隧道石粉取代膠凝材料對機制砂混凝土性能的影響

馬文榮

（中鐵八局集團第三工程有限公司，貴州 貴陽 550001）

0 引言

隨著基礎建設及交通運輸發展，混凝土使用量逐年上升，水泥需求量持續增長。水泥生產是高能耗、高污染傳統產業，原材料大量開采破壞了植被和生態。近年來，有學者研究用具有水硬活性的固體廢物替代水泥制備混凝土，但對通常認為不具備水硬活性的石粉摻入混凝土研究較少。

我國西南地區地勢復雜，多山多石，基礎建設伴隨大量的隧道施工，隧道掘進過程中產生了大量石粉，由于其粒度細小，運輸、儲存和應用比較困難。貴州地處內陸，基礎建設所需天然河砂需從外省運入，成本較高，因此，使用機制砂取代天然河砂制備混凝土具有資源優勢和成本優勢[1]。

國內外研究表明，石粉可促進混凝土中膠凝材料硅酸三鈣水化反應，其細小顆?？商畛浠炷羶炔靠紫禰2]，但尚無學者系統研究石粉對混凝土各項性能的影響，尤其是西南地區喀斯特地質條件下隧道掘進過程中產生的石粉在混凝土的應用未見報道。本文以隧道石粉為研究對象，用隧道石粉部分取代膠凝材料制備機制砂混凝土，分析測試不同石粉取代量和石粉細度對混凝土抗壓強度、抗硫酸鹽滲透性能、收縮量、抗氯離子滲透系數和碳化深度等性能的影響，為隧道石粉的綜合利用開辟新途徑，并節約膠材用量。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥：貴州某水泥廠生產的P·O42.5水泥；粉煤灰：貴州某發電廠的粉煤灰；石粉：中鐵八局集團某項目產生的隧道石粉、細度用45μm方孔篩篩余表示；減水劑：市場購買的聚羧酸減水劑；機制砂：來自貴州某機制砂廠。

1.2 試驗方法

依據JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規程》設計不同的混凝土用料配比。以不同比率的石粉取代混凝土中的膠凝材料，通過改變水膠比、石粉細度，研究摻入隧道石粉對機制砂混凝土抗壓強度、抗硫酸鹽侵蝕、收縮量、碳化深度及抗氯離子滲透性能等的影響。試驗條件見表1。根據不同混凝土配合比稱取水泥、粉煤灰、石粉和機制砂，按照不同水膠比稱量水，滴入1%聚羧酸減水劑混合均勻，在攪拌機中攪拌一定時間后成型[7]。

表1 試驗條件

混凝土抗壓強度依據GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》檢測，混凝土抗硫酸鹽侵蝕、收縮、碳化及抗氯離子滲透性能依據GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能與耐久性試驗方法標準》檢測。按照配合比制備出符合標準的混凝土試塊，放入養護室養護，到規定時間取出，測試混凝土的各項性能。

2 結果與討論

2.1 不同水膠比對混凝土抗壓強度影響

圖1為石粉摻量15%、石粉45μm方孔篩篩余15%，不同水膠比對混凝土抗壓強度影響。由圖1可見，混凝土抗壓強度隨水膠比增大而降低，水膠比從0.3增加到0.6，混凝土7d和28d的強度下降約50%，并在水膠比為0.5時變化趨勢出現拐點，強度降低趨于平緩?；炷恋膹姸扔赡z凝材料中的硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵相固溶體的水化產物提供，水膠比是影響混凝土抗壓強度的重要因素。水膠比小時，膠凝材料水化后孔隙較少，強度較高，但混凝土的流動性、和易性較差，施工難度大；水膠比大時，膠凝材料的水化產物不能與其他物質形成結實穩定的三維網狀結構，也不能完全填補水分反應或蒸發后留下的孔隙，使混凝土密實度和抗壓強度下降。根據圖1，水膠比為0.5，養護28d的抗壓強度滿足C30混凝土要求，因此后續試驗的水膠比選定為0.5。

圖1 抗壓強度隨水膠比變化

2.2 不同石粉取代膠材量對混凝土抗壓強度的影響

圖2為水膠比0.5、石粉45μm方孔篩篩余分別為15%和30%，不同石粉取代膠材量對混凝土抗壓強度的影響。由圖2可見，對于細度為15%和30%的機制砂混凝土，隨石粉取代膠材量增加，混凝土7d和28d抗壓強度下降；石粉取代量0-15%時，抗壓強度下降速率大于取代量為15%-30%時。固定水膠比和石粉細度，隨石粉用量增加，由于石粉顆粒細小，比表面積大，擁有較高表面能，浸潤需水量增大，間接導致用水量不足，膠凝材料水化進程減慢，同時，膠凝材料的減少也導致混凝土強度下降[3]。取代量為15%時下降速率改變，這是因為石粉可加快C3S水化，石粉取代量增大，一定程度加快了水泥水化，減緩用水不足及膠凝材料減少對混凝土抗壓強度的影響[4]。石粉細度在石粉取代膠材量0-20%時對抗壓強度影響不大，摻量大于20%、細度為30%的抗壓強度大于細度為15%的抗壓強度，因為細度30%的石粉顆粒比細度15%的顆粒具有較寬的粒徑分布范圍，能更好填充混凝土內部孔隙，從而提高抗壓強度。石粉取代膠材量為15%、石粉45μm方孔篩篩余30%、水膠比0.5，養護28d的機制砂混凝土抗壓強度大于34.5MPa，滿足C30混凝土強度要求。

圖2 抗壓強度隨石粉取代量的變化

2.3 不同石粉取代膠材量對混凝土長期性與耐久性的影響

圖3、圖4和圖5為不同石粉取代膠材量對混凝土抗硫酸鹽侵蝕、碳化試驗和抗氯離子滲透性能的影響。由圖3可見，抗硫酸鹽侵蝕試驗中，石粉取代膠材量與試件強度成反比，且30次循環侵蝕后的強度低于15次循環后的強度。由于石粉取代部分膠凝材料，使混凝土中提供強度的硅酸鹽水泥減少，同時使混凝土的密實度有所降低，低于對比試件。由圖4和圖5可見，石粉取代量0-10%時，碳化深度和抗氯離子滲透系數變化不大，石粉摻量大于10%時，這兩個指標的變化趨勢明顯?；炷恋奶蓟疃群吐入x子擴散系數與石粉取代膠材量為正比關系[5]，其碳化深度和氯離子腐蝕屬于點腐蝕[6]。少量石粉摻入可部分填充膠凝材料水化過程孔隙，使其性能變化不明顯，但石粉摻量越過10%后，膠凝材料被取代量較大，硅酸鹽水化產物不能有效粘結集料，使混凝土密實度有所下降，碳化深度和抗氯離子滲透系數急劇增大?；炷亮蛩猁}侵蝕后強度、碳化深度和氯離子擴散系數的變化速率在石粉取代膠材量為10%時發生突變。石粉取代膠材量小于10%時，石粉摻量較少，對膠凝材料水化影響小，混凝土孔隙率較小，對混凝土的抗硫酸鹽侵蝕、碳化深度和氯離子擴散系數影響相對較弱；當石粉取代量大于10%時，石粉對混凝土的不利影響較大，石粉用量的增多致使混凝土性能下降，水泥水化過程中石粉活性較弱，且易于積聚成團，增加混凝土內部孔隙，影響混凝土的各項性能[7]。

圖3 混凝土抗硫酸鹽侵蝕

圖4 混凝土碳化試驗

圖5 混凝土抗氯離子滲透試驗

2.4 不同石粉取代膠材量對混凝土收縮量的影響

圖6為石粉取代膠材量對混凝土收縮量的影響。由圖6可見，在水膠比為0.5、石粉細度15%，增加石粉取代膠材量時，養護1d和7d后混凝土收縮量變化不明顯，28d后收縮量變化較大。養護1d和7d后，摻入石粉和未摻石粉混凝土的收縮量基本相同，這是因為短時間內膠凝材料未完全水化，混凝土中還包含較多自由水。養護28d收縮變化較明顯，混凝土收縮量隨石粉摻量的增加而波動，加入石粉后混凝土收縮量基本小于未摻入石粉的混凝土，這是因為石粉粒度細小，可以很好填充自由水反應或蒸發后留下的孔隙，致使混凝土收縮量相對較小?；炷潦湛s量隨石粉摻量的增加而波動，合適的石粉摻量可降低混凝土收縮量，當石粉摻量為15%時，混凝土收縮量小于未摻入石粉的混凝土。

圖6 混凝土收縮量

3 結論

本文以隧道石粉為研究對象，用隧道石粉部分代替膠凝材料制備機制砂混凝土，分析測試石粉細度、水膠比和石粉摻量對混凝土抗壓強度、抗硫酸鹽侵蝕、碳化深度、抗氯離子擴散系數和收縮量的影響，結論如下：

1）石粉取代膠材量為15%、石粉45μm方孔篩篩余30%、水膠比0.5時，養護28d的機制砂混凝土抗壓強度大于34.5MPa，滿足C30混凝土強度要求。

2）當水膠比、石粉細度固定時，混凝土的抗壓強度、抗硫酸鹽侵蝕、碳化深度、抗氯離子擴散系數等隨石粉取代膠材量的增加而降低。

3）混凝土收縮量隨石粉摻量的增加而波動，合適的石粉摻量可降低混凝土收縮量。