骨料物理性质与含水状态对混凝土力学与耐久性能的影响

《Construction and Building Materials》：Influence of aggregate physical properties and moisture conditioning on the mechanical and durability performance of concrete

　　

摘要

尽管对石材加工工业产生的细骨料废料进行了大量研究，但其对混凝土性能的真实贡献仍存在不确定性。这主要是由于掺入的细粉料具有吸水性，而这一因素在配合比设计中很少被考虑，从而导致有效水灰比发生意外变化。本研究系统考察了骨料物理特性、粒径、累计级配以及有效水灰比变化对混凝土新拌性能、力学性能、微观结构和耐久性的影响。采用花岗岩、大理石和火成岩细骨料（300–600 μm 和 <150 μm），掺量分别为 100、200 和 300 kg/m3。

引言

混凝土产业是现代建筑不可或缺的组成部分，同时也是环境恶化的主要因素之一。波特兰水泥作为混凝土的主要成分，约占全球二氧化碳排放量的 8%[1]。此外，混凝土生产和建筑装饰（如大理石、花岗岩和石灰石等）持续开采自然资源，对自然环境造成了巨大压力[2][3]。2019 年，全球装饰石材产量为每年 1.544 亿吨，且逐年递增[4]。自然资源消耗量的增长和工业及建筑废弃物的不断增加，已促使人们更加努力地研究这些材料的有益利用[5][6]。据印度矿业局生产数据统计，2019–2020 年间，印度生产了至少 1062 万吨大理石和 835 万立方米花岗岩，是天然饰面石材的主要生产国，得益于其丰富的花岗岩、大理石、石灰石、砂岩和石英岩储量。为了将天然石材用于装饰，它们需经过多种阶段的工业加工（切割、锯切、研磨和抛光），产生大量不可再生的工业废料[7]。该废料的体积占原材料体积的 20%–35%，具体取决于最终用途和工业加工方式[8]。废料体积和粒度分布的利用已成为一个环境问题[9][10]。其中，小于 150 μm 的细泥浆是此类不可再生废料的主要组成部分。然而，此类废料通常被填埋在垃圾场或水体中，带来土壤碱化、淤积和视觉污染等风险[11][12]。大规模采石和骨料开采活动可导致栖息地破坏、地下水位下降、景观改变和河岸侵蚀，从而加剧更广泛的环境退化[2][11]。这些环境关切已促使人们更加重视可持续建筑材料和资源节约型方法，以减少对原生原材料的依赖，同时保持所需的工程性能。利用此类废料不仅能减少环境污染和处置难题，还能保护自然资源，符合可持续和循环建筑的原则[13][14][15]。

近年来，许多研究探索了石材开采和加工废料泥浆在不同领域的应用，如土壤固化、烟气脱硫、路基填料、沥青混合料、陶瓷、热固性树脂复合材料及聚合物基材料[16][17][18][19][20][21]。大量研究将这些材料作为水泥、细骨料、粗骨料或其组合的替代物[22][23][24][25][26][27][28][29][30][31][32][33][34][35][36]。部分研究在最优替代水平下报告了抗压强度、耐久性和微观结构特性的改善。然而，即便采用相似的混凝土配合比，其报告的混凝土性能仍存在极大的不一致性。文献中报告的最优替代水平从不到 10% 到超过 60% 不等，而对相似材料和相近配合比既报告了强度提高，也报告了强度降低。这些相互矛盾的研究结果表明，非活性细粉的致因机制仍不充分被理解。

在深入检验所报告的力学性能时，这种不一致性表现得更为明显。Li 等人[37]、Minhajuddin 和 Saha[18]、Jain 等人[38]、Huang 等人[39]、Ghani 等人[40]、Chawla 等人[41] 以及 Hadjadj 等人[42] 报告称，掺入花岗岩或大理石粉后，抗压强度、抗拉强度、耐久性和渗透性均得到显著改善。相反，Vijayalakshmi 等人[43]、A. Jain 等人[29]、Miranda de Souza 等人[44]、?zk?l?? 等人[26]、Parmar 和 Das[45] 以及 Rashwan 等人[28] 观察到，掺入类似废料后强度显著降低。这些相互矛盾的结论不能仅用替代水平或矿物组成的差异来解释，这表明这些研究中可能有一个重要的控制参数未被控制。研究人员通常将这些差异归因于填充效应、颗粒堆积、胶凝材料稀释或替代百分比的差异。然而，这些解释并不能充分说明研究中观察到的巨大差异。对实验方法的详细考察表明，尽管掺入的细粉材料具有相当的吸水率和与水泥相当的粒径，但对其含水状态的关注却极少。

尽管研究[38][41][42][46][47][48][49]报告了大理石粉、花岗岩粉和采石场灰尘具有较高的吸水率，但研究者在使用这些细骨料时却以干燥状态计量，未考虑被吸收的水分对配合比的影响。此外，研究[18][27][30][39] 在使用与水泥粒径相当的材料时，完全没有报告粉体的吸水率。因此，可用于水泥水化的自由水量与配合比设计中的水量不同，导致有效水灰比发生不可控的变化。这一方法学上的局限对解释现有结果具有重要影响。当干燥惰性石材加工细骨料被掺入混凝土时，部分拌和水会被颗粒吸收。随着细粉量的增加，混凝土中可用的自由水量减少，导致有效水灰比逐步降低。由于混凝土的力学和耐久性能主要由有效水灰比决定，文献中经常报道的改善不能单纯归因于所掺入的细骨料。相反，它可能代表了颗粒堆积、孔隙细化和有效水灰比意外降低的共同影响。反之，当掺入含有表面水分的粉体且未进行适当的水分修正时，有效水灰比将升高，可能导致强度和耐久性下降。因此，许多已发表的研究比较了不同有效水灰比的混合物，却将观察到的行为完全归因于替代材料。

即便在认识到需进行水分修正的研究中，控制参数也未被保持。例如，Rashwan 等人[28] 通过增加拌合水来补偿大理石和花岗岩泥浆中的水分；然而，此操作使设计水灰比从 0.44 变化到接近 0.74。因此，虽然考虑了水分因素，但混凝土混合物不再是在恒定有效水灰比下进行比较。Chawla 等人[41] 报告了随着大理石废料含量的增加，抗压强度大幅上升；然而，为保持坍落度恒定，同时将用水量从 209 降至 163 kg/m3，导致设计水灰比从 0.87 降至 0.68。同样，Jain 等人[38] 和 Nayak 等人[49] 承认花岗岩和大理石粉需要更多的水，但未独立量化观察到的改善中有多少归因于颗粒堆积，又有多少归因于有效水量的变化。因此，主要的研究空白并非缺乏对大理石、花岗岩或采石场灰尘作为细骨料的研究，而是缺乏一种能够独立评估这些材料物理贡献的实验方法。颗粒堆积、累计级配改变、吸水率和有效水灰比的综合效应在以往研究中始终无法分离，导致关于非活性细粉在混凝土中作用的研究结论相互矛盾。

为克服这些局限，本研究采用了两种互补的混合设计方法。石材加工细粉骨料在两种水分调节制度下进行了研究。在 Set-1 中，混合物制备时未进行水分修正，即未被粉体吸收的水量未计入拌合水中。在 Set-2 中，应用了水分修正来考虑被吸收的水量，并保持预期的有效水灰比。这种对比方法能够评估水分修正对粒径、级配、堆积以及混凝土整体性能的影响。此外，研究了两组粒径分级（300–600 μm 和 <150 μm），以确定累计级配改变对新拌行为、力学性能、无损检测特性、微观结构、水渗透性、渗透深度和氯离子渗透性的影响。该框架使能够独立评估石材加工细粉骨料对混凝土性能的真实物理贡献。

材料

本研究全程使用符合印度标准局 IS 8112:2013[50] 标准的 43 级普通波特兰水泥（OPC）。水泥由当地 JK Super Cement 供应，并在采购后一个月内使用，以尽量减少储存条件变化对材料性能的影响。进行了标准表征试验以确定水泥的物理性能，相关结果列于表 1。

混凝土新拌性能

混凝土的新拌性能通过达到 120±20 mm 目标坍落度所需的化学外加剂掺量进行评估。外加剂掺量以混凝土混合物中细料分级的百分比表示，如图 4 所示。掺入选定骨料分级（<150 μm 和 300–600 μm），掺量范围为 100 至 300 kg/m3。

统计分析

进行了三因素因子方差分析（ANOVA），以量化材料类型（M）、粒径（S）和水分调节状态（C）对混凝土力学性能、无损检测和耐久性性能的单因素影响及交互影响。材料类型包含三个水平（DA、MA 和 GA），粒径包含两个水平（150 和 300–600 μm），调节状态包含两个水平（未水分修正和已水分修正），从而形成平衡因子设计。

结论

根据上述研究，可得出以下结论：

• 掺入细骨料（DA、MA 和 GA）改变了混凝土混合物的累计级配，其中 <150 μm 分级对粒径分布的改变程度远大于 300–600 μm 分级。该改变改善了颗粒堆积，可能有助于混凝土基体中的孔隙细化。

• 在已水分修正条件下（Set-2），掺入细骨料……

未来展望

结果表明，石材加工细粉（<150 μm）可通过颗粒堆积和空隙填充效应为混凝土浆体作出贡献。通过增加细料体积，这些材料可部分满足工作性稳定所需的最低要求，从而创造了一个重新设计配合比的机会——即在按比例减少拌合水的同时保持目标水灰比。

CRediT 作者贡献声明

Pramendra Kumar：撰写——初稿、方法论、形式分析、数据整理、概念化。Supratic Gupta：撰写——审阅与编辑、验证、指导。Kunal M Shelote：研究、概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

Pramendra Kumar | Kunal M. Shelote | Supratic Gupta

印度理工学院德里分校 土木与环境工程系，印度新德里 110016