岩石粉作为矿物掺合料在混凝土中的应用研究进展

宋小兵，董化瑞，黄直久，夏京亮，周永祥，王晶

（1. 中铁十二局集团有限公司，山西 太原 030024；2. 中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

随着我国土木、水利、交通等基础设施建设及国家“一带一路”倡议的推进，作为最大宗土木工程材料的混凝土，全球用量达到50亿m3。矿物掺合料是混凝土的重要组成部分，随着我国基础设施的发展，一方面对混凝土的需求量越来越大，对混凝土的质量要求越来越高；另一方面优质的粉煤灰、矿渣粉等传统矿物掺合料逐渐匮乏，寻求合适的替代材料迫在眉睫。近年来，矿物掺合料从工业废渣扩展到天然矿物材料的趋势越来越明显，岩石粉应用是一个重要的研究方向，这与我国机制砂的推广使用紧密相关。机制砂在生产过程中会产生15%～20%的石粉，受到机制砂标准对石粉含量的限制，多余石粉的处理方式多为堆置或填埋，不仅浪费资源而且污染环境。天然岩石粉中以石灰石粉最有代表性，石灰石粉因其具有减水效应[1-2]和微集料效应[3-4]，作为掺合料取代水泥后能显著改善混凝土的工作性能和致密性，因而得到较为广泛的应用。总体而言，目前对天然岩石粉的研究以石灰石粉较为充分，其他岩石粉的研究则较少，为最大限度将其利用起来，研究岩石粉作为矿物掺合料对于推进机制砂应用具有重大意义。

1 岩石粉作为掺合料的相关标准规范

目前岩石粉作为矿物掺合料用于混凝土的标准主要是石灰岩石粉，其他天然岩石粉也有一定涉及。

1.1 国外现状

日本混凝土研究院（JCI）整理制定石灰石粉的质量标准及其应用于混凝土的方法指南，现在日本石灰石粉已广泛应用于高流动性混凝土和高性能喷射混凝土领域。

美国ACI212.1R-81《混凝土外加剂和外加剂在混凝土中的使用指南》中对石灰石粉作为混凝土矿物掺合料提出了技术指标要求。

欧洲水泥行业试行标准ENV-197：CEM-II-L（石灰石波特兰水泥）作为一种单独类型的水泥品种分为：CEM-II-L（A）——石灰石粉掺量5%～20%；CEMII-L（B）——石灰石粉掺量21%～35%。

德国水泥行业标准中的石灰石硅酸盐水泥II/A-L，水泥熟料占80%～90%、石灰石粉掺量6%～20%。

法国1979年制定的新水泥标准中的CPJ45R和CPJ55R，可复掺也可单掺石灰石粉，单掺石灰石粉量为10%～25%。

1.2 我国现状

国家标准GB/T 30190—2013《石灰石粉混凝土》规定了石灰石粉的技术指标，包括碳酸钙含量、细度、活性指数、流动度比、含水量、MB值等，并根据水胶比、结构形式和水泥种类的不同规定了石粉掺量。最大掺量为：水胶比≤0.40、钢筋混凝土、采用硅酸盐水泥时，掺量为35%。最小掺量为：水胶比＞0.40、预应力钢筋混凝土、采用普通硅酸盐水泥时，掺量为15%。

建筑工程行业标准JGJ/T 318—2014《石灰石粉在混凝土中应用技术规程》主要技术内容为总则、术语、原材料技术要求、混凝土性能、配合比、施工、质量检验，其中石灰石粉的术语为“以一定纯度的石灰石为原料，经粉磨至规定细度的粉状材料”。

铁路行业标准TB/T 3275—2018《铁路混凝土》和TB 10424—2018《铁路混凝土工程施工质量验收标准》中规定了石灰石粉用于铁路混凝土的技术指标，除MB值规定小于1.0严于国标规定，其他技术指标基本与国标一致。

福建省地方标准DBJ/T 13-243—2016《福建省石粉在混凝土中应用技术规程》把石粉的种类扩展到福建省的石灰石粉、大理岩石粉和花岗岩石粉。

但对于我国其他地区的大理岩石粉和花岗岩石粉，以及我国的玄武岩石粉、片麻岩石粉、石英岩石粉、白云岩石粉等，没有对应的标准对技术性能进行规定，造成生产企业无法控制除石灰岩之外的石粉质量，应用企业无法验收石粉质量是否合格，严重制约了岩石粉的推广应用。

2 岩石粉作为掺合料对混凝土性能的影响

2.1 工作性能

岩石粉种类不同对混凝土工作性能的影响也不同，如石灰石粉大多数的研究表明，其能够改善混凝土工作性能，特别是在掺加聚羧酸的情况下；而硅质岩石粉，如花岗岩石粉、片麻岩石粉、玄武岩石粉等，研究认为石粉含量的增加因显著提高需水性而降低了混凝土工作性能。

周永祥等[2]认为，石灰石粉对水和外加剂的吸附性小，但有加速混凝土拌合物坍落度损失的倾向。Ahmed等[5]发现混凝土在固定坍落度下的用水量随石粉含量的增加而不断提高。Joudi-Bahri等[6]研究得出当石粉含量在10%以内时，混凝土达到固定坍落度所需的用水量几乎保持不变，直到石粉含量超过10%后才开始增加。Topçu等[7]研究发现在水泥用量为200 kg/m3时，石粉（粉磨石灰岩，密度2.82 g/cm3，CaO含量55.6%）含量的增加提高了混凝土用水量，但当水泥用量增加到275 kg/m3和350 kg/m3后，用水量增加很小或几乎不增加也能达到相同的坍落度。

2.2 力学性能

由于岩石粉大多为惰性材料，对于混凝土而言起到填充作用，与同掺量的传统矿物掺量对比，降低了混凝土的力学性能，但岩石粉可作为水泥水化过程中的晶核，加速水泥早期水化，提高混凝土早期强度。杨松玲等[8]研究了辉绿岩石粉在混凝土中的应用，结果表明在水泥水化早期，辉绿岩石粉在网络状的水化硅酸钙凝胶生成过程中作为基体孔隙中的支点帮助水化产物延伸搭接，有利于水泥早期强度的发展。陈剑雄等[9]认为超细石灰石粉具有微集料效应、微晶核效应，能够促进C3S的水化，显著提高混凝土的抗压强度，对于早期抗压强度要求特别高的工程项目，超细石灰石粉具有较高的使用价值，且其最佳掺量约为10%。Zhou Mingkai等[10]研究认为石粉对水泥水化具有增强作用，石粉在水泥水化反应中起晶核作用，诱导水泥的水化产物析晶，加速水泥水化并参加水泥的水化反应，生成水化碳铝酸钙。陆平等[11-12]得出石灰石粉加速C3S的水化及与C3A的反应增加了早期强度等结论。Takami等[13]研究认为，采用比表面积接近水泥的石灰石粉等量取代水泥时，石灰石粉的掺量增加，混凝土的抗压强度降低；水泥用量不变的情况下，石灰石粉掺量增加，混凝土的抗压强度提高。Gutteridge等[14-15]的研究表明，在水灰比很低的情况下，随着石灰石粉掺量的增加，水泥的水化程度有所提高；而在高水灰比的情况下，水化产物随着石灰石粉掺量的增加而增加。Nehdi等[16]认为石灰石硅酸盐水泥具有较高的早期强度是因为石灰石粉加速了C3S的水化，尤其当石灰石粉磨得较细时，作用更明显；CaCO3能够和C3A反应，生成单碳铝酸盐，这种碳铝酸盐的作用可能与硫铝酸盐一样，能够增加早期强度。Vijayalakshmi等[17]研究花岗岩粉替代混凝土天然细骨料的可行性，试验结果表明，花岗岩石粉取代15%天然细骨料时，对混凝土的力学性能没有不利影响。

2.3 耐久性能

岩石粉作为矿物掺合料对于混凝土耐久性能影响的研究目前主要集中在抗碳化性能、抗冻性能和抗渗性能等方面。研究者一般认为岩石粉能够填充混凝土内部空隙，细化硬化浆体孔结构，从而改善抗渗性，对于其他耐久性能的影响不大。周永祥等[2]认为，对于C3O混凝土，20%石灰石粉等量取代粉煤灰，不会造成抗压强度、抗碳化性能、抗冻性能的下降；纯度较高的石灰石粉对细骨料体系MB值的影响与粉煤灰、矿渣粉类似。Hudson[18]研究认为，石灰石粉的掺入可提高集料的有效堆积，并填充了混凝土中的空隙，使混凝土的渗透通路被阻断，从而提高混凝土的抗渗透性能，并且随着石灰石粉掺量的增加，这种作用变得更明显。Tsivilis等[19]研究表明，石灰石粉的掺入可略微提高混凝土的抗氯离子渗透性能，这是由于石灰石粉的掺入改变了混凝土的孔结构。Torres等[20]研究表明，在不存在硫酸盐侵蚀的条件下，石灰石硅酸盐水泥具有好的稳定性和抗劣化性，而置于5 ℃、1.8%的硫酸镁溶液中的试件则呈现出很明显的劣化迹象，且随着石灰石粉的增加劣化加剧。Vijayalakshmi等[17]研究花岗岩粉替代混凝土天然细骨料的可行性，结果表明，花岗岩石粉取代15%天然细骨料时，对混凝土的耐久性能没有不利影响。

3 岩石粉作为掺合料的相关专利

国外岩石粉作为矿物掺合料的相关专利汇总见表1，美国、德国、日本、韩国等国家均对岩石粉应用方面的知识产权比较重视，主要内容包括石灰石粉及其处理工艺及在混凝土中的应用等方面。

表1 国外岩石粉作为矿物掺合料的相关专利汇总

表2 我国岩石粉作为矿物掺合料的相关专利汇总

我国岩石粉作为矿物掺合料的相关专利汇总见表2，天然岩石粉的知识产权主要集中在石灰石粉上，玄武岩粉、花岗岩粉、大理岩粉也有部分专利，其主要内容包括岩石粉矿物掺量和制备方面，以及岩石粉混凝土等。

目前岩石粉作为矿物掺合料在混凝土中应用的专利主要集中于石粉石和大理岩等钙质岩石，花岗岩、玄武岩、石英岩、片麻岩等硅质岩石相对较少，尤其是在改善硅质岩石粉作为矿物掺合料降低需水量比等方面，也是今后该研究方向上专利技术发展的重点。

4 存在问题及建议

（1）国内外对石灰石粉作为矿物掺合料用于水泥混凝土的研究较为广泛，研究内容涵盖石灰石粉对混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的影响等方面，为石灰石粉在工程实际混凝土中的应用奠定了基础，而对于其他岩石粉的研究相对较少且缺乏系统性，制约了其推广应用。

（2）当前岩石粉对于混凝土长期性能、收缩和徐变方面研究还较少，为促进其在预应力混凝土中的应用，建议今后加强该方面的研究。

（3）岩石粉作为矿物掺合料对于混凝土耐久性能的影响方面，研究成果目前尚未达成一致，尚需加强试验研究。

（4）目前国内外关于岩石粉作为矿物掺合料的标准规范主要集中在石灰石粉上，对于其他种类的岩石粉关注不够，需加强其他种类岩石粉的标准化研究工作。

（5）岩石粉作为矿物掺合料用于混凝土的主要研究成果多集中于应用方面，包括岩石粉掺量、岩石粉细度等对混凝土宏观性能的影响等，对于岩石粉胶凝材料体系的亚微观研究不够深入。