廢棄石粉對(duì)普通混凝土耐久性能的影響

黃 斌,龔明子,袁忠標(biāo)

(中交一公局廈門工程有限公司,福建 廈門 361021)

我國是一個(gè)石材生產(chǎn)、加工的大國,2016年我國全年生產(chǎn)的建筑板材量達(dá)10.8億m2[1]. 石材在生產(chǎn)加工過程中產(chǎn)生大量的廢渣,據(jù)統(tǒng)計(jì)每生產(chǎn)30 m2板材會(huì)產(chǎn)生1 t的石屑和石粉[2],這些石屑和石粉被大量廢棄,不僅占用大量寶貴的土地資源還嚴(yán)重污染了河流, 破壞生態(tài)環(huán)境. 而隨著粉煤灰、礦粉等礦物摻合料供應(yīng)日益緊張,摻合料以次充好的情況頻繁發(fā)生,嚴(yán)重影響混凝土的質(zhì)量. 如果能將廢棄的石粉經(jīng)過一定的工藝處理,使其作為一種新的摻合料運(yùn)用到混凝土中,不僅能解決環(huán)境污染問題還能緩解混凝土摻合料供應(yīng)緊張的形勢(shì),降低混凝土的生產(chǎn)成本[2-5]. 廢棄石粉作為一種新的工業(yè)廢棄物,在國內(nèi)的相關(guān)研究不多,因環(huán)境污染問題才被逐漸重視,已有的研究重點(diǎn)在其對(duì)混凝土工作性和力學(xué)性能的影響,缺少對(duì)耐久性的系統(tǒng)研究[2-8]. 鑒于此,本文開展廢棄石粉對(duì)普通混凝土耐久性能影響的研究,得出廢棄石粉作為摻合料摻入混凝土中的最佳摻入量和摻配方式,使廢棄石粉能合理運(yùn)用于混凝土中.

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

試驗(yàn)中水泥為福建閩福建材有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥； 礦渣粉為三鋼集團(tuán)(龍海)礦微粉有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)； 粉煤灰為福能環(huán)保新材有限公司生產(chǎn)的F類II級(jí)； 細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)為2.8、級(jí)配范圍為II區(qū)的河砂,含泥量為0.8%； 粗骨料采用5～31.5 mm的連續(xù)級(jí)配碎石； 減水劑為減水率28%的聚羧酸高性能減水劑； 水是自來水. 大理石粉(D)、花崗巖石粉(H)取自福建泉州某石材廠,廢棄石粉的基本性能指標(biāo)見表1.

表1 石粉的化學(xué)和物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土收縮試驗(yàn)、混凝土抗凍性能試驗(yàn)和混凝土抗氯離子滲透試驗(yàn)參照文獻(xiàn)[9]進(jìn)行.

硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)： 采用40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試件,試件成型1 d后拆模,置于水養(yǎng)箱中養(yǎng)護(hù)28 d后,將試件浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaSO4溶液中,溶液沒過試件表面超20 mm,容器口敞開并放置于(20±2)℃的環(huán)境中,溶液pH值控制在7左右,到規(guī)定齡期觀察試件外觀變化、稱量質(zhì)量和測(cè)試強(qiáng)度.

1.3 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)研究花崗巖石粉、大理石石粉單摻以及分別與粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻時(shí),對(duì)普通混凝土的耐久性能的影響. 石粉混凝土抗收縮性能、抗氯離子滲透性能和抗凍性能研究采用表2所列的配合比,其中單摻基準(zhǔn)組為純水泥空白組,復(fù)摻基準(zhǔn)組采用粉煤灰和礦渣粉各摻15%的形式.

表2 廢棄石粉單摻和復(fù)摻混凝土配合比

編號(hào)中J1為純水泥基準(zhǔn)組; J2為復(fù)摻粉煤灰和礦渣粉基準(zhǔn)組,做后續(xù)研究石粉與其他礦物摻合料復(fù)摻時(shí)的基準(zhǔn)組. A組為單摻花崗巖石粉; B組為單摻大理石粉組; C組為花崗巖石粉分別與粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻; D組為大理石粉分別與粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 廢棄石粉對(duì)混凝土收縮性能的影響

研究廢棄石粉在單摻與復(fù)摻兩種情況下,不同摻量以及復(fù)摻方式對(duì)混凝土 3、7、14、28、60、90、120和180 d的干燥收縮的影響,試驗(yàn)結(jié)果見圖1.

從圖1 (a)～ (b)曲線整體規(guī)律可看出： 廢棄石粉可有效地降低混凝土干燥收縮,摻入石粉后,混凝土收縮率均比同齡期的基準(zhǔn)組混凝土低. 單摻石粉時(shí),隨著石粉摻量的增加,混凝土的收縮率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),在摻量20%時(shí)混凝土的收縮率最小. 這是由于石粉顆粒較細(xì),在混凝土結(jié)構(gòu)中能發(fā)揮填充效應(yīng),能夠很好地填充混凝土內(nèi)部的孔隙,細(xì)化和分化原混凝土內(nèi)部的充水空間,阻斷混凝土內(nèi)部水分向混凝土表面擴(kuò)散的通道,從而降低了混凝土因失水而帶來的干燥收縮[10]； 石粉摻量增加超過20%后,由于膠凝材料的減少,同時(shí)廢棄石粉的活性很低,參與水化反應(yīng)的程度較小,石粉的填充作用無法彌補(bǔ)膠材減少所帶來的負(fù)面影響,抑制混凝土失水收縮的效應(yīng)不明顯[8],因而混凝土的收縮又開始增大.

圖1 廢棄石粉對(duì)混凝土收縮性能影響規(guī)律Fig.1 Effect of waste stone powder on shrinkage of concrete

圖1(c)～ (f)為礦物摻合料總摻量在30%時(shí),石粉與粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻對(duì)混凝土干燥收縮的影響. 花崗巖石粉與粉煤灰復(fù)摻,180 d收縮率較基準(zhǔn)組下降24.3%,與礦渣粉復(fù)摻,180 d收縮率較基準(zhǔn)組下降14.9%； 大理石石粉與粉煤灰復(fù)摻,180 d收縮率較基準(zhǔn)組下降16.6%,與礦渣粉復(fù)摻,180 d收縮率較基準(zhǔn)組下降11.5%. 石粉與粉煤灰復(fù)摻對(duì)混凝土收縮的抑制作用要大于石粉與礦渣粉復(fù)摻的情況.

由圖1 (g)得出,單摻花崗巖石粉混凝土的180 d收縮率要略小于大理石石粉混凝土. 大理石石粉中分散的CaCO3為晶體的生長提供了無數(shù)的核,C3S水化時(shí)釋放出的大量 Ca2+會(huì)被這些晶體吸附,促進(jìn)C3S水化,水泥水化速率加快因而收縮值變大[11].

2.2 廢棄石粉對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響

廢棄石粉對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響結(jié)果如圖2. 從圖2(a)看出： 當(dāng)石粉摻量在10%以內(nèi)時(shí),混凝土抗氯離子滲透性能良好,但隨著摻量的增加混凝土抗氯離子滲透性能開始下降. 在石粉摻量較小時(shí),石粉顆粒能很好地增加混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)性,自由氯離子不能輕易滲入混凝土內(nèi)部,故而石粉摻量在10%以內(nèi)時(shí)混凝土抗氯離子滲透性能良好. 但由于石粉僅是簡單地填充在混凝土內(nèi)部,參與水化的石粉數(shù)量有限,隨著石粉摻量的增加,水泥的水化產(chǎn)物減少,水化產(chǎn)物無法良好地包裹和連接這些石粉顆粒,使得混凝土膠凝材料基體之間的粘結(jié)作用減弱,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)抗氯離子滲透能力降低[12].

圖2 (b)和圖2 (c)反映的是復(fù)摻總量為30%時(shí),石粉與粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響. 混凝土復(fù)摻石粉后抗氯離子滲透性能較復(fù)摻基準(zhǔn)組有所降低,但是當(dāng)石粉與粉煤灰各摻15%以及石粉與礦渣粉各摻15%時(shí),其氯離子擴(kuò)散系數(shù)DRCM在2.5×10-12～3.5×10-12之間,混凝土抗氯離子滲透性能滿足工程結(jié)構(gòu)100 a使用期限下的耐久性要求.

圖2 廢棄石粉對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能影響規(guī)律Fig.2 Effect of waste stone powder onchloride ion penetration resistance performance

2.3 廢棄石粉對(duì)混凝土抗凍性能的影響

圖3和圖4反映的是石粉單摻時(shí)混凝土抗凍性能指標(biāo)變化規(guī)律. 從圖3得出,在300次凍融循環(huán)后,花崗巖石粉或大理石石粉的摻量為10%～20%時(shí),石粉混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量與混凝土的基準(zhǔn)組相當(dāng),均大于60%； 摻量30%時(shí),混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為53%和57%. 從圖4看出,石粉摻量在20%以內(nèi)時(shí),質(zhì)量損失率較小,為0～3.0%之間； 當(dāng)石粉摻量為30%時(shí),質(zhì)量損失率最大,為4.6%.

圖3 廢棄石粉混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量變化規(guī)律Fig.3 Effect of waste stone powder on relative dynamic elasticity modulus

圖4 廢棄石粉混凝土質(zhì)量損失率變化規(guī)律Fig.4 Effect of waste stone powder on the concrete mass loss

圖5反映的是石粉復(fù)摻情況下混凝土抗凍性能指標(biāo)變化規(guī)律. 分析數(shù)據(jù)得出,石粉與礦物摻合料復(fù)摻組最小相對(duì)動(dòng)彈性模量為60%,最大質(zhì)量損失率為3.9%.

所以,單摻石粉摻量在20%以內(nèi)時(shí),混凝土的抗凍等級(jí)可達(dá)F300； 摻量超過30%之后,混凝土的抗凍性能下降較快. 石粉復(fù)摻組抗凍性能優(yōu)于石粉單摻組,符合復(fù)摻規(guī)律.

圖5 花崗巖石粉復(fù)摻情況下混凝土抗凍性能指標(biāo)變化規(guī)律Fig.5 Effect of granite powder on the frost resistance

2.4 廢棄石粉對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

本節(jié)研究了花崗巖石粉和大理石石粉在不同摻量下對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響. 采用0.5水膠比的膠砂試件,基準(zhǔn)組試件為純水泥試件,試驗(yàn)組中摻入花崗巖石粉或大理石石粉,石粉取代量為10%～50%,具體研究結(jié)果如圖6所示.

圖6 廢棄石粉對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能規(guī)律Fig.6 Effect of waste stone powder on the sulfate attack

從強(qiáng)度損失率上看： 在整個(gè)浸泡期內(nèi),摻花崗巖石粉和大理石石粉的試件強(qiáng)度損失率均比純水泥組的小,說明摻入石粉能提高試件的抗硫酸鹽侵蝕的能力. 并且隨著石粉摻量的增加,試件的強(qiáng)度損失率越小. 這是因?yàn)槭廴〈嗔看蟮脑嚰?水泥水化產(chǎn)物C-S-H凝膠、Ca(OH)2、鈣礬石的量減少,試件膨脹開裂程度減輕,試件能較好地保持原狀,不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的缺陷區(qū)[13]. 從質(zhì)量損失率上看： 摻入石粉的試件的質(zhì)量損失率均小于不摻石粉的純水泥基準(zhǔn)組,尤其在石粉摻量為40%～50%時(shí),石粉的質(zhì)量甚至沒有發(fā)生損失而是保持一定比例的增長. 從試件最終的表觀質(zhì)量上看： 隨著石粉摻量的增加,試件的破碎、掉角以及開裂程度逐漸減輕.

可見,摻入石粉有利于提高試件的抗硫酸侵蝕能力； 此外,橫向?qū)Ρ葍煞N石粉的試驗(yàn)結(jié)果可知,摻大理石石粉的試件的抗硫酸鹽侵蝕性能要優(yōu)于摻花崗巖石粉試件. 因?yàn)榇罄硎壑械腃aCO3參與水泥的水化,加速水泥的水化進(jìn)程,水化產(chǎn)物中較少的Ca(OH)2、鈣礬石含量,使摻大理石粉混凝土的抵抗膨脹性能更強(qiáng),故具有更好的抗硫酸鹽侵蝕性能[14].

3 結(jié)語

1) 單摻石材廢棄石粉時(shí),相比純水泥基準(zhǔn)混凝土,摻入廢棄石粉在一定程度上提高混凝土抗收縮、抗硫酸鹽侵蝕性能； 石粉摻量在10%以內(nèi)時(shí),混凝土表現(xiàn)出良好的抗氯離子滲透性； 摻量控制在20%以內(nèi),混凝土抗凍性能良好.

2) 復(fù)摻石材廢棄石粉時(shí),相比復(fù)摻粉煤灰和礦渣粉基準(zhǔn)組,摻入廢棄石粉混凝土具有良好的抗收縮性能,抗氯離子滲透性和抗凍性不如基準(zhǔn)組. 但廢棄石粉與其他礦物摻合料的復(fù)摻總量應(yīng)控制在30%以內(nèi)時(shí),摻廢棄石粉混凝土仍具有較好的耐久性.

3) 石粉與粉煤灰復(fù)摻對(duì)混凝土收縮的抑制作用要大于石粉與礦渣粉復(fù)摻的情況； 而在抗氯離子滲透方面,石粉與礦渣粉復(fù)摻的性能更優(yōu).

4) 兩種石粉對(duì)混凝土收縮性和抗硫酸鹽侵蝕性影響存在一定的差異： 摻花崗巖石粉混凝土抗收縮性能優(yōu)于摻大理石石粉混凝土,但摻大理石粉混凝土具有更好的抗硫酸鹽侵蝕性能.

5) 廢棄石粉混凝土的耐久性能會(huì)隨著石粉摻量的變化而表現(xiàn)出不同的差異,在實(shí)際使用中應(yīng)該合理控制廢棄石粉的摻量.