机制砂生产收尘石粉作矿物掺合料对混凝土性能的影响*

李 广 吕敦祥 李北星 邓俊双

(1.江西省交通工程集团有限公司 南昌 330000；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

近年来，关于岩石粉粉磨至一定细度作矿物掺合料替代水泥配制混凝土的应用，主要集中在石灰岩、花岗岩和玄武岩等岩石粉[1-4]，尤其是石灰石粉因其良好的减水效应、微集料填充效应和晶核效应而应用较为广泛[5]，而片麻岩石粉在混凝土中的应用研究较少。先前少量相关研究中，李颜秀等[6-7]认为单掺片麻岩石粉会降低混凝土的工作性能和抗压强度，但片麻岩石粉与粉煤灰、矿粉的三元复合掺合料对混凝土的工作性、强度、收缩和电通量等均有所改善。云甲[8]研究了磨细片麻岩石粉对混凝土力学及抗冻性能的影响，认为片麻岩石粉代水泥的掺量以10%为宜。

江西省宜春至遂川(宜遂)高速公路项目建有1条台时产量100 t/h的干法机制砂生产线，制砂母岩为当地的片麻岩岩石，机制砂生产中通过除尘和风选设备收集到机制砂总产量约8%的废石粉，即每小时会排放8 t左右的石粉副产物。为解决这些片麻岩石粉废弃物外运堆存造成的占地和环境污染问题及项目当地粉煤灰掺合料资源紧缺、价格较高的问题，基于固废就地资源化利用的原则，探寻了将片麻岩机制砂生产场的收尘石粉不进行任何后期加工而直接替代粉煤灰用作矿物掺合料的可行性。不同岩石粉的性能差别很大，上述片麻岩收尘石粒多呈片状，粒度较水泥和粉煤灰粗，有碍于微集料填充作用的发挥，组成矿物中又含有少量绿泥石和云母等层状铝硅酸盐矿物，作为矿物掺合料对混凝土的工作性可能会有一定影响。为此，本文拟研究片麻岩收尘石粉的理化特性，通过制备不同石粉替代率的混凝土来进行工作性、力学性能和耐久性的研究，并通过孔结构测试分析石粉的微集料填充作用。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

试验用水泥为 P·O 42.5水泥，其28 d抗压、抗折强度分别为48.1,7.8 MPa；粉煤灰为F类II级粉煤灰，其细度(45 μm 筛余)为24.1%，烧失量为2.1%，流动度比88%，28 d强度活性指数为76%。

粗骨料为5～31.5 mm连续级配片麻岩碎石，由粒径5～10 mm小石、10～20 mm中石和16～31.5 mm的大石按质量比2∶5∶3搭配而成，其压碎值为12.8%，含泥量为0.72%；细集料为10～20 mm片麻岩碎石在楼站式单独干法制砂生产线中加工所得的机制砂，其细度模数为2.92，压碎指标为19.0%，石粉含量为5.3%，MB值为0.51 g/kg。

石粉为上述片麻岩机制砂干法生产时收尘器收集的石粉。石粉的化学成分见表1。

表1 片麻岩石粉的化学成分

该石粉的主要化学成分为SiO2和Al2O3，两者含量占整体的75%以上，有害物质SO3含量小于0.5%。射线衍射图谱(XRD)分析结果见图1。

图1 片麻岩石粉XRD图谱

由图1可见，其矿物组成主要是α-石英、钾长石、钠长石，还含有少量绿泥石和白云母。

外加剂采用聚羧酸高效减水剂，固含量18.5%，减水率20%。

1.2 混凝土配合比

由于片麻岩石粉属于惰性矿物质材料，不能直接参与水化反应，故本研究的片麻岩收尘石粉以等质量替代粉煤灰作矿物掺合料的方式掺入混凝土中。表2是石粉不同替代率(以占胶凝材料总质量分数表示)的混凝土配合比，其中石粉与粉煤灰替代水泥的总掺量固定为20%，基准配合比GP0设计为粉煤灰掺量20%的C40混凝土，GP20代表石粉替代率20%的混凝土。

表2 掺片麻岩石粉的混凝土配合比与工作性能

1.3 试验方法

石粉的物理性能参照T/CECS 645-2019《石粉在混凝土中应用技术规程》进行测定。

新拌混凝土坍落度和扩展度试验依据GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行；硬化混凝土强度按GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行试验，抗压强度和劈拉强度试件尺寸均为150 mm×150 mm×150 mm；硬化混凝土抗氯离子渗透性依据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的电通量法测定；混凝土碳化试验按照GB/T 50082-2009进行，试件养护28 d后开始碳化。

混凝土孔结构采用压汞法进行测试。试件养护达到 28 d完成劈拉强度测试后，从断面切取10 mm左右见方的不含碎石的砂浆块，使用无水乙醇终止水泥水化。试验前将待测试样在60 ℃烘箱中烘干3 h后冷却至室温，再采用AutoPore Iv 9510高性能全自动压汞仪进行孔结构测试。

2 试验结果与分析

2.1 石粉的物理性能

石粉的颗粒形貌电子电镜分析(SEM)结果见图2。

图2 片麻岩石粉颗粒形貌SEM照片

由图2可见，片麻岩石粉颗粒呈片状和不规则状形状，且表面粗糙。图3为石粉的激光粒度分析，石粉的中值粒径D50为39.3 μm，较水泥和粉煤灰均偏粗。

图3 片麻岩石粉的粒径分布图

片麻岩石粉的物理性能测定结果见表3，并给出了T/CECS 645-2019标准中B型石粉的技术要求。由表3可知，石粉的45 μm筛余小于45%，石粉的7，28 d抗压强度比超过60%，均符合T/CECS 645-2019标准要求，不过石粉中仍有超过20%数量的颗粒其粒径大于75 μm；石粉的MB值低于1.4 g/kg，但石粉的流动度比与标准要求的95%还有较大差距。另外，与试验所用II级粉煤灰相比，石粉的45 μm方孔筛筛余较粉煤灰大很多，且28 d强度活性指数也低于粉煤灰。据此推测，该机制砂收尘石粉具有作为混凝土矿物掺合料的潜力，但与II级粉煤灰相比，其需水性较大，强度活性指数偏低。

表3 片麻岩石粉的物理性能

2.2 石粉代粉煤灰对混凝土工作性能的影响

以混凝土达到相近工作性(出机坍落度(200±20)mm或扩展度(500±30)mm)所需要的减水剂掺量为指标来评价不同掺量石粉替代粉煤灰配制的混凝土工作性。在水胶比和用水量等配比参数一定情况下，减水剂需用量越大，意味着混凝土工作性越低。由表2混凝土的减水剂掺量可以看出，与基准样GP0相比，石粉掺量5%的混凝土所需减水剂掺量增加不大；当石粉掺量大于5%再进一步增加时，减水剂掺量随之显著增大，其中石粉掺量15%，20%的混凝土GP15、GP20的减水剂掺量较基准样GP0分别提高了27.8%，38.9%。

片麻岩石粉代粉煤灰作掺合料降低混凝土工作性的主要原因有以下两方面：①片麻岩石粉颗粒形状为片状和不规则状且表面粗糙多棱角(见图2)，需要更多的水来包裹其颗粒表面，而粉煤灰颗粒表面光滑致密、多呈球形，在混凝土中可起到润滑作用，因此石粉无法提供类似于粉煤灰的“滚珠效应”，从而导致混凝土工作性变差；②片麻岩石粉组成矿物中含有少量云母和绿泥石等层状铝硅酸盐矿物，尤其是绿泥石是一种特殊的2∶1型含水的层状铝硅酸盐矿物，其物理吸附和阳离子交换吸附较强，对减水剂存在一定的吸附作用，随着石粉掺量的增加对减水剂的吸附量也会相应增大[9]。

2.3 石粉代粉煤灰对混凝土强度的影响

石粉替代粉煤灰对混凝土抗压和劈裂强度的影响分别见图4。

图4 片麻岩石粉替代粉煤灰对混凝土强度的影响

由图4可知，随着石粉替代率的增加，混凝土的抗压和劈拉强度均呈先增后降趋势，当石粉替代率5%时，抗压和劈拉强度均达最大值。当石粉替代率进一步增大时，强度则开始逐步下降，石粉替代率10%，15%，20%的混凝土28 d龄期抗压强度较基准样分别降低5.5%，7.5%和12.3%，28 d劈拉强度较基准样分别下降3.4%，16.5%，29.9%，其中石粉替代率为10%的混凝土抗压和劈拉强度降低率在5%左右，而替代率达15%时，混凝土劈拉强度则显著降低。

5%片麻岩石粉替代提高混凝土强度与其通过粒度优化提高水泥-粉煤灰-石粉胶凝材料体系的密实度有关[10]。但由于片麻岩石粉为惰性石粉，不能参与水化，粒度也较粉煤灰粗，微集料填充效应不如粉煤灰，替代粉煤灰相当于减少了实际胶凝材料用量，降低了水化产物数量，加之片麻岩石粉的粒形多为片状，会在砂浆中形成薄弱面，故当石粉替代率超过10%后，混凝土的强度则降低，尤其是抗拉强度明显降低。因此，石粉的替代率宜控制在5%～10%，以维持混凝土较高的强度。

2.4 石粉代粉煤灰对混凝土耐久性能的影响

电通量指标用于评价混凝土抵抗水和离子等介质向内渗透的能力，片麻岩石粉替代粉煤灰对混凝土电通量的影响见图5。

图5 片麻岩石粉替代粉煤灰对混凝土电通量的影响

由图5可见，随着片麻岩石粉掺量的增加，混凝土的28,56 d电通量呈先降后增的变化规律。与基准样相比，石粉替代率5%的混凝土56 d电通量下降3.6%，这主要与少量片麻岩石粉替代粉煤灰后，石粉的填充效应改善了混凝土孔结构而减少或阻止氯离子的渗透有关；当石粉替代率为10%时，混凝土56 d电通量增加11.1%，石粉替代率15%，20%时，混凝土的56 d电通量增加49.2%和93.6 %，表明石粉替代比例超过10%后，混凝土电通量快速增加，即抗氯离子渗透性显著降低，这主要是因为片麻岩石粉只有物理填充作用，而不像粉煤灰对氯离子具有化学结合作用[11]。

图6为石粉替代率不同的4组混凝土的碳化试验结果。

图6 片麻岩石粉替代粉煤灰对混凝土抗碳化性能的影响

由图6可知，4组混凝土在碳化初期碳化深度差异较小，随着碳化时间的延长，差异逐渐增大。相较于基准样GP0，石粉替代率5%的GP5混凝土 28 d碳化深度减小，抗碳化性能最佳，而石粉替代率超过10%后混凝土碳化深度则高于基准样，抗碳化性能变差，这与石粉替代10%粉煤灰后混凝土的密实度降低有关。

2.5 石粉代粉煤灰对混凝土孔结构的影响

为揭示片麻岩石粉替代粉煤灰对混凝土性能影响的机理，采用压汞法对4组混凝土试样28 d的孔结构进行了测定，结果见表4和图7、图8。

表4 片麻岩石粉替代粉煤灰的混凝土孔结构特征参数

图7 片麻岩石粉代粉煤灰的混凝土孔径分布积分曲线

图8 片麻岩石粉代粉煤灰的混凝土孔径分布柱状图

由表4可知，石粉替代率5%的GP5混凝土的孔隙率和平均孔径略低于基准样GP0，最可几孔径与基准样相同；当石粉替代率为10%时，混凝土孔隙率、平均孔径和最可几孔径则较基准样分别提高了17.1%，19.2%和25.1%；石粉替代率20%时，上述3个孔结构特征参数显著高于基准样。

从图7孔径分布积分曲线可以看出，GP5试样的累计进汞量最低，其次为GP0，而GP10和GP20的累积进汞量显著增加，这与上述孔隙率随石粉替代率的变化规律相同。

由图8的孔径分布统计结果可知，4组混凝土中，GP5试样20 nm以下的无害孔和20～50 nm的少害孔数量最多，大于200 nm的多害孔数量最低，表明5%的石粉替代粉煤灰细化了混凝土的孔隙；GP10、GP20试样中20 nm以下的无害孔和20～50 nm的少害孔数量相对基准样降低，大于200 nm的多害孔数量明显增加，说明当石粉替代比例达到或超过10%后，混凝土的孔结构发生了粗化。

综上所述，5%石粉替代粉煤灰可以在一定程度上改善混凝土的孔结构，当石粉替代率达到或超过10%，则会粗化混凝土的孔结构，这也是本研究中混凝土的力学性能与耐久性随石粉替代率的增大而呈先增强后减弱的主要原因之一。

3 结论

1)片麻岩机制砂收尘石粉的细度、抗压强度比和MB值符合T/CECS 645-2019标准要求，但流动度比低于标准要求的95%指标。与II级粉煤灰相比，石粉的细度偏粗、需水量偏高、活性偏低。

2)随着片麻岩石粉对粉煤灰替代率的增加，混凝土达到同等工作性所需减水剂掺量增加，力学性能和耐久性均呈先增加后降低趋势。当石粉替代率为5%时，混凝土的抗压和劈拉强度最高，电通量和碳化深度最低，石粉替代率为10%时，混凝土力学性能指标有所下降，但降低率仅5%左右，耐久性指标也维持一个较高水平。

3)片麻岩石粉替代率为5%时，混凝土的孔结构得以细化，而当石粉替代率达10%及以上时，则会增大混凝土的孔隙率，增加孔隙中大尺寸多害孔的比例，从而降低混凝土的力学性能和耐久性。

综合考虑混凝土的工作性、力学性能和耐久性能，采用片麻岩机制砂收尘石粉代粉煤灰作掺合料是可行的，替代率以内掺胶凝材料总量的5%～10%为宜。