杨治乾
（中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401120）
中国铁路建设在过去20 年高速发展，铁路建设对混凝土的性能要求十分严格，尤其是高速铁路隧道穿越复杂地质，多数隧道环境作用等级都要求在混凝土中掺入一定比例的矿物掺合料，来改善混凝土的性能，粉煤灰作为最容易大量取得的矿物掺合料，具有改善混凝土和易性，降低水化热，提高后期强度，提高耐蚀性、抗裂性等性能，使得粉煤灰在混凝土中大量使用[1]。但是随着社会经济发展，国家大力提倡保护自然环境，习近平总书记更是提出“绿水青山就是金山银山”的重要思想，污染严重的传统火电厂逐渐减少，优质粉煤灰产量大幅缩减，劣质粉煤灰在实际应用中反而制约了混凝土强度和耐久性能的发展[2]。
石粉作为矿物掺合料，对于隧道工程更易于取得，在施工过程中将岩石洞渣加工成砂石料，收集过程中产生的石粉，既节约施工成本，又避免开山碎石破坏环境，更有研究表明，石灰石粉具有良好的减水效应、微集料填充效应和晶核效应[3]，为此，本文基于渝黔高铁保家镇隧道工程和保家地材加工场，采用不同掺配比例的石粉取代粉煤灰，进行水泥胶砂和混凝土试验，研究不同取代比例下，混凝土的工作性、强度和耐久性能，分析石粉取代粉煤灰使用的实际效果。
1.1 原材料
水泥使用P.O 42.5 普通水泥，28d 抗折抗压强度分别为11.3MPa、51.2MPa。粉煤灰为F 类Ⅱ级，细度（45μm 筛余）23%，需水量比97.6%，7d、28d 活性指数分别为64.7%、87.1%。粗骨料为5～25mm 连续级配，由5～16mm 碎石和16～25mm 碎石按照3:7 的比例掺配而成，压碎值6%，含泥量0.5%。细集料为机制砂，细度模数2.9，石粉含量7.8%，亚甲蓝MB 值0.4g/kg，砂石料均为项目自有碎石场加工生产。减水剂采用聚羧酸系高性能缓凝型减水剂，减水率28%。
石粉来源于渝黔铁路项目碎石加工厂，项目位于重庆市彭水县保家镇，保家镇隧道围岩以石灰岩为主。将取回的石粉在105～110℃的电热鼓风干燥箱中烘干8h，自然冷却后过0.075mm 方孔砂石筛。石粉化学成分如表1 所示。
表1 石灰岩石粉化学成分
石粉主要成分为二氧化硅和氧化钙，占到总质量的74.98%。
1.2 石粉物理性能检测
石粉性能检测用砂为试验室专用ISO 标准砂，石粉性能检测参照《用于水泥、砂浆和混凝土中的石灰石粉》（GB/T 35164—2017），石粉需水量比试验和活性指数检测参照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2017），需水量试验如表2 所示。石粉7d 和28d强度活性指数试验如表3 所示。
表2 石粉需水量试验
表3 石粉强度活性指数试验
1.3 混凝土配合比
采用C35 衬砌混凝土配合比，试配强度=35+1.645×5=43.2MPa，粉煤灰掺量为总胶凝材料的25%，设计坍落度180～220mm，设计抗渗等级P12，石粉按照0%、25%、50%、75%、100%的比例取代粉煤灰，新拌混凝土坍落度和含气量试验依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016）进行，混凝土强度按《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019） 进行试验，抗压强度试件尺寸均为150mm×150mm×150mm，抗水渗透和抗氯离子渗透试验依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）进行。掺石粉和粉煤灰的混凝土配合比和工作性能如表4 所示。
表4 掺石粉和粉煤灰的混凝土配合比和工作性能
2.1 石粉物理性能
碎石场取回的石粉整体颜色为青灰色，经烘干和过0.075mm 筛处理，细度满足B 型石灰石粉和Ⅱ级粉煤灰要求；
碳酸钙含量比《用于水泥、砂浆和混凝土中的石灰石粉》（GB/T 35164—2017）标准要求偏低；
亚甲蓝值偏高；
需水量比随着石粉掺量的提高而增长，取代粉煤灰75%和100%时，需水量比开始大于100%，分别为101.6%和104%，但依然满足Ⅱ级粉煤灰的需水量要求；
7d 强度活性指数偏低，28d 强度活性指数均大于60%，符合《用于水泥、砂浆和混凝土中的石灰石粉》（GB/T 35164—2017）标准要求，但掺量高于25%之后，活性指数达不到粉煤灰要求。
该自产石粉整体需水量比不高，强度活性指数前期偏低，后期有较明显增长，说明该石粉有一定的活性。石粉的物理性能试验结果如表5 所示。
表5 石粉的物理性能
2.2 石粉取代粉煤灰对混凝土工作性影响
随着石粉掺量提升，混凝土坍落度下降不十分明显，全部取代粉煤灰时，坍落度为200mm，满足设计180～220mm 的坍落度要求。从表4 可见，石粉掺量到50%以后，混凝土扩展度明显降低，含气量明显变大，重量明显变轻，但混凝土流动性变差，开始出现沉底现象。分析导致混凝土工作性变差的原因有：①石粉相比粉煤灰需水量稍大。②石粉粒形不规则，没有粉煤灰的微珠效应。③石粉的亚甲蓝值偏高，对聚羧酸减水剂的吸附性强。
2.3 石粉取代粉煤灰对混凝土强度的影响
石粉取代粉煤灰50%以后，强度出现明显下降，分析是由于自产石粉未经高温煅烧，相比粉煤灰活性偏低；
石粉颗粒较粗，虽有晶核效应，但本身不直接参与水化，替代粉煤灰，相当于降低了胶凝材料用量，使水灰比变大，导致强度降低[4]。所以，石粉取代粉煤灰的取代率控制在50%以内（相当于取代总胶凝材料的12.5%以内），混凝土强度能稳定在较高水平。石粉取代粉煤灰对强度的影响如表6 所示。
表6 各石粉掺量不同龄期混凝土强度
2.4 石粉取代粉煤灰对混凝土耐久性的影响
通过28d 抗渗试验和56d 电通量试验对混凝土的耐久性进行检测，随着石粉产量的增加，抗渗性能基本没有影响，电通量随着石粉产量的增而变小，复掺石粉和粉煤灰/矿粉进一步降低了混凝土的氯离子扩散系数[5]，各石粉掺量的混凝土抗渗等级和电通量如表7 所示。
表7 各石粉掺量的混凝土抗渗等级和电通量
（1）自产碎石厂石粉过0.075mm 筛后细度能达到Ⅱ级粉煤灰要求，石粉替代粉煤灰50%以内7d 活性指数满足标准石灰石粉性能要求，石粉替代粉煤灰25%以内28d 活性指数满足粉煤灰性能要求，石粉中碳酸钙含量较标准石灰石粉低，亚甲蓝值偏高，需水量较粉煤灰偏高。
（2）随着石粉掺量的增加，混凝土含气量明显上升，坍落度和扩展坍落度变小，在石粉替代粉煤灰50%以后，含气量和坍落度变化较明显，混凝土流动性变差，开始出现轻微沉底现象。成型混凝土试件抗压强度随之减小，石粉取代粉煤灰50%以后28d 抗压强度达不到设计强度。石粉掺量对混凝土耐久性的影响不明显，抗渗性能几乎没有影响，电通量有一定减小。
综合考虑石粉性能、混凝土工作性、抗压强度和耐久性试验数据，使用自产碎石厂石粉取代粉煤灰应用是可行的，替代粉煤灰的比例宜控制在50%以内，即替代混凝土配合比中胶凝材料的12.5%以内应用。
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