岩石粉对普通混凝土工作性能与长龄期强度的影响

刘方，何涛，夏京亮，王中文，荣国城，谭立心，关青锋

（1.保利长大工程有限公司，广东 广州 510620；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；3.国家建筑工程技术研究中心，北京 100013）

0 引言

我国房建、交通、水利等基础结构建设的推进需要大量混凝土材料，同时对混凝土材料的质量与成本不断提出多样化需求。随着自密实混凝土、粉末混凝土和超高性能混凝土等新型混凝土的发展，混凝土强度等级逐渐升高，意味着混凝土水胶比降低，胶凝材料用量逐渐增大，水泥消耗量增多，对能源消耗与碳排放控制带来新挑战。为降低水泥用量，常采用优质矿物掺合料（如粉煤灰、矿渣粉等）替代部分水泥制备混凝土，然而传统矿物掺合料种类有限，地域分布明显，生产量逐渐难于满足市场需求，亟需寻找新型矿物掺合料。

与此同时，机制砂大规模制备过程中往往同时产生约20%岩石粉[1]，由于机制砂应用标准对机制砂石粉含量有严格限制，多余的石粉不得不采用填埋、露天堆放的方式处理。而石材生产行业亦会产生各类岩石粉废料，主要采用自然丢弃处理，对环境保护、资源节省和旅游服务产生不利影响。因此，国内外较多研究尝试采用不同类型岩石粉替代部分水泥制备各强度等级的绿色环保型混凝土[2-7]。然而，由于目前的文献多数仅集中研究某一类岩石粉对混凝土性能的影响，无法形成全面的理解，得出的结论往往出现偏差乃至矛盾。另一方面，现有岩石粉混凝土研究仅测试180 d内各项性能，缺乏长龄期强度发展规律数据，难以形成全面、合理的研究结论。

为了形成岩石粉混凝土强度经时演变规律，本文采用花岗岩、片麻岩、玄武岩和石灰岩石粉分别取代部分水泥制备不同水胶比普通混凝土，并以粉煤灰混凝土为基准组，测试新拌浆体的工作性能与长龄期强度，揭示岩石粉、龄期、水胶比对混凝土基本性能的影响规律以及岩石粉混凝土抗压-抗拉强度的关系。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·Ⅰ42.5水泥，密度3.15g/cm3，比表面积349m2/kg，初、终凝时间分别为138、218 min；粉煤灰：Ⅱ级，细度（45μm筛筛余）13.1%，烧失量2.5%，7、28 d活性指数分别为71%、74%；岩石粉：采用4类不同来源地区的天然岩石粉，包括片麻岩（PM）、玄武岩（XW）、花岗岩（HG）和石灰岩（SH），基本性能见表1，主要化学成分见表2；细骨料：河砂，细度模数2.5，表观密度2640 kg/m3；粗骨料：5～20 mm连续级配花岗岩碎石，表观密度2668 kg/m3，吸水率0.5%：聚羧酸减水剂：固含量23.4%；拌合水：自来水。

表1 天然岩石粉的基本性能

表2 天然岩石粉的化学成分 %

1.2 试验配合比

采用不同岩石粉等质量取代20%水泥制备混凝土，并以粉煤灰混凝土为基准组。为对比水胶比对岩石粉混凝土性能的影响，设计0.47和0.32水胶比，分别对应C30和C60混凝土，相关配合比如表3所示，编号中的SH、HG、XW、PM分别代表石灰岩石粉、花岗岩石粉、玄武岩石粉、片麻岩石粉，FA代表粉煤灰，数字为混凝土强度等级。

表3 岩石粉混凝土的配合比 kg/m3

1.3 试验方法

依据GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》对混凝土新拌浆体坍落度和扩展度进行测试。混凝土搅拌完毕后，立即成型100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，置于温度为（23±1）℃室内环境静置养护24 h脱模，移入标准养护室内养护，当龄期达到3、7、28、90、180、360、540、720、1080 d时，每组配合比取3个试件，参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行立方体抗压强度和劈裂抗拉强度测试。

2 试验结果与分析

2.1 新拌混凝土的工作性能（见表4）

表4 不同石粉新拌浆体的坍落度和扩展度

由表4可见，相比于粉煤灰混凝土，掺20%各类石粉整体上会对混凝土的工作性能产生不利影响，与现有研究结果一致[8-9]。粉煤灰与各岩石粉的细度接近，但粉煤灰含有圆球形玻璃珠，可通过“滚珠效应”促进浆体流动；岩石粉颗粒粗糙，表面棱角分明，填充在浆体孔隙时增大不同组分颗粒之间的摩擦，同时石粉颗粒比表面积更大，形成颗粒表面水膜时需要吸附更多自由水，降低了供浆体流动的水分含量，故对浆体流动性能产生负面影响[10]。片麻岩石粉的MB值稍高，导致PM组浆体需水量稍大，浆体流动性略低。有研究表明[2，11]，不同岩石粉矿物组成对石粉颗粒表面Zeta点位和减水剂吸附率影响显著，成分单一、结构密实与矿物溶解度高的岩石粉（如石灰岩石粉）可增大Zeta电位负电性，降低减水剂吸附率，含有石英、云母和长石等的岩石粉（如花岗岩石粉）通过插层吸附令其颗粒对减水剂吸附率明显高于其他岩石粉。

另一方面，表4还表明，岩石粉的掺入对C60混凝土工作性的影响更敏感。随着将掺合料从粉煤灰分别更换为玄武岩石粉、石灰岩石粉、片麻岩石粉和花岗岩石粉，C60混凝土的坍落度和扩展度基本呈逐渐下降的趋势，而C30混凝土的扩展度，存在上下起伏波动规律，其坍落度先明显下降而后有所改善。C30混凝土的水胶比大，用水量较高，新拌浆体含有充足水分，可在一定范围内抵消石粉掺入带来的不利影响。C60混凝土虽然含有较多包裹骨料以促进流动的浆体组分，但是胶凝材料用量大，用水量低，拌合物黏度较大，其流动性易受岩石粉的影响。

2.2 硬化混凝土的力学性能

2.2.1 掺不同岩石粉混凝土的抗压强度

掺不同岩石粉的C30、C60混凝土立方体抗压强度随龄期的变化如图1、图2所示。

图1 掺不同岩石粉C30混凝土抗压强度随龄期的变化

图2 掺不同岩石粉C60混凝土抗压强度随龄期的变化

由图1、图2可见，在90 d前，岩石粉种类对C30混凝土抗压强度基本无影响，对于C60混凝土，含不同岩石粉下抗压强度差异在28 d开始呈现。虽然图1（a）与图2（a）表明混凝土强度发展似乎在90～180 d内已趋于稳定，但从图1（b）与图2（b）可知，对于长龄期养护情况下，不同水胶比和岩石粉种类混凝土强度发展从180 d才进入稳定发展阶段。FA-60组水胶比为0.32，且掺20%粉煤灰，即使龄期超过180 d，其强度仍然以一定速率持续提高。

具体而言，龄期为180 d时，C30混凝土中FA-30组抗压强度最高，为64.9MPa；SH-30组抗压强度最低，为53.3MPa；其余3组岩石粉组抗压强度为55～58 MPa。当龄期为1080 d时，FA-30组抗压强度达到69.0 MPa，HG-30组抗压强度最低，为58.8 MPa。C60混凝土存在类似规律，龄期达到1080 d时，FA-60组抗压强度最高，XW-60组抗压强度最低。

对于不同水胶比混凝土，掺入粉煤灰或不同岩石粉均对混凝土3～7 d抗压强度影响不大。可见在细度接近的前提下，由于粉煤灰的早期活性低，其所产生的填充效应与成核效应与岩石粉类似；随着水泥熟料水化程度的提高，粉煤灰中无定形物质与CH、孔隙自由水等发生火山灰效应，生成更多高硅钙比的C-S-H凝胶，令浆体密实化，提高混凝土的强度[12]。在早龄期下不同水胶比或掺不同岩石粉混凝土的抗压强度与粉煤灰混凝土抗压强度的比值为0.8～0.9，即利用岩石粉替代粉煤灰制备C30混凝土对早期抗压强度削弱程度为10%～20%。随着龄期延长，岩石粉混凝土与粉煤灰混凝土抗压强度比值逐渐稳定于0.8～0.9。

另外，SH-30组抗压强度在90～360 d龄期较其它岩石粉组低，但在后期逐渐成为强度最高组；SH-60组则在90～180 d内渐渐超过其它岩石粉组，说明掺入石灰石粉可发生更复杂的水化反应，持续提高混凝土的抗压强度。据研究发现[13]，传统上被认为是惰性材料的石灰石粉在水泥水化环境中可产生化学反应，其溶解的碳酸根离子与水泥熟料或矿物掺合料中的活性铝组分在碱性孔溶液中生成碳铝酸盐，该水化产物既可填充毛细孔，亦可抑制钙钒石转化为AFm，提高水化产物的总体积，促使浆体孔结构细化。

由于混凝土立方体抗压强度在长龄期养护下存在双阶段特征（即在3～180 d快速发展，此后缓慢增长），且在核电厂房、水利大坝等场合内混凝土结构设计使用寿命较长，往往需要对混凝土长龄期抗压强度发展水平进行预测，故本文针对图1与图2测试结果进行回归分析，以提出可靠的混凝土长龄期抗压强度预测模型。关于双阶段特征曲线函数表达式，有研究[14]归纳了如下主要形式：

式中：F（t）——t时刻的预测对象；

a、b——常数。

对于掺粉煤灰或不同岩石粉混凝土长龄期立方体抗压强度的经时演变规律，本文按照复合指数函数形式进行归纳，相关函数表达式如下：

式中：F0、a、b、c、d——均为常数，不同配合比混凝土参数取值如表5所示。

表5 不同配合比混凝土参数取值

由表5可知，本文所归纳的复合指数函数模型与强度实测值相关系数高，图1（b）与图2（b）显示各模型曲线与强度变化趋势接近。为进一步衡量式（4）的预测准确性，定义预测残差百分比绝对值计算式如下：

式中：P（t）——t时刻预测残差百分比绝对值，%；

F（t）、fc（t）——t时刻预测强度及实测强度。

在3～1080 d龄期内，各配合比的P（t）计算结果如图3所示，P（t）计算值分布于x轴与上界限y=3.12+7.55e-t/243.90内，且多数P（t）值不超过5%，故式（4）具有较高预测准确性。

图3 抗压强度预测残差绝对值计算结果

2.2.2 掺不同岩石粉混凝土的劈裂抗拉强度

掺不同岩石粉的C30、C60混凝土劈裂抗拉强度随龄期的变化如图4所示。

图4 岩石粉混凝土劈裂抗拉强度随龄期的变化

由图4可见，对于C30混凝土，与抗压强度类似，各混凝土3 d和7 d劈裂抗拉强度相差较小，自28 d开始岩石粉混凝土的劈裂抗拉强度逐渐低于粉煤灰混凝土；掺石灰石粉混凝土早期劈裂抗拉强度较低，但随养护时间延长，SH-30组劈裂抗拉强度逐渐高于其它岩石粉组；1080 d时，FA-30、XW-30、SH-30、PM-30和HG-30组劈裂抗拉强度分别为4.12、3.40、3.63、3.74、3.23 MPa。对于C60混凝土，在180 d前各岩石粉混凝土的劈裂抗拉强度与粉煤灰混凝土接近，此后逐渐低于FA-60组。

以粉煤灰混凝土为基准组，C30岩石粉混凝土早期劈裂抗拉强度极为接近基准组，岩石粉混凝土与粉煤灰混凝土劈裂抗拉强度比值为0.9～1.0；强度等级为C60时，早期劈裂抗拉强度比值超过1.0，个别配合比达到1.3以上。龄期达到28d后，各岩石粉组与基准组劈裂抗拉强度比值为0.8～1.0，其中C30混凝土比值为0.8～0.9，C60混凝土比值为0.9～1.0。混凝土属于脆性材料，承受劈裂张拉荷载时，浆体在成型、养护过程中形成的初始微缺陷容易扩展、延伸，相互连接至形成贯通大裂缝，在较低压力水平下突然发生脆性破裂，相对于立方体抗压强度，劈裂抗拉强度比值分布范围较广，总体波动程度较大。岩石粉颗粒表面粗糙，形状棱角分明，在劈裂张拉荷载作用下可通过机械咬合、互锁作用抑制浆体微裂缝延伸。当水胶比较低时，浆体水化产物体积大，孔结构密实，初始微缺陷少，掺合料颗粒可通过成核效应与填充效应改善骨料界面过渡区晶体取向度，增强硬化浆体骨架作用，使得浆体劈裂抗拉强度有所提高。

2.3 讨论

2.3.1 劈裂抗拉强度与抗压强度的相关性

岩石粉混凝土和粉煤灰混凝土不同龄期下劈裂抗拉强度fsp和抗压强度fc之间的相关性如图5所示。混凝土抗压强度和抗拉强度密切相关，但往往无线性关系。抗拉强度随着抗压强度提高而提高，但提高幅度逐渐降低。目前较多研究通过归纳不同数学模型尝试依据抗压强度预测抗拉强度，针对普通混凝土的常见函数表达式有：

可见，表征普通混凝土抗拉强度与抗压强度关系的常见表达式为幂函数形式。采用以上函数和基于不同水胶比、不同掺合料和长龄期条件的混凝土强度实测数据计算抗拉强度预测值时发现，预测值与实测值相差较大，因此本文提出如式（11）的回归模型，其95%置信带与95%预测带如图5所示。研究发现，影响混凝土界面过渡区的各种因素共同影响抗压强度和抗拉强度之间的关系。结合上文不同配合比混凝土工作性和力学强度测试结果可知，除了养护龄期，混凝土拌合物性能（水胶比、掺合料种类）均在不同程度上影响混凝土受拉-受压关系，导致图5中数据散点分布范围较广，影响回归模型精度，为更准确掌握岩石粉混凝土不同龄期下的受拉-受压关系，需要进一步拓宽试验范围。

2.3.2 不同强度与长龄期强度的比值

由于水泥基材料在终凝后基本完成从流塑态向固态的转化过程，水化进程发展较缓慢，尽管获取长龄期力学性能更利于对混凝土结构进行合理设计，然而延长混凝土养护龄期将带来各种不便，故目前混凝土材料研究、施工管理等均以28～90 d力学性能作为重要参考依据。从图1、图2、图4可知，粉煤灰混凝土和岩石粉混凝土强度发展至180 d后方进入稳定阶段，28～90 d仍处于快速发展期，因此有必要了解28、56、90d强度占长龄期强度的比例。图6为不同配合比混凝土28、56、90 d强度与1080 d强度的比值。

图5 混凝土劈裂抗拉强度和抗压强度的相关性

图6 混凝土28、56、90 d强度与1080 d强度的比值

由图6可见，混凝土立方体抗压强度比值大致分布于0.65～0.95，随龄期延长而增大；C30混凝土劈裂抗拉强度比值大致分布于0.90～0.98，C60混凝土劈裂抗拉强度比值分布区间则为0.75～0.90，且均随龄期延长而增大。

对于C60混凝土，同龄期下FA组立方体抗压强度比值均为最低值，粉煤灰作为活性矿物掺合料，其火山灰活性高于岩石粉，在普通混凝土中可持续与水泥熟料水化产物发生二次水化反应，不断提高浆体强度，图2（b）亦表明FA-60组强度在长龄期仍可保持一定增长速度；对于C30混凝土，由于水胶比较高，水泥熟料在早期可在充分自由水含量环境下快速反应，较粗的毛细孔结构利于水化产物离子结晶，进一步促进粉煤灰反应，故FA-30组抗压强度比值较高。另一方面，C60岩石粉混凝土强度的上升主要依赖于水泥熟料水化反应，岩石粉活性较低，在后期难以通过火山灰效应持续提高强度，故28～90 d立方体抗压强度比值较高；对于C30混凝土，岩石粉组中SH-30组抗压强度比值在不同龄期下均为最低值，结合图1与上文相关分析，石灰岩石粉含有较多碳酸钙，可与水泥熟料中活性铝物质发生二次水化反应，令混凝土强度随龄期延长而不断增长，故28～90 d抗压强度比值较低。

总体而言，为保证混凝土结构具有充足的荷载承受富裕度，并考虑混凝土材料强度发展的波动性，本文认为可将混凝土28～90 d抗压强度设计为长龄期抗压强度的0.7～0.8，将混凝土28～90 d劈裂抗拉强度设计为长龄期劈裂抗拉强度的0.8～0.9。

4 结论

分别采用20%玄武岩、石灰岩、片麻岩与花岗岩石粉等质量取代水泥制备不同水胶比混凝土，以粉煤灰混凝土为基准组，对比岩石粉对新拌浆体工作性、试件长龄期立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的影响。

（1）掺入岩石粉降低新拌浆体的工作性，低水胶比混凝土受此影响较大。

（2）岩石粉混凝土抗压强度发展呈双阶段特征，3～180 d为快速增长期，180 d后进入缓慢增长期；岩石粉混凝土早期抗压强度与粉煤灰混凝土接近，后期强度为粉煤灰混凝土的0.8～0.9，其中石灰岩石粉混凝土抗压强度较高，玄武岩石粉混凝土较低，片麻岩石粉混凝土与花岗岩石粉混凝土接近。

（3）采用复合指数函数模型对岩石粉混凝土长龄期抗压强度发展规律进行预测，预测值与实测值吻合度较高；岩石粉混凝土劈裂抗拉强度随龄期变化的规律与其立方体抗压强度类似，进入稳定发展阶段时，其数值约为粉煤灰混凝土劈裂抗拉强度的0.8～1.0。

（4）岩石粉混凝土立方体抗压强度与劈裂抗拉强度的关系可采用幂函数模型描述。

（5）为保证混凝土结构具有充足的荷载承受富裕度，并考虑混凝土材料强度发展的波动性，认为可将混凝土28～90 d抗压强度设计为长龄期抗压强度的0.7～0.8，将混凝土28～90d劈裂抗拉强度设计为长龄期劈裂抗拉强度的0.8～0.9。