隧道石粉取代胶凝材料对机制砂混凝土性能的影响

马文荣

（中铁八局集团第三工程有限公司，贵州 贵阳 550001）

0 引言

随着基础建设及交通运输发展，混凝土使用量逐年上升，水泥需求量持续增长。水泥生产是高能耗、高污染传统产业，原材料大量开采破坏了植被和生态。近年来，有学者研究用具有水硬活性的固体废物替代水泥制备混凝土，但对通常认为不具备水硬活性的石粉掺入混凝土研究较少。

我国西南地区地势复杂，多山多石，基础建设伴随大量的隧道施工，隧道掘进过程中产生了大量石粉，由于其粒度细小，运输、储存和应用比较困难。贵州地处内陆，基础建设所需天然河砂需从外省运入，成本较高，因此，使用机制砂取代天然河砂制备混凝土具有资源优势和成本优势[1]。

国内外研究表明，石粉可促进混凝土中胶凝材料硅酸三钙水化反应，其细小颗粒可填充混凝土内部孔隙[2]，但尚无学者系统研究石粉对混凝土各项性能的影响，尤其是西南地区喀斯特地质条件下隧道掘进过程中产生的石粉在混凝土的应用未见报道。本文以隧道石粉为研究对象，用隧道石粉部分取代胶凝材料制备机制砂混凝土，分析测试不同石粉取代量和石粉细度对混凝土抗压强度、抗硫酸盐渗透性能、收缩量、抗氯离子渗透系数和碳化深度等性能的影响，为隧道石粉的综合利用开辟新途径，并节约胶材用量。

1 试验

1.1 试验材料

水泥：贵州某水泥厂生产的P·O42.5水泥；粉煤灰：贵州某发电厂的粉煤灰；石粉：中铁八局集团某项目产生的隧道石粉、细度用45μm方孔筛筛余表示；减水剂：市场购买的聚羧酸减水剂；机制砂：来自贵州某机制砂厂。

1.2 试验方法

依据JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》设计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胶凝材料，通过改变水胶比、石粉细度，研究掺入隧道石粉对机制砂混凝土抗压强度、抗硫酸盐侵蚀、收缩量、碳化深度及抗氯离子渗透性能等的影响。试验条件见表1。根据不同混凝土配合比称取水泥、粉煤灰、石粉和机制砂，按照不同水胶比称量水，滴入1%聚羧酸减水剂混合均匀，在搅拌机中搅拌一定时间后成型[7]。

表1 试验条件

混凝土抗压强度依据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》检测，混凝土抗硫酸盐侵蚀、收缩、碳化及抗氯离子渗透性能依据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能与耐久性试验方法标准》检测。按照配合比制备出符合标准的混凝土试块，放入养护室养护，到规定时间取出，测试混凝土的各项性能。

2 结果与讨论

2.1 不同水胶比对混凝土抗压强度影响

图1为石粉掺量15%、石粉45μm方孔筛筛余15%，不同水胶比对混凝土抗压强度影响。由图1可见，混凝土抗压强度随水胶比增大而降低，水胶比从0.3增加到0.6，混凝土7d和28d的强度下降约50%，并在水胶比为0.5时变化趋势出现拐点，强度降低趋于平缓。混凝土的强度由胶凝材料中的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁相固溶体的水化产物提供，水胶比是影响混凝土抗压强度的重要因素。水胶比小时，胶凝材料水化后孔隙较少，强度较高，但混凝土的流动性、和易性较差，施工难度大；水胶比大时，胶凝材料的水化产物不能与其他物质形成结实稳定的三维网状结构，也不能完全填补水分反应或蒸发后留下的孔隙，使混凝土密实度和抗压强度下降。根据图1，水胶比为0.5，养护28d的抗压强度满足C30混凝土要求，因此后续试验的水胶比选定为0.5。

图1 抗压强度随水胶比变化

2.2 不同石粉取代胶材量对混凝土抗压强度的影响

图2为水胶比0.5、石粉45μm方孔筛筛余分别为15%和30%，不同石粉取代胶材量对混凝土抗压强度的影响。由图2可见，对于细度为15%和30%的机制砂混凝土，随石粉取代胶材量增加，混凝土7d和28d抗压强度下降；石粉取代量0-15%时，抗压强度下降速率大于取代量为15%-30%时。固定水胶比和石粉细度，随石粉用量增加，由于石粉颗粒细小，比表面积大，拥有较高表面能，浸润需水量增大，间接导致用水量不足，胶凝材料水化进程减慢，同时，胶凝材料的减少也导致混凝土强度下降[3]。取代量为15%时下降速率改变，这是因为石粉可加快C3S水化，石粉取代量增大，一定程度加快了水泥水化，减缓用水不足及胶凝材料减少对混凝土抗压强度的影响[4]。石粉细度在石粉取代胶材量0-20%时对抗压强度影响不大，掺量大于20%、细度为30%的抗压强度大于细度为15%的抗压强度，因为细度30%的石粉颗粒比细度15%的颗粒具有较宽的粒径分布范围，能更好填充混凝土内部孔隙，从而提高抗压强度。石粉取代胶材量为15%、石粉45μm方孔筛筛余30%、水胶比0.5，养护28d的机制砂混凝土抗压强度大于34.5MPa，满足C30混凝土强度要求。

图2 抗压强度随石粉取代量的变化

2.3 不同石粉取代胶材量对混凝土长期性与耐久性的影响

图3、图4和图5为不同石粉取代胶材量对混凝土抗硫酸盐侵蚀、碳化试验和抗氯离子渗透性能的影响。由图3可见，抗硫酸盐侵蚀试验中，石粉取代胶材量与试件强度成反比，且30次循环侵蚀后的强度低于15次循环后的强度。由于石粉取代部分胶凝材料，使混凝土中提供强度的硅酸盐水泥减少，同时使混凝土的密实度有所降低，低于对比试件。由图4和图5可见，石粉取代量0-10%时，碳化深度和抗氯离子渗透系数变化不大，石粉掺量大于10%时，这两个指标的变化趋势明显。混凝土的碳化深度和氯离子扩散系数与石粉取代胶材量为正比关系[5]，其碳化深度和氯离子腐蚀属于点腐蚀[6]。少量石粉掺入可部分填充胶凝材料水化过程孔隙，使其性能变化不明显，但石粉掺量越过10%后，胶凝材料被取代量较大，硅酸盐水化产物不能有效粘结集料，使混凝土密实度有所下降，碳化深度和抗氯离子渗透系数急剧增大。混凝土硫酸盐侵蚀后强度、碳化深度和氯离子扩散系数的变化速率在石粉取代胶材量为10%时发生突变。石粉取代胶材量小于10%时，石粉掺量较少，对胶凝材料水化影响小，混凝土孔隙率较小，对混凝土的抗硫酸盐侵蚀、碳化深度和氯离子扩散系数影响相对较弱；当石粉取代量大于10%时，石粉对混凝土的不利影响较大，石粉用量的增多致使混凝土性能下降，水泥水化过程中石粉活性较弱，且易于积聚成团，增加混凝土内部孔隙，影响混凝土的各项性能[7]。

图3 混凝土抗硫酸盐侵蚀

图4 混凝土碳化试验

图5 混凝土抗氯离子渗透试验

2.4 不同石粉取代胶材量对混凝土收缩量的影响

图6为石粉取代胶材量对混凝土收缩量的影响。由图6可见，在水胶比为0.5、石粉细度15%，增加石粉取代胶材量时，养护1d和7d后混凝土收缩量变化不明显，28d后收缩量变化较大。养护1d和7d后，掺入石粉和未掺石粉混凝土的收缩量基本相同，这是因为短时间内胶凝材料未完全水化，混凝土中还包含较多自由水。养护28d收缩变化较明显，混凝土收缩量随石粉掺量的增加而波动，加入石粉后混凝土收缩量基本小于未掺入石粉的混凝土，这是因为石粉粒度细小，可以很好填充自由水反应或蒸发后留下的孔隙，致使混凝土收缩量相对较小。混凝土收缩量随石粉掺量的增加而波动，合适的石粉掺量可降低混凝土收缩量，当石粉掺量为15%时，混凝土收缩量小于未掺入石粉的混凝土。

图6 混凝土收缩量

3 结论

本文以隧道石粉为研究对象，用隧道石粉部分代替胶凝材料制备机制砂混凝土，分析测试石粉细度、水胶比和石粉掺量对混凝土抗压强度、抗硫酸盐侵蚀、碳化深度、抗氯离子扩散系数和收缩量的影响，结论如下：

1）石粉取代胶材量为15%、石粉45μm方孔筛筛余30%、水胶比0.5时，养护28d的机制砂混凝土抗压强度大于34.5MPa，满足C30混凝土强度要求。

2）当水胶比、石粉细度固定时，混凝土的抗压强度、抗硫酸盐侵蚀、碳化深度、抗氯离子扩散系数等随石粉取代胶材量的增加而降低。

3）混凝土收缩量随石粉掺量的增加而波动，合适的石粉掺量可降低混凝土收缩量。