响岩机制砂石粉含量对混凝土性能的影响

肖志敏，万永旺

(中交四航局第一工程有限公司，广州 510000)

东非肯尼亚首都内罗毕存在大量的响岩矿，内罗毕附近工程项目大多采用响岩机制砂作为细骨料。响岩属于火成岩，主要矿物成分有碱性长石、副长石、碱性辉石和碱性角闪石。我国对机制砂的应用研究较多，但大多集中在石灰岩、花岗岩、玄武岩、凝灰岩等岩石。周永祥等人[1]系统地研究了石灰石粉对混凝土性能的影响规律。谢慧东[2]通过试验认为石灰石粉的加入不仅可以改善混凝土工作性能，还可提高混凝土抗压强度。邓蕾[3]对花岗岩机制砂混凝土的性能进行了研究，发现机制砂会显著的影响混凝土的流变性能，增大拌合物的塑性强度。雷涛[4]研究发现玄武岩石粉能改善混凝土的工作性能，但对后期的强度增长效应不及粉煤灰。除此之外， Shend等[5]人研究发现，机制砂的颗粒形状对混凝土的性能影响不大，而机制砂中的石粉对混凝土的性能影响更为显著。因此，有学者对不同石粉含量混凝土性能进行了试验研究。王稷良[6]测试了不同石粉含量对不同强度等级混凝土的影响，发现当石灰石粉含量大于7%时，高强机制砂混凝土工作性出现劣化。张鹏举[7]采用绿泥岩粉等质量取代机制砂，结果表明含量超过10%会减缓混凝土抗压强度的发展。雷涛[4]研究表明玄武岩石粉能改善混凝土的性能，但其掺量不宜大于10%。杨海成[8]利用花岗岩石粉制备C80混凝土，当石粉含量为4.5%～6.5%时制备的高强混凝土工作性良好。

上述研究为确定响岩机制砂合理的石粉含量提供一定的参考，但响岩机制砂石粉含量对混凝土性能的影响研究较少。该文以肯尼亚内罗毕的响岩机制砂为细骨料配制C30、C50混凝土，研究石粉含量对响岩机制砂混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能的影响，为响岩机制砂在肯尼亚内罗毕快速路混凝土工程的应用提供一定的参考依据。

1 试 验

1.1 原材料

1)水泥：采用肯尼亚当地生产的CEMⅠ42.5水泥，凝结时间为初凝165 min，终凝267 min，标准稠度用水量为26%，3 d抗压强度27.1 MPa，28 d抗压强度为52.3 MPa。

2)细骨料：采用肯尼亚内罗毕响岩机制砂，细度模数2.9，石粉含量3%，亚甲蓝值0.8，饱和面干吸水率2.3%，压碎值21.6%，坚固性12.8%。

3)粗骨料：采用肯尼亚响岩加工而成，粒径为5～25 mm连续级配碎石。

4)粉煤灰：印度进口Ⅱ级粉煤灰，细度(45 μm筛筛余)14.6%，需水量比98%。

5)石粉为响岩机制砂生产过程收集的石粉，细度为45 μm筛余23%。

6)外加剂采用聚羧酸系高性能减水剂，含固量为15.6%，减水率21.2%。

1.2 响岩机制砂混凝土配合比

参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)配制C30、C50强度等级混凝土，其中水灰分别为0.44和0.33；砂率分别为0.44和0.42，分别采用石粉含量为3%、6%、9%、12%的响岩机制砂配制混凝土，配合比见表1。

表1 试验混凝土配合比 w/(kg·m-3)

1.3 响岩机制砂混凝土试验方法

混凝土拌合物性能按照《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》GB/T50080—2016测试坍落度、扩展度、经时损失；力学性能按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081—2019进行测试，抗压强度采用正方形试块，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，抗压强度试验龄期为7 d、28 d、56 d，抗压弹性模量试验龄期为28 d、56 d；混凝土耐久性能按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082—2009进行，标养到规定时间后进行电通量和碳化测试。

2 结果与分析

2.1 响岩机制砂混凝土拌合物性能

该试验研究了不同石粉含量响岩机制砂对C30、C50混凝土拌合物的坍落度、扩展度及经时损失，如表2所示。同等级强度的混凝土随着石粉含量的增加，减水剂的用量增加，这与Gesolu[9]得出的结论一致，主要是由于石粉对减水剂具有一定的吸附作用且石粉的细度更高[10]。与此同时，当石粉掺量为12%时，C30减水剂用量为4.6 kg/m3，C50减水剂用量为7.9 kg/m3，分别比石粉含量为3%的机制砂配制C30、C50混凝土增加了7.0%、9.7%。此外，随着石粉含量的增加，C30、C50混凝土拌合物扩展度均有增大趋势，说明石粉的掺入有助于改善拌合物流动性。石粉含量对拌合物经时损失影响不明显，主要的原因是经时损失主要取决于水化产物生成三维胶结结构的程度，而混凝土配合比设计过程中控制水泥掺量不变，因此响岩石粉的掺入对流动度的保持影响较小。

表2 响岩机制砂石粉含量对混凝土工作性能的影响

2.2 响岩机制砂混凝土力学性能研究

适量的石粉有利于改善机制砂混凝土的和易性，且有利于提高混凝土密实度，可降低混凝土早期开裂的风险。然而，随着石粉含量的增加，超过一定范围之后，反而会降低混凝土结构的强度[7,11]。

为了解响岩机制砂石粉掺量对混凝土力学性能的影响，测试了C30、C50不同龄期的抗压强度如图1所示。从图中可以看出，对于C30混凝土，随着机制砂石粉含量的增加，混凝土的抗压强度逐渐增大，主要是因为石粉在混凝土中起到的微集料填充作用，使混凝土结构致密、强度提高。C30早期强度的增长主要原因是低强混凝土早期孔隙率较大，石粉的填充作用占主导作用，效果显著。对于C50混凝土，随着机制砂石粉含量的增加，混凝土强度先升高后降低，在石粉含量9%时抗压强度最高，石粉含量继续增加至12%时，C50混凝土3 d、7 d、28 d、56 d分别下降0.9%、3.7%、6.1%、7.3%，强度下降的主要原因是因为过多的石粉导致混凝土中有一部分游离态石粉，这部分石粉出现在水泥石或者混凝土的界面过渡区，将不利于集料与水泥石的胶结，宏观上表现为混凝土强度的下降[12]。由此可以看到，对于C30混凝土，当响岩机制砂石粉含量为12%时，对混凝土的抗压强度发展有利；对于C50混凝土，当响岩机制砂石粉含量为9%时，混凝土的抗压强度最优，继续提高石粉含量，混凝土抗压强度降低明显。

不同响岩机制砂石粉含量对混凝土弹性模量的影响如图2所示。对于C30混凝土，石粉含量的增加对其弹性模量的波动较小。然而对于C50混凝土来说，石粉含量在3%～9%之间时，其弹性模量持续提高；石粉含量超过9%后，混凝土的弹性模量开始降低。

2.3 混凝土耐久性能研究

2.3.1 抗氯离子渗透能力

该试验研究机制砂石粉含量对混凝土电通量的影响，试验结果如图3所示。首先对于C30混凝土来说，当响岩机制砂石粉从3%增加至12%时，不论28 d还是56 d其电通量均随石粉掺量的增加而减小，证明一定含量的响岩石粉促进了机制砂混凝土骨料的最紧密堆积，降低了混凝土结构内部的孔隙率。当石粉含量从9%增加到12%时，28 d、56 d电通量降低不明显，说明石粉对机制砂混凝土孔隙结构的积极影响作用已接近饱和。C50混凝土受石粉掺量的影响变化更加显著：响岩石粉掺量在3%～9%之间时，随着石粉掺量的不断增加，其电通量呈不断减小的趋势，这与C30混凝土的规律相一致。然而石粉掺量从9%增加到12%，C50其28 d电通量从1 764 C增加到1 904 C，56 d电通量从1 287 C增加到1 341 C，其电通量数值大小已提高到不掺石粉时的电通量。上述现象的主要原因在于：石粉掺入对混凝土结构具有双重作用。积极作用方面，石粉颗粒在混凝土中具有“微集料填充效应”、“微晶核效应”，可以降低混凝土的孔隙率，加速胶凝材料水化，从而使得结构体更加密实。负面作用主要指混凝土配合比中机制砂的总量是一定的，响岩石粉取代率的增加，意味着大颗粒机制砂含量的相对减少，游离的细石粉颗粒之间存在大量的界面过渡区，而界面过渡区正是混凝土结构中最薄弱环节，不利于混凝土结构耐久性的提高。C50混凝土中由于水胶比较低，结构相对密实，石粉填充效应不明显，多余的石粉对混凝土结构的负面作用占主导地位，进而导致电通量增大。

2.3.2 抗碳化性能

CO2气体通过孔隙或气泡等向混凝土内部扩散，和水发生作用生成碳酸，并与Ca(OH)2等碱性物质发生中和反应的过程称之为碳化。碳化会导致混凝土碱度下降，导致钢筋钝化保护膜失效，钢筋锈蚀，同时生成的碳酸钙等物质会增大孔隙率，造成结构耐久性损伤。因此，该试验通过测试不同石粉含量响岩机制砂对C30、C50混凝土碳化深度的影响，试验结果如图4所示。

由于C50混凝土相比于C30混凝土，水胶比低，有害孔比率小，宏观上表现为抗压强度高，碳化深度小。值得注意的是，石粉的含量对两种等级的混凝土抗碳化性能规律并不一致。对于C30混凝土，随着响岩石粉含量提高，其碳化深度不断降低，响岩机制砂石粉含量12%时混凝土碳化深度比石粉含量3%时混凝土3 d、7 d、14 d、28 d碳化深度分别下降了8.8%、12.2%、13.5%、12.5%。C30混凝土水胶比较高，石粉的掺入，填充了大量有害孔及连通孔，使得颗粒间的空隙减少，密实度提高，缓冲CO2渗透速度，其石粉的最佳掺量应在9%以上。然而，对于C50混凝土，相同碳化时间下，随着石粉掺量的增加，碳化深度呈现先降低后增加的趋势，石粉掺量为3%～9%时，碳化深度降低，石粉掺量超过9%，碳化深度开始增加。综上所述，响岩机制砂石粉的掺量存在一个最优值，不同强度等级的混凝土石粉最佳掺量并不一致，适量石粉的掺入可提高混凝土的抗碳化性能。

3 结 论

a.随着响岩机制砂石粉含量的增加，外加剂用量有所增加，混凝土拌合物和易性有所改善。

b.对于C30混凝土，随着机制砂石粉含量从3%提高至12%时，混凝土抗压强度和弹性模量有所提高；对于C50混凝土，随着机制砂石粉含量从3%提高至12%时，混凝土抗压强度和弹性模量先升高后降低，当石粉含量为9%时力学性能最优。

c.对于C30混凝土，随着机制砂石粉含量从3%提高至12%时，混凝土抗氯离子渗透性能和抗碳化性能有所提高；对于C50混凝土，随着机制砂石粉含量从3%提高至12%时，混凝土抗氯离子渗透性能和抗碳化性能先升高后降低，当石粉含量为9%时耐久性能最优。