高含泥量无机胶凝材料混凝土试验探究

陈伟 李倩 黄勇 斯毅

（1.新疆交通建设集团股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830016；2.新疆交建公路规划勘察设计有限公司，新疆 乌鲁木齐 830016；3.新疆农业职业技术学院，新疆 昌吉 830000）

随着全国2020年农村脱贫目标的实现和“十四五”规划中对脱贫工作的巩固，新疆各等级道路和相应基础设施均迎来较大发展机遇，尤其是农村基础设施得到了进一步完善。新疆天然砂砾各项物理性能指标良好，被广泛应用于各种基础设施建设中。相关行业标准对混凝土中粗、细集料含泥量指标作出了要求，如表1所示。天然砂砾无法直接用于水泥混凝土，主要因素为含泥量影响混凝土强度，并且利用现有常用无机胶凝材料固化高含泥量集料所形成的混凝土，其各项物理力学指标很难满足规范要求，后期病害严重。针对新疆地区天然砂砾含泥量大的特点，可通过提升、改善一般常用胶凝材料的性能，实现天然砂砾直接用于混凝土拌和，达到就地取材、减少人为资源开采保护环境的目的，且混凝土质量并未降低，满足强度和使用要求。

一、高含泥量无机胶凝材料分析

（一）化学成分分析

水泥中主要胶凝成分为硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF），本文通过傅里叶红外光谱对比分析了高含泥量无机胶凝材料和新疆天山水泥（P.O-42.5）的主要化学成分，如图1所示，利用不同官能基团对能量吸收的差异，发现水泥四大主要成分有明显特征峰存在，通过对不同特征峰的识别和面积计算，可深入分析不同胶凝材料的性能。从图1光谱对比中，可看到高含泥量无机胶凝材料和普通硅酸盐水泥在主要胶凝成分上具有相似的特征峰，且波形一致。在1410cm-1和1128cm-1处，两种胶凝材料波峰面积累计总和分别是60263和54516，说明加入的活性SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分在与普通硅酸盐水泥研磨后使主要胶凝物质明显增加，Si-Al官能团含量提高约10%，可促进水化产物的形成。

表1 混凝土含泥量要求（%）

图1 水泥红外光谱对比分析图

（二）胶砂强度分析

通过上述红外光谱分析，高含泥量无机胶凝材料活性物质含量有所增加，理论上胶砂强度有所提高。本文通过水泥胶砂强度分析了两种胶凝材料的固化特性，试验采用相同的胶砂比和水灰比，其中在高含泥量无机胶凝材料胶砂试验中，为了验证对含泥量包容性更强，以0.075mm以下细颗粒物替换了20%的标准砂用量，细颗粒物取自天然砂砾。两种材料胶砂强度试验结果如表2所示，在不同龄期下普通硅酸盐水泥胶砂抗压、抗折强度值与高含泥量无机胶凝材料相比均要低一些，在相同龄期内抗压强度后者约为前者的1.1倍至1.2倍，28d抗折强度后者约为前者的1.2倍，在大含泥量条件下高含泥量无机胶凝材强度有较大提升。结果表明：加入活性SiO2、Al2O3、Fe2O3和碱性环境后，普通硅酸盐水泥胶凝性能得到较大改善，水化作用和水化产物含量得到提升。

表2 不同胶材胶砂试验结果

二、混凝土性能分析

（一）混凝土强度分析

新疆天然砂砾分布广泛，论文选取5个地方的天然砂砾（粒径颗粒、含泥量不同），用高含泥量无机胶凝检测混凝土抗压、抗折强度，如表3所示。混凝土强度设定为C30，因含泥量较大，水灰比控制在0.6，未加减水剂和其他外加剂，胶材用量均为350kg/m3。从表3中可看到取样含泥量在10%上下浮动，按表1中C30混凝土集料含泥量要求，其远远大于4%，是规范要求的2倍至3倍。但在高含泥量无机胶凝材料作用下混凝土强度均可达到C30混凝土强度，且有部分富余量，同时抗折强度也较好，按照现行相关标准可满足中等交通等级技术要求。

表3 不同取样地混凝土强度

为了进一步分析高含泥量无机胶凝材料和普通硅酸盐水泥（P.O42.5）在胶凝固化性能上的差异，选取表3中哈密地区的两种天然砂砾分析混凝土强度变化规律，两种天然砂砾采用水洗法测得含泥量分别为17.6%（1#）和9.8%（2#），采用上述相同水灰比（0.6）和胶材用量（350kg/m3），实测强度如表4所示。

表4 不同胶凝材料混凝土实测强度

在表4中，不考虑集料级配结构对混凝土强度的影响，在相同水灰比下可看出普通硅酸盐水泥在高含泥量条件下胶凝性能受到显著影响，与高含泥量无机胶凝材料相比强度明显不足，在两种含泥量条件下均未达到设计强度要求。反观高含泥量无机胶凝材料，1#和2#集料混凝土28d抗压强度分别为33.2MPa和35.2MPa，且抗折强度也较高，分别为4.4MPa和4.9MPa。从试验结果可知，含泥量弱化了普通硅酸盐水泥的水化反应，小于0.075mm以下的细小颗粒物裹附在水化产物中，影响了水泥石和水泥石-集料界面整体强度的形成。

为了进一步分析相同含泥量条件下高含泥量无机胶凝材料的胶凝性能，利用电子显微镜得到了天然砂砾中0.075mm以下颗粒物分别与普通硅酸盐水泥和高含泥量无机胶凝材料水化反应后的微观结构图，如图2所示。从图2(a)可以看到，在普通硅酸盐水泥作用下，0.075mm以下颗粒物呈聚集性的分散状态，团状物之间没有胶结关系；而图2(b)中，在高含泥量无机胶凝材料作用下，颗粒物与颗粒物之间存在化学键的紧密搭接，并胶结为整体结构，说明高含泥量无机胶凝材料在活性SiO2、Al2O3、Fe2O3和碱性环境作用下，可激发细颗粒物（不大于0.075mm）中非活性或活性较低的硅、铝基团共同参与到水泥的水化反应中。

图2 细颗粒物与不同胶凝材料水化微观结构图

（二）混凝土抗冻性能分析

利用表4中哈密2#集料分别用普通硅酸盐水泥和高强无机胶凝材料分析混凝土抗冻性能，两种混凝土中均未添加引气剂，试验采用行业规范中的快冻法，冻融试验结果如表5所示。

可以看出，在相同冻融循环次数下，普通硅酸盐水泥混凝土与高含泥量无机胶凝材料混凝土相比质量损失严重，在冻融循环50次后，质量损失前者是后者的10倍左右，说明普通硅酸盐水泥混凝土结构在反复冻融条件下已遭到破坏，实测相对动弹模量如图3所示。

表5 不同水泥混凝土冻融试验结果

图3 相对动弹模量与冻融循环次数的关系

由图3可知，普通硅酸盐水泥混凝土在冻融循环30次至40次之间，相对动弹模量损失超过标准规范值，根据图像分析在大约34次冻融循环后相对动弹模量已低于60%。高含泥量无机胶凝材料混凝土相对动弹模量损失较为平缓，冻融循环50次后相对动弹模量剩余强度接近70%，在相同冻融次数下大约为普通硅酸盐水泥混凝土的1.6倍，说明高含泥量无机胶凝材料混凝土的抗冻性能更好。

（三）混凝土干缩性能分析

在前期混凝土性能分析基础上，监测了哈密2#集料两种胶凝材料的干缩变形，干缩率如图4所示。由图4可知，在不同龄期内普通硅酸盐水泥混凝土的干缩实测值明显大于高含泥量无机胶凝材料混凝土，说明在普通硅酸盐水泥作用下0.075mm细颗粒物在吸收大量水后以团聚现象分散在水化产物中，随着龄期的增长团聚细颗粒物内部自由水蒸发散失，致使干缩形变增强。而在图2(b)中高含泥量无机胶凝材料使0.075mm细颗粒物一同参与水化反应，自由水相对较少，且细颗粒物与水化胶凝物质相互融合，形成整体性和强度均较好的水泥石和水泥石-集料界面，因此混凝土结构干缩率小于普通硅酸盐水泥混凝土，具有良好的干缩性能。

图4 干缩率变化趋势

三、环境效益分析

从上述研究可以看出，高含泥量无机胶凝材料对高含泥量的天然砂砾有较好的固化效果，与传统混凝土相比，无需对原材料实施筛分和水洗等工艺。通过相关定额和生产调研，每立方米高含泥量无机胶凝材料混凝土原材料在筛分和水洗工艺中可节约柴油约1.3kg、电0.56kw·h、水0.39m3，结合《综合能耗计算通则》（GB/T2589）中柴油和原煤的CO2排放系数，计算得到每m3高含泥量无机胶凝材料混凝土可减少CO2排量4.37kg，具有一定环境效益。

四、结语

通过在普通硅酸盐水泥中加入活性SiO2、Al2O3、Fe2O3和碱性物质激发剂，可提升水泥胶凝性能，并可放宽混凝土原材料对含泥量的要求。经试验分析，主要结论如下：

1.通过傅里叶红外光谱分析，高含泥量无机胶凝材料中所添加的SiO2、Al2O3、Fe2O3等活性激发剂可使主要胶凝成分的硅、铝基团增加10%。在水泥胶砂试验中，高含泥量无机胶凝材料所用标准砂在用20%的0.075mm以下细颗粒物替代后胶砂强度并未降低，与常规水泥相比提高1.1倍至1.2倍，可激发细颗粒物（不大于0.075mm）中非活性或活性较低的硅、铝基团共同参与到水泥的水化反应中；

2.在新疆多地取料，天然砂砾含泥量在10%左右高含泥量无机胶凝材料仍表现出良好的胶凝性质，混凝土强度满足C30，且有一定富余；

3.天然砂砾含泥量为10%左右时，在高含量无机胶凝材料作用下混凝土的质量损失和相对动弹模量衰减指标完全小于常规水泥混凝土，抗冻性可达到常用硅酸盐水泥混凝土的1.6倍，同时实测不同龄期的干缩率也小于常用硅酸盐水泥混凝土，高含量无机胶凝材料混凝土具有良好的抗冻性能和干缩性能；

4.基于高含泥量无机胶凝材料特殊的作用机理，可将高含泥量（10%左右）天然砂砾作为混凝土原材料，无需筛分和水洗处理工艺，具有一定环境效益。