復摻花崗巖石粉和礦渣粉對混凝土性能的影響研究

馬富財

(新疆維吾爾自治區(qū)交通建設管理局項目執(zhí)行二處，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

近年來，隨著我國石材工業(yè)的高速發(fā)展，石材加工過程中產(chǎn)生的廢棄石屑、石粉未經(jīng)處理隨意堆放，不僅浪費了土地資源，更給生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重污染[1]。同時，由于混凝土產(chǎn)量的不斷上升，導致傳統(tǒng)礦物摻和料供不應求，嚴重影響了混凝土的質量[2-3]。因此，如何將廢棄石粉合理應用到混凝土的生產(chǎn)中已成為當下學者亟須研究的重要課題[4]。

目前，國內(nèi)外學者關于廢棄石粉在混凝土中的應用展開了大量研究，李林等[5]為獲得花崗巖機制砂的適宜石粉含量范圍，研究了機制砂的石粉含量對不同強度等級混凝土的工作性能、強度和抗氯離子滲透性能的影響。雷濤[6]采用硅灰復合技術對玄武巖石粉混凝土密實度進行了改性，發(fā)現(xiàn)采用5%硅灰復合20%玄武巖石粉可配制出密實度滿足要求的混凝土。張凌強等[7]采用花崗巖機制砂配制預應力T梁用C50混凝土，研究了機制砂石粉含量在3%～9%范圍變化對C50機制砂混凝土工作性能、力學性能、收縮和耐久性能的影響。廖成皓等[8]通過對石粉、鋼渣與減水劑的相容性和摻入混凝土后的基本力學和收縮情況進行試驗，研究了不同石粉和鋼渣摻量及兩者不同占比對混凝土強度和收縮率的影響。上述研究主要集中在單摻石粉及摻量對混凝土性能的影響研究，而關于石粉復摻對混凝土性能影響的研究還有待進一步完善。基于此，本文以花崗巖石粉為例，通過和傳統(tǒng)礦渣粉進行復摻，研究了不同復摻比例對混凝土性能的影響規(guī)律，最終確定了復摻礦渣粉和花崗巖石粉的合理復摻比例。

1 原材料

(1)水泥：采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標如表1所示。

表1 水泥主要性能指標表

(2)礦物摻和料：礦渣粉采用等級為S95的礦渣粉，密度為2.9 g/cm3，其主要性能指標如表2所示。石粉采用某石材廠花崗巖拋光所得石粉，其主要性能指標如表3所示。

表2 礦渣粉性能指標表

表3 花崗巖石粉性能指標表

(3)粗集料：采用5～31.5 mm的連續(xù)級配花崗巖碎石，其針片狀含量為7.1%。

(4)細集料：采用中粗砂級配良好的天然河砂，含泥量為0.7%，細度模數(shù)為2.9。

(5)減水劑：采用聚羧酸高效減水劑，摻量為1%。

(6)水：采用市政自來水。

2 試驗方案及配合比設計

2.1 試驗方法

按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080-2016)規(guī)范要求對混凝土進行工作性能試驗；按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)規(guī)范要求對混凝土進行抗折強度試驗；按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)規(guī)范要求分別對混凝土進行收縮性能試驗、抗凍性能試驗。

2.2 配合比設計

混凝土配合比設計按照《公路水泥混凝土路面施工技術細則》(JTG/T F30-2014)規(guī)范要求，分別制備純水泥混凝土試件A1組、單摻30%礦渣粉混凝土試件A2組、單摻30%花崗巖石粉混凝土試件A3組、復摻10%礦渣粉+20%花崗巖石粉混凝土試件A4組、復摻15%礦渣粉+15%花崗巖石粉混凝土試件A5組以及復摻20%礦渣粉+10%花崗巖石粉混凝土試件A6組。混凝土配合比設計如表4所示。

表4 混凝土配合比設計表(kg/m3)

3 結果與分析

為研究復摻礦渣粉和花崗巖石粉對混凝土性能的影響，以A1、A2、A3組混凝土試件為參照組，以A4、A5、A6組混凝土試件為比較組，針對不同復摻比例混凝土試件的工作性能、力學性能、收縮性能及抗凍性能進行對比分析。

3.1 混凝土工作性能分析

為分析復摻礦渣粉和花崗巖石粉對混凝土工作性能的影響，依次對A1～A6組混凝土試件進行坍落度試驗，得到坍落度變化曲線如圖1所示。

圖1 混凝土試件坍落度變化曲線圖

根據(jù)圖1可知，相對于A1組基準混凝土試件的坍落度，單摻和復摻礦物摻和料的混凝土坍落度均有所增大，說明礦渣粉和花崗巖石粉的摻入均可提升混凝土的坍落度。其中單摻礦渣粉或花崗巖石粉的A2、A3組混凝土試件坍落度增幅較為顯著，而復摻礦渣粉和花崗巖石粉的A4～A6組混凝土試件坍落度增幅相對較小。分析原因，主要是單摻礦渣粉或花崗巖石粉時，雖然混凝土試件的包裹性和和易性得到了有效改善，但混凝土整體的粘聚性有所下降，從而使得混凝土的坍落度大幅提升；而復摻礦渣粉和花崗巖石粉時，在改善混凝土試件的包裹性和和易性的同時，還可有效增強混凝土的粘聚性，使混凝土具有一定流動性。由此說明，復摻礦渣粉和花崗巖石粉對于改善混凝土的工作性能具有優(yōu)良效果。

3.2 混凝土力學性能分析

為分析復摻礦渣粉和花崗巖石粉對混凝土力學性能的影響，依次對A1～A6組混凝土試件進行抗壓強度試驗，得到抗壓強度變化曲線如圖2所示。

圖2 混凝土試件抗壓強度變化曲線圖

根據(jù)圖2可知，隨著花崗巖石粉和礦渣粉的摻入，混凝土試件7 d、28 d的抗壓強度均有所減小，其中單摻礦渣粉和花崗巖石粉的混凝土試件抗壓強度減小幅度較大，復摻花崗巖石粉和礦渣粉的混凝土試件抗壓強度減小幅度相對較小，說明花崗巖石粉和礦渣粉無論是單摻還是復摻均會降低混凝土的抗壓強度。對于齡期為7 d的混凝土試件而言，A2～A6組混凝土試件的抗壓強度分別減小了27.9%、31.6%、25%、15.2%、13.8%，對于齡期為28 d的混凝土試件而言，A2～A6組混凝土試件的抗壓強度分別減小了24.9%、30.7%、20.6%、15%、13.4%，其中單摻花崗巖石粉混凝土試件的抗壓強度下降最為明顯，復摻花崗巖石粉和礦渣粉A5、A6組混凝土試件的抗壓強度下降幅度較小。由此說明，單摻或復摻花崗巖石粉和礦渣粉均會不同程度地降低混凝土的力學性能。

3.3 混凝土收縮性能分析

為分析復摻礦渣粉和花崗巖石粉對混凝土收縮性能的影響，依次對A1～A6組混凝土試件進行收縮試驗，得到混凝土收縮率變化曲線如圖3所示。

圖3 混凝土試件收縮率變化曲線圖

根據(jù)圖3可知，隨著花崗巖石粉和礦渣粉的摻入，A2～A6組混凝土試件的收縮率均出現(xiàn)不同程度的減小，其中單摻花崗巖石粉或礦渣粉的混凝土試件收縮率減小幅度較小，而復摻花崗巖石粉和礦渣粉的混凝土試件收縮率減小幅度較大，說明花崗巖石粉和礦渣粉無論是單摻還是復摻均可降低混凝土的收縮率。對于齡期為180 d的混凝土試件而言，單摻礦渣粉或花崗巖石粉的混凝土試件收縮率可減小12.9%和17.6%，其中單摻花崗巖石粉對于控制混凝土收縮過程的效果要優(yōu)于單摻礦渣粉，復摻礦渣粉或花崗巖石粉A4～A6組的混凝土收縮率分別減小16.4%、23.7%、15.3%，其中A5組試件對于控制混凝土收縮過程的效果要優(yōu)于A4和A6組試件，且混凝土的收縮率減小幅度要比單摻花崗巖石粉大。由此說明，復摻比例選擇15%花崗巖石粉+15%礦渣粉對于提升混凝土的收縮性能效果更好。

3.4 混凝土抗凍性能分析

為分析復摻礦渣粉和花崗巖石粉對混凝土抗凍性能的影響，依次對A1～A6組混凝土試件進行凍融循環(huán)試驗，得到相對動彈性模量和質量損失率變化曲線分別如圖4、圖5所示。

圖5 混凝土試件質量損失率變化曲線圖

根據(jù)圖4可知，在凍融循環(huán)90次后，單摻花崗巖石粉的混凝土試件相對動彈性模量減小幅度最大，減小約12.7%，而單摻礦渣粉和復摻15%花崗巖石粉+15%礦渣粉的混凝土試件相對動彈性模量增大了約3%。在凍融循環(huán)180次后，單摻花崗巖石粉的混凝土試件相對動彈性模量同樣減小幅度最大，減幅增至16.7%，而單摻礦渣粉和復摻15%花崗巖石粉+15%礦渣粉的混凝土試件相對動彈性模量減小幅度基本一致，均要小于其他混凝土試件。由此說明，復摻15%花崗巖石粉+15%礦渣粉與單摻30%礦渣粉改善效果相似。

圖4 混凝土試件相對動彈性模量變化曲線圖

根據(jù)圖5可知，在凍融循環(huán)90次后，單摻花崗巖石粉的混凝土試件質量損失率增長幅度最大，增大近2.5倍，而單摻礦渣粉和復摻15%花崗巖石粉+15%礦渣粉的混凝土試件質量損失率相差不大，增幅均較小。在凍融循環(huán)180次后，單摻花崗巖石粉的混凝土試件質量損失率增幅縮至2倍，增幅仍為最大值，而單摻礦渣粉和復摻15%花崗巖石粉+15%礦渣粉的混凝土試件質量損失率增幅有所下降，均小于其他混凝土試件。綜合來看，復摻比例選擇15%花崗巖石粉+15%礦渣粉可有效保證混凝土的抗凍性能。

4 結語

(1)單摻或復摻礦渣粉和花崗巖石粉均會增大混凝土的坍落度，其中單摻的混凝土包裹性和和易性較強，而復摻的混凝土粘聚性和流動性較好，復摻對于改善混凝土的工作性能效果較好。

(2)花崗巖石粉和礦渣粉的摻入會降低混凝土的抗壓強度，其中單摻花崗巖石粉和礦渣粉的混凝土抗壓強度減小幅度較大，而復摻花崗巖石粉和礦渣粉的混凝土抗壓強度減小幅度相對較小。

(3)單摻或復摻礦渣粉和花崗巖石粉均可降低混凝土的收縮率，復摻效果要優(yōu)于單摻，復摻比例選擇15%花崗巖石粉+15%礦渣粉對于增強混凝土的收縮性能效果相對更優(yōu)。

(4)隨著花崗巖石粉和礦渣粉的摻入，混凝土的相對動彈性模量會有所減小，質量損失率有所增大。其中，復摻15%花崗巖石粉+15%礦渣粉與單摻30%礦渣粉效果相差不大，均可保證混凝土的抗凍性能滿足設計要求。