材料含量，表現(xiàn)出稀釋效應(yīng)，從而減少了單位體積水泥基材料的水化產(chǎn)物C-S-H、Ca（OH）2等的含量[11]，并在其自身微顆粒表面與膠凝材料間引入薄弱界面，導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能降低[12]。如圖1、圖2，石粉替代粉煤灰的比例越高，混凝土的56 d 抗壓強(qiáng)度被削減得越厲害。

2.3 石粉摻量對混凝土彈性模量的影響（見表3）

表3 石粉摻量對混凝土彈性模量的影響

由表3 可見，在28 d 和56 d 齡期時，石粉替代50%、100%粉煤灰均會造成硬化混凝土彈性模量的降低；對C30 等級混凝土而言，粉煤灰被石粉全部替代后，彈性模量下降幅度有限，但對于C40 混凝土，礦物摻合料全部采用石粉會造成56 d 彈性模量比使用粉煤灰低16.6%。同時，混凝土彈性模量數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的規(guī)律也很好地驗(yàn)證了抗壓強(qiáng)度的發(fā)展趨勢。

2.4 石粉摻量對混凝土耐久性能的影響

2.4.1 石粉摻量對混凝土電通量和碳化深度的影響（見表4）

由表4 可見：

（1）當(dāng)石粉以0、50%、100%逐步取代粉煤灰時，硬化混凝土的56 d 電通量急劇增大。C30-2-1、C40-2-1 兩組樣品的56 d 電通量分別為1141、1023 C，尚低于1200 C。若摻合料全部為石粉，C40-2-2 組的電通量為1593 C，C30-2-2 組的電通量則高達(dá)1952 C，說明混凝土孔結(jié)構(gòu)、密實(shí)性能等不斷在劣化，進(jìn)一步印證了抗壓強(qiáng)度、彈模的變化規(guī)律。

表4 石粉摻量對混凝土電通量和碳化深度的影響

（2）當(dāng)石粉以0、50%、100%逐步取代粉煤灰時，C30 和C40混凝土的碳化深度均出現(xiàn)不同程度的上升。例如養(yǎng)護(hù)至56 d時，C30-2-0、C30-2-1 和C30-2-2 的碳化深度分別為6.5、7.3、9.2 mm；C40-2-0、C40-2-1 和C40-2-2 的碳化深度分別為5.1、5.7、6.1 mm。可見機(jī)制砂石粉的惰性降低了水化產(chǎn)物生成總量，劣化硬化漿體孔結(jié)構(gòu)，二氧化碳等侵蝕介質(zhì)更容易侵入漿體內(nèi)部，通過中性化消耗漿體的堿儲備。

（3）C40 混凝土碳化深度比C30 混凝土低，主要是因?yàn)镃40 混凝土水膠比更小，混凝土硬化過程中可生成更多水化產(chǎn)物填充空隙，同時較少的用水量可降低漿體硬化后毛細(xì)孔中自由水含量，生成更致密的微觀結(jié)構(gòu)，提高抗碳化性能。

2.4.2 石粉摻量對混凝土抗凍融性能的影響

采用機(jī)制砂石粉替代粉煤灰對混凝土抗凍融性能的影響如圖3所示。在凍融循環(huán)作用下，混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔逐漸吸水至臨界飽水度，在過大冰晶壓力作用下出現(xiàn)體積膨脹，漿體剝落破損，裂縫逐漸出現(xiàn)、延長或變寬，導(dǎo)致混凝土動彈性模量急劇下降。

圖3 石粉摻量對C40 混凝土抗凍融性能的影響

由圖3 可知，石粉替代粉煤灰對混凝土抗凍融性能的影響相差不大，C40-2-0、C40-2-1 和C40-2-2 在150 次凍融循環(huán)內(nèi)的相對動彈性模量下降趨勢接近，在125～150 次凍融循環(huán)次數(shù)之間降低到60%以下。其中C40-2-1 組在測試期間內(nèi)相對動彈模下降速率相對較小，可能是因?yàn)榉勖夯液蜋C(jī)制砂石粉的協(xié)同作用改善了新拌漿體的和易性，利于制備更加均勻密實(shí)的漿體，細(xì)化了漿體毛細(xì)孔徑和增大了漿體孔結(jié)構(gòu)的連通復(fù)雜程度?？傮w而言，機(jī)制砂石粉替代粉煤灰對機(jī)制砂混凝土抗凍性能影響較低。

2.4.3 石粉摻量對混凝土干燥收縮性能的影響

機(jī)制砂石粉摻量對低品質(zhì)粉煤灰鐵路混凝土體積穩(wěn)定性的影響如圖4所示。干燥收縮的大小間接反應(yīng)了混凝土開裂應(yīng)力的高低?；炷猎跐仓尚?、硬化后，若出現(xiàn)過高的干燥收縮，會促使硬化漿體內(nèi)逐漸儲備越來越高的開裂拉應(yīng)力，一旦達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度，漿體將出現(xiàn)裂縫，這些裂縫隨著收縮行為和外界荷載的作用持續(xù)變深和變寬，進(jìn)而為外界腐蝕介質(zhì)侵蝕水化產(chǎn)物和鋼筋提供條件，嚴(yán)重?fù)p害混凝土的服役壽命。一般來說，石粉含量增多，混凝土干燥收縮愈為顯著。

圖4 石粉摻量對混凝土干燥收縮的影響

由圖4 可見，混凝土的干燥收縮率隨石粉替代率增大而上升。比如120 d 時，C30-2-0、C30-2-1 和C30-2-2 干燥收縮率分別為345×10-6、366×10-6和379×10-6；C40-2-0、C40-2-1 和C40-2-2 干燥收縮率分別為376×10-6、384×10-6和398×10-6。對比C30 和C40 混凝土，發(fā)現(xiàn)C40 混凝土總體干燥收縮率更大，這是因?yàn)镃40 混凝土膠凝材料用量更大，其產(chǎn)生的化學(xué)收縮更加嚴(yán)重，再加上干燥過程中的失水作用，最終出現(xiàn)更劇烈的收縮行為。

為進(jìn)一步探討石粉替代率對混凝土干燥收縮的影響，以120 d 收縮率為干燥收縮終值，定義每組樣品干燥收縮率達(dá)到其終值的一半為收縮半衰期，干燥收縮終值的一半與收縮半衰期的比值為半衰期收縮率[13]，各組樣品的收縮半衰期和半衰期收縮率如表5所示。

表5 各組樣品的收縮半衰期和半衰期收縮率

由表5 可見，當(dāng)石粉替代粉煤灰時，混凝土干燥收縮半衰期呈現(xiàn)不同程度的縮短；隨著石粉替代率的增大，混凝土半衰期收縮率增大，說明石粉替代粉煤灰會加快混凝土收縮行為。

石粉顆粒的粒形、粒徑與顆粒分布均會對混凝土工作性、力學(xué)性能和長期性能產(chǎn)生影響[7，9，14]。我國優(yōu)質(zhì)粉煤灰供小于求，施工單位轉(zhuǎn)而采用性能稍差的粉煤灰，利用石粉替代部分粉煤灰所能達(dá)到的效果往往難以達(dá)到理想狀況。因此，雖然利用機(jī)制砂石粉作為部分礦物摻合料能在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上均取得一定效益，但是其取代率仍需慎重選擇。

3 結(jié)論

（1）石粉和粉煤灰復(fù)摻時，能發(fā)揮各自對新拌漿體和易性的改善作用，使復(fù)摻漿體的工作性優(yōu)于單摻漿體。

（2）石粉以50%、100%比例替代粉煤灰會在不同程度地降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，其對C40 混凝土的削弱作用大于對C30 混凝土的。

（3）石粉替代粉煤灰對C30 混凝土的彈性模量影響不大，但會明顯降低C40 混凝土的彈性模量。

（4）石粉替代粉煤灰會增大C30、C40 混凝土的56 d 電通量，加劇混凝土干燥收縮，降低硬化混凝土的抗碳化性能，但對抗凍融性能影響不大。