基于不同石粉摻量水泥力學(xué)性能變化試驗(yàn)研究

朱 坤，姬 諭，柳 惠，李澤浩，孟憲越，馬在勇，耿麗娟，武瑞甜

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院； 2.吉林省土木工程抗震減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.吉林省寒冷地區(qū)住宅工程建筑技術(shù)研究中心，長(zhǎng)春 130012)

0 引言

隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，交通建設(shè)、基礎(chǔ)建設(shè)以及對(duì)新“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”上國家的援建，使混凝土中的天然砂石一直處于高消耗狀態(tài)。目前，全世界砂石骨料的年產(chǎn)量約為500億t，中國對(duì)砂石的消耗量占全球砂石消耗量的42%。據(jù)砂石骨料網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年全國砂石消耗量為178.26億t，同比增長(zhǎng)1.39%。

在采石過程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生石屑、石粉，其中石屑為粒徑<5 mm的碎石顆粒，石粉為粒徑<75 μm的碎石顆粒。隨著砂石需求量的逐年增加，砂石開采對(duì)我國水源生態(tài)群系、礦脈以及日常生活都產(chǎn)生了一定程度的影響。國家統(tǒng)計(jì)局公布的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類中將機(jī)制砂、砂石尾礦再利用列入了我國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)產(chǎn)品服務(wù)，石粉廢料的再次利用將成為建筑行業(yè)研究與發(fā)展的重要課題。

目前缺少針對(duì)石粉對(duì)水泥強(qiáng)度影響，相應(yīng)的研究和相關(guān)規(guī)范。本次試驗(yàn)為室內(nèi)試驗(yàn)，通過外摻不同比例的石粉，研究其對(duì)不同配合比水泥強(qiáng)度的影響，以發(fā)揮石粉對(duì)水泥結(jié)構(gòu)性能的提升作用，從而為石粉廢料的二次利用提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

該試驗(yàn)方案擬定原材料有水泥、石粉和水。試驗(yàn)主要使用的儀器如圖1所示，有水泥膠砂攪拌機(jī)、水泥試模(70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm)、振動(dòng)臺(tái)、電液式伺服壓力試驗(yàn)機(jī)、養(yǎng)護(hù)箱、天平等。試驗(yàn)中所使用的水來自長(zhǎng)春市自來水。水泥使用型號(hào)為鼎鹿牌M32.5 GB/T3183-2017砌筑水泥，水泥強(qiáng)度指標(biāo)見表1。水泥的化學(xué)成分主要有三氧化硫(SO3)、氯離子(Cl-)以及水泥中水溶性鉻(Ⅵ)，其中三氧化硫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))≤3.5%；氯離子含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))≤0.06%；水泥中水溶性鉻(Ⅵ)含量≤10.0 mg/kg。

(a)養(yǎng)護(hù)室

(b)水泥試模

(c)振動(dòng)臺(tái)

(d)電液式伺服壓力試驗(yàn)機(jī)

水泥的物理性能為細(xì)度80 μm方孔篩篩余≤10.0%。凝結(jié)時(shí)間初凝時(shí)間≥60 min，終凝時(shí)間≤720 min。石粉的物理性能為篩分粒徑<75 μm的碎石顆粒，試驗(yàn)中以水泥質(zhì)量為基準(zhǔn)外摻，摻量分別為水泥質(zhì)量的0、5%、10%、20%、30%。

表1 水泥強(qiáng)度指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法

研究在不同水膠比狀態(tài)下加入一定量的石粉對(duì)水泥強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)具體方案為：參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》進(jìn)行水泥凈漿配制，石粉配合比見表2，將水泥和石粉倒入攪拌機(jī)中干拌30 s，加水慢拌60 s，再快拌60 s。

參照 JGJ—T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，將拌好的水泥漿倒入已刷完薄層脫模劑的試模內(nèi)，放置于振動(dòng)臺(tái)振實(shí)60次后取下試模，標(biāo)記后放置于室溫(20±5)℃條件下養(yǎng)護(hù)24 h脫模，立即送入溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度90%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。測(cè)定養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3 d、7 d、28 d的試件強(qiáng)度。使用電液式伺服壓力試驗(yàn)機(jī)與試塊幾何對(duì)中，使用試驗(yàn)力控制，取修正系數(shù)1.3，以5kN/s的速率加壓，直至試件被破壞，停止加載，記錄數(shù)據(jù)。

表2 石粉配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

養(yǎng)護(hù)好的試塊經(jīng)過壓件直至被破壞，試件破壞圖如圖2所示。不同石粉摻量下養(yǎng)護(hù)7 d試塊所能承受的最大壓力和平均抗壓強(qiáng)度值如圖3～4所示。由圖3～4可以看出，在3種不同水膠比的情況下，試塊強(qiáng)度大致呈現(xiàn)出一種先減小后增加的趨勢(shì)，在石粉摻量達(dá)到10%時(shí)，試塊所承受的最大壓力和平均抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最低，并隨著石粉摻量的增加而逐漸提升。當(dāng)水膠比為0.33時(shí)，石粉摻量的比例并不會(huì)使試塊所承受的最大力產(chǎn)生太大波動(dòng)，但是在摻量為5%～10%階段會(huì)出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，石粉摻量達(dá)到20%時(shí)，試塊平均抗壓強(qiáng)度幾乎等于摻量為0的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)水膠比為0.4時(shí)，試塊強(qiáng)度會(huì)隨著石粉摻量的增加出現(xiàn)明顯的起伏，當(dāng)石粉摻量為0%～10%階段，試塊抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)一種持續(xù)走低的趨勢(shì)，而石粉摻量達(dá)到20%時(shí)，其強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度的回升，但在石粉摻量達(dá)到30%時(shí)平均抗壓強(qiáng)度起伏不大。當(dāng)水膠比為0.5時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度同樣在摻量為0%～10%時(shí)持續(xù)降低，并在摻量達(dá)到20%時(shí)開始上升，摻量為30%階段的強(qiáng)度已經(jīng)可以與摻量為0的試塊的平均抗壓強(qiáng)度持平。綜合圖3～4以及實(shí)際情況，在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d的條件下，試塊強(qiáng)度總體先減小后增大，并在石粉摻量達(dá)到10%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最低，石粉摻量達(dá)到20%時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度提升幅度最大。

圖2 試塊被壓碎破壞

圖3 不同石粉摻量下養(yǎng)護(hù)7 d試塊所承受的最大力

圖4 不同石粉摻量下養(yǎng)護(hù)7 d試塊平均抗壓強(qiáng)度

如圖5～7所示，3張圖分別為不同水膠比情況下試件在28 d養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)抗壓強(qiáng)度的變化圖。由圖可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，試塊的抗壓強(qiáng)度也隨之增大。

圖5 水膠比為0.33時(shí)試塊不同齡期下的抗壓強(qiáng)度

圖6 水膠比為0.4時(shí)試塊不同齡期下的抗壓強(qiáng)度

圖7 水膠比為0.5時(shí)試塊不同齡期下的抗壓強(qiáng)度

由圖5可以看出，3 d齡期狀態(tài)下，不同石粉摻量的試塊強(qiáng)度接近，當(dāng)齡期達(dá)到7 d時(shí)，試塊強(qiáng)度皆有不同程度的漲幅，但差距依舊不夠明顯，當(dāng)齡期達(dá)到28 d時(shí)，試塊強(qiáng)度明顯分成兩個(gè)走向，石粉摻量為0與5%的試塊持續(xù)走高，其中摻量為5%的試塊強(qiáng)度在所有試塊中強(qiáng)度達(dá)到最高，而石粉摻量為10%、20%、30%的試塊強(qiáng)度提升不夠明顯。雖然水膠比為0.33時(shí)的所有試塊的抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)，但出現(xiàn)了發(fā)散的情況，石粉摻量較高的試件隨著齡期的增加，強(qiáng)度的提升不如低摻量和不摻石粉的情況。

從圖6中可以看出在水膠比為0.4的情況下，不同石粉摻量試塊的強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象。其中石粉摻量為0和20%的試塊強(qiáng)度一直在較高位置，并且走勢(shì)基本相同。石粉摻量為30%的試塊的塊強(qiáng)度略低于摻量為0與20%的試塊強(qiáng)度，在齡期為7 d時(shí)試塊強(qiáng)度相較于齡期為3 d的試塊的強(qiáng)度，但并沒有太多提升，石粉摻量為5%的試塊隨齡期的增長(zhǎng)抗壓強(qiáng)度并沒有太大的漲幅，而石粉摻量為10%的試塊強(qiáng)度明顯低于其他試塊，強(qiáng)度并未達(dá)到理想數(shù)值。

從圖7可以看出在水膠比為0.5的情況下，5種摻量的試塊的抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的幅度大致相同，其中石粉摻量為0與30%的試塊的抗壓強(qiáng)度在所有試塊中強(qiáng)度最高，當(dāng)齡期為3 d時(shí)，石粉摻量為30%的試塊強(qiáng)度最高，在齡期為3 ～7 d階段，摻量為30%的試塊抗壓強(qiáng)度漲幅低于摻量為0的試塊，而在齡期為28 d時(shí)，摻量為30%的試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到摻量為0的試塊的抗壓強(qiáng)度。石粉摻量為5%、10%、20%的試塊抗壓強(qiáng)度略低于另外兩種，但抗壓差別不大，僅增長(zhǎng)幅度較低，其中摻量為20%的試塊抗壓強(qiáng)度最低。

由前文的圖表可知，在不同水膠比的水泥凈漿中摻入石粉，試件所達(dá)到的強(qiáng)度差別較大。當(dāng)水膠比為0.33時(shí)，石粉摻量為5%時(shí)抗壓強(qiáng)度最高，要略高于水泥凈漿，水膠比為0.4時(shí)，石粉摻量為20%時(shí)抗壓強(qiáng)度與水泥凈漿強(qiáng)度相差不大，而水膠比為0.5時(shí)，石粉摻量為30%的試件抗壓強(qiáng)度在不同養(yǎng)護(hù)階段時(shí)強(qiáng)度與水泥凈漿強(qiáng)度有波動(dòng)性差異，養(yǎng)護(hù)齡期3 d時(shí)高于摻量為0的試塊的抗壓強(qiáng)度，7 d時(shí)低于0摻量時(shí)的抗壓強(qiáng)度，28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度達(dá)到與0摻量同樣數(shù)值。

4 結(jié)論

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著石粉摻量的增加，水泥抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出一種先降低后提高的走勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)石粉摻量達(dá)到10%時(shí)，其強(qiáng)度達(dá)到最低;當(dāng)石粉摻量達(dá)到20%時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)變化不顯著，并隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，強(qiáng)度仍呈現(xiàn)出持續(xù)緩慢提升的趨勢(shì)。

1)隨石粉摻量的增加，水泥抗壓強(qiáng)度總體呈現(xiàn)出在石粉摻量為10%時(shí)強(qiáng)度最低，而后隨石粉摻量增加強(qiáng)度緩步上升。

2)當(dāng)水膠比為0.33時(shí)，適當(dāng)添加石粉可改善水泥抗壓強(qiáng)度，而且各種石粉摻量之間相比，抗壓強(qiáng)度相差不大，但其中石粉摻量為10%及30%的抗壓強(qiáng)度較低。

3)當(dāng)水膠比為0.4時(shí)，水泥抗壓強(qiáng)度在不同的石粉摻量下出現(xiàn)明顯的分散現(xiàn)象，除20%石粉摻量強(qiáng)度可近似等于水泥凈漿，并未變太大影響，而石粉摻量為10%的試件強(qiáng)度明顯全面低于其他試件。

4)當(dāng)水膠比為0.5時(shí)，可看出石粉摻量為30%的試件在3 d齡期時(shí)強(qiáng)度明顯高于其他試件，而在7 d時(shí)強(qiáng)度出現(xiàn)差異，增長(zhǎng)幅度過小。

5)總體來看，在不同水膠比下，會(huì)出現(xiàn)不同石粉摻量條件下強(qiáng)度達(dá)到未加石粉時(shí)的強(qiáng)度，甚至?xí)兴岣摺?/p>

6)綜前所述，水膠比分別為0.33、0.4、0.5時(shí)，分別存在石粉摻量為5%、20%、30%時(shí)的抗壓強(qiáng)度與石粉摻量為0的抗壓強(qiáng)度相近，可按需進(jìn)行替換，達(dá)到降低成本的效果。

7)水泥基材料的力學(xué)性能預(yù)測(cè)較為復(fù)雜，后續(xù)應(yīng)選取不同種類、不同強(qiáng)度水泥進(jìn)行不同摻量試驗(yàn)，對(duì)該試驗(yàn)結(jié)果作出進(jìn)一步完善。