譚鹽賓 謝永江 王浩 楊魯 馮仲偉 葛昕 李林香

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；

2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

我國對環(huán)境保護(hù)逐漸重視，傳統(tǒng)火力發(fā)電站及鋼鐵廠日趨減少，工程建設(shè)常用的粉煤灰、礦渣粉等傳統(tǒng)礦物摻和料資源日趨緊張，無法滿足工程建設(shè)需求，特別是在西南地區(qū)，亟待開發(fā)新型替代材料。天然火山灰作為應(yīng)用歷史最長的建筑材料，早在古羅馬時(shí)期修建的萬神殿就是主要膠結(jié)材料，至今仍然保持良好的使用性能。眾多學(xué)者對天然火山灰的水化活性機(jī)理、性能進(jìn)行了較多研究［1-10］，認(rèn)為天然火山灰具有與粉煤灰類似的水化活性。天然火山灰在工業(yè)與民用建筑、公路工程、水利工程中的應(yīng)用也證明其完全可以作為粉煤灰、礦渣粉等的有效替代材料［11-17］。

我國天然火山灰資源主要分布在西南、西北和東北比較偏僻的地區(qū)，開采難度大，因而在實(shí)際研究和應(yīng)用中，國內(nèi)研究人員對與天然火山灰具有相似化學(xué)物理性質(zhì)的天然火成巖類礦物進(jìn)行了較多研究。研究表明［1-2，18-19］，火成巖礦物具有與粉煤灰相似的化學(xué)組成，主要以SiO2、Al2O3、Fe2O3等為主，將其磨細(xì)加工至一定細(xì)度后具有較好的潛在水化活性，能有效改善混凝土拌和物性能并提高耐久性能，可作為混凝土用礦物摻和料。磨細(xì)火成巖質(zhì)礦物材料也被廣泛用于生產(chǎn)水泥的混合材料，且在我國西南地區(qū)多個(gè)水利項(xiàng)目中進(jìn)行了成功應(yīng)用。但火成巖由于巖性復(fù)雜，有凝灰?guī)r、安山巖、流紋巖、玄武巖等，經(jīng)過成巖地質(zhì)運(yùn)動后，其活性與天然火山灰有明顯差異，且不同巖性火成巖礦物材料對混凝土性能的影響也各不相同。

已有地質(zhì)資料表明，西南地區(qū)分布有資源豐富的火成巖礦物，若能實(shí)現(xiàn)就近開采加工制得礦物摻和料，對于解決鐵路建設(shè)礦物摻和料緊缺的問題具有重要意義。本文結(jié)合西南地區(qū)地緣性礦物材料分布特點(diǎn)和性能特點(diǎn)，選取了儲量豐富的4種巖性火成巖礦物磨細(xì)制得礦物摻和料，研究其性能及其對鐵路混凝土性能的影響，以期為鐵路工程建設(shè)提供技術(shù)支持。

1 原材料與配合比

1.1 原材料

1）水泥：北京金隅集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥。

2）粉煤灰：唐山市浩冉商貿(mào)有限公司I級粉煤灰。

3）天然磨細(xì)火成巖質(zhì)礦物摻和料：西藏察雅的磨細(xì)安山巖（AS）和磨細(xì)流紋巖（LW），西藏洛隆的磨細(xì)玄武巖（XW）和西藏山南的磨細(xì)凝灰?guī)r（NH）。4種磨細(xì)火成巖質(zhì)礦物摻和料和粉煤灰（FA）的物理及化學(xué)性能指標(biāo)分別見表1和表2。

4）改性火成巖質(zhì)礦物摻和料：在4種巖性天然火成巖質(zhì)礦物摻和料基礎(chǔ)上，摻加一定量改性劑混合后得到的改性火成巖質(zhì)礦物摻和料。

表1 天然火成巖質(zhì)礦物摻和料和粉煤灰物理性能指標(biāo)

表2 天然火成巖質(zhì)礦物摻和料和粉煤灰化學(xué)組成%

5）細(xì)骨料：采用細(xì)度模數(shù)2.7的天然河砂。

6）粗骨料：采用5~10 mm及10~20 mm的兩級配碎石，按質(zhì)量比4∶6混合。

7）減水劑：河北三楷深發(fā)科技股份有限公司生產(chǎn)的高效聚羧酸系減水劑。

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)選取用量相對較大的C40強(qiáng)度等級混凝土作為研究對象，坍落度控制為（180±10）mm，含氣量控制在（6±0.5）%，具體配合比見表3。其中編碼CSN表示純水泥混凝土，F(xiàn)A表示摻粉煤灰混凝土，LW、AS、NH、XW分別表示摻流紋巖、安山巖、凝灰?guī)r、玄武巖礦物摻和料混凝土；后綴“-1”表示摻天然磨細(xì)火成巖礦物摻和料，“-3”表示摻改性火成巖質(zhì)礦物摻和料。

表3 混凝土配合比 kg·m-3

2 不同巖性火成巖質(zhì)礦物摻和料性能

2.1 活性指數(shù)

參照GB∕T 17671—2020《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》，以摻礦物摻和料膠砂抗壓強(qiáng)度與不摻礦物摻和料基準(zhǔn)組膠砂抗壓強(qiáng)度的比值作為活性指數(shù)，對比測試了粉煤灰與4種巖性天然火成巖質(zhì)礦物摻和料不同齡期活性指數(shù)。同時(shí)，測試了內(nèi)摻膠凝材料總量2%、5%和8%改性劑后改性火成巖質(zhì)礦物摻和料活性指數(shù)，結(jié)果見表4。

表4 不同類型礦物摻和料的活性指數(shù)

由表4可知：對于天然火成巖質(zhì)礦物摻和料而言，安山巖質(zhì)和凝灰?guī)r質(zhì)礦物摻和料各齡期活性指數(shù)最高，流紋巖質(zhì)和玄武巖質(zhì)礦物摻和料活性指數(shù)相當(dāng)，且明顯低于前兩種；早期（7 d）活性指數(shù)略高于Ⅰ級粉煤灰，而中后期（28 d和56 d）活性指數(shù)低于Ⅰ級粉煤灰。這可能與火成巖質(zhì)礦物摻和料采用磨細(xì)加工而得，其微觀形貌為多棱角不規(guī)則形狀，在水泥水化早期具有加速晶核生長的作用，因而早期表現(xiàn)出較高活性；而在水化后期，活性來源主要源自摻和料自身，因而不如粉煤灰后期活性。

改性劑的摻入顯著提高了4種巖性火成巖質(zhì)礦物摻和料各齡期活性指數(shù)，且隨著摻量增加而呈明顯增大趨勢。當(dāng)改性劑摻量為5%時(shí)，除玄武巖火成巖外，其他3種巖性火成巖質(zhì)礦物摻和料56 d活性指數(shù)均大于Ⅰ級粉煤灰；當(dāng)改性劑摻量為8%時(shí)，玄武巖質(zhì)礦物摻和料56 d活性指數(shù)也達(dá)到I級粉煤灰水平。

2.2 堿活性抑制效能

測試內(nèi)摻0%、2%和5%改性劑的4種巖性火成巖質(zhì)礦物摻和料對堿活性骨料的堿活性抑制效能，結(jié)果見表5?？芍簩τ谔烊换鸪蓭r質(zhì)礦物摻和料，凝灰?guī)r質(zhì)和流紋巖質(zhì)礦物摻和料表現(xiàn)出良好的堿活性抑制能力，玄武巖質(zhì)礦物摻和料堿活性抑制能力最差；改性劑的摻入則能顯著提高火成巖質(zhì)材料的堿活性抑制效能，摻加2%改性劑4種火成巖質(zhì)材料對應(yīng)砂漿棒的28 d膨脹率即可抑制在0.1%以內(nèi)，滿足規(guī)范要求，摻加5%的改性劑抑制效果更為顯著。

表5 不同摻量改性劑對火成巖堿活性抑制效能改善結(jié)果

3 摻火成巖質(zhì)礦物摻和料混凝土的性能

3.1 拌和物工作性能

摻不同類型礦物摻和料新拌混凝土的工作性能見表6。可知：純水泥混凝土易產(chǎn)生后置泌水現(xiàn)象，不利于混凝土施工；單摻粉煤灰的混凝土狀態(tài)飽滿，流動性好，滿足施工要求；單摻天然火成巖質(zhì)礦物摻和料的混凝土黏聚性普遍較好，但流動性偏差，相同坍落度情況下擴(kuò)展度較小，漿體“發(fā)黏”，不利于現(xiàn)場施工；單摻改性火成巖質(zhì)礦物摻和料混凝土與粉煤灰混凝土工作性能相近。

表6 不同礦物摻和料對混凝土工作性能的影響

3.2 力學(xué)性能

摻不同礦物摻和料混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律見圖1。

由圖1可知：

圖1 礦物摻和料種類對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

1）純水泥混凝土的各齡期強(qiáng)度均高于其他混凝土，且早期強(qiáng)度增長幅度大，但28 d齡期后的強(qiáng)度增長率低，56 d后強(qiáng)度幾乎不增長。

2）單摻粉煤灰混凝土各齡期強(qiáng)度增長穩(wěn)定，28~90 d強(qiáng)度增長率高達(dá)30%，幾乎達(dá)到C50強(qiáng)度等級標(biāo)準(zhǔn)要求。

3）單摻天然火成巖質(zhì)礦物摻和料混凝土的強(qiáng)度增長受母巖巖性變化影響較大：整體來看，單摻流紋巖質(zhì)和安山巖質(zhì)礦物摻和料混凝土28 d前強(qiáng)度發(fā)展與單摻粉煤灰混凝土相近，但56 d和90 d的強(qiáng)度要低5 MPa左右；除3 d強(qiáng)度外，單摻凝灰?guī)r質(zhì)礦物摻和料混凝土各齡期強(qiáng)度均略高于單摻粉煤灰混凝土的，且滿足設(shè)計(jì)要求；單摻玄武巖質(zhì)礦物摻和料混凝土強(qiáng)度較低，與單摻粉煤灰混凝土的相比，56 d強(qiáng)度相差約20%，強(qiáng)度富余系數(shù)較低；從抗壓強(qiáng)度角度來看，4種巖性火成巖質(zhì)礦物摻和料對混凝土強(qiáng)度的影響由小到大依次為玄武巖、流紋巖、安山巖、凝灰?guī)r，其中流紋巖和安山巖的影響相差很小。

4）單摻改性火成巖質(zhì)礦物摻和料混凝土的各齡期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律與單摻粉煤灰混凝土類似，同時(shí)其對玄武巖質(zhì)礦物摻和料混凝土的強(qiáng)度增長也有顯著提高。

3.3 抗氯離子滲透性能

TB∕T 3275—2018《鐵路混凝土》對不同強(qiáng)度等級混凝土的密實(shí)性要求見表7。摻不同礦物摻和料混凝土的電通量測試結(jié)果見圖2。

表7 不同強(qiáng)度等級鐵路混凝土的密實(shí)性要求

由圖2可知：純水泥混凝土的56 d電通量大于1 200 C，不滿足現(xiàn)行規(guī)范C40混凝土密實(shí)性要求；單摻不同巖性火成巖質(zhì)材料的混凝土56 d電通量均大于1 200 C，同樣不滿足規(guī)范C40混凝土密實(shí)性要求；單摻改性火成巖質(zhì)材料的混凝土56 d電通量則均小于1 200 C，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范C40混凝土密實(shí)性要求，但仍不及單摻粉煤灰混凝土的。

圖2 礦物摻和料種類對混凝土電通量的影響

3.4 抗凍性能

摻不同礦物摻和料混凝土抗凍性試驗(yàn)結(jié)果見圖3和圖4?？芍航?jīng)過300次凍融循環(huán)后，各組混凝土均未發(fā)生凍融破壞，表現(xiàn)出良好的抗凍性能；純水泥混凝土的質(zhì)量損失率最低，相對動彈性模量最高，其他配合比混凝土的質(zhì)量損失率差別不大，單摻粉煤灰、單摻天然火成巖質(zhì)礦物摻和料及單摻改性火成巖質(zhì)礦物摻和料混凝土的抗凍性能相當(dāng)。

圖3 礦物摻和料對混凝土質(zhì)量損失率的影響

圖4 礦物摻和料對混凝土相對動彈性模量的影響

4 結(jié)論

1）采用儲量豐富的火成巖質(zhì)礦物經(jīng)過粉磨加工工藝制得的天然火成巖質(zhì)礦物摻和料在物理化學(xué)性能指標(biāo)上都與傳統(tǒng)粉煤灰材料相似。在不摻加改性材料時(shí)，天然凝灰?guī)r質(zhì)和流紋巖質(zhì)礦物摻和料具有良好的堿活性抑制能力；在進(jìn)行一定改性調(diào)整后，試驗(yàn)所選4種巖性火成巖質(zhì)礦物摻和料各齡期活性指數(shù)和堿活性抑制能力均得以提高。

2）采用4種天然火成巖質(zhì)礦物摻和料制備的C40混凝土在工作性能、力學(xué)性能和耐久性能方面滿足鐵路混凝土性能要求，但與同樣配合比粉煤灰混凝土相比，力學(xué)性能和耐久性能略低。采用一定改性措施后各項(xiàng)工作性能、力學(xué)性能和耐久性能均滿足鐵路混凝土標(biāo)準(zhǔn)要求，可作為傳統(tǒng)礦物摻和料的替代材料。