白云巖石粉混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

樂興 梅世龍 王石磊

摘 要：為研究白云巖石粉對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，采用單摻白云巖石粉等質(zhì)量取代10%、15%、20%和30%水泥和復(fù)摻白云巖石粉-粉煤灰等質(zhì)量取代20%水泥的方法，對(duì)混凝土進(jìn)行坍落度、擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，并測(cè)定其折壓比和拉壓比。試驗(yàn)結(jié)果表明：坍落度和擴(kuò)展度隨石粉摻量增加呈先減后增的趨勢(shì)，20%摻量時(shí)最低；石粉加入會(huì)降低抗壓強(qiáng)度，15%摻量時(shí)強(qiáng)度損失約10%，峰值抗折強(qiáng)度對(duì)應(yīng)石粉摻量為15%；摻量從10%到20%時(shí)，混凝土彈性模量和劈拉強(qiáng)度會(huì)增大，且折壓比、拉壓比變大；與單摻比，1 ∶3復(fù)摻白云巖石粉-粉煤灰能保持混凝土坍落度和擴(kuò)展度，并能提高混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，1 ∶1復(fù)摻能改善混凝土彈性模量?？梢姡自茙r石粉摻量在10%～15%之間，復(fù)摻比例為1 ∶3時(shí)，混凝土力學(xué)性能綜合表現(xiàn)更佳。

關(guān)鍵詞：白云巖石粉；石粉混凝土；力學(xué)性能試驗(yàn)；彈性模量

中圖分類號(hào)：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，水泥產(chǎn)量逐年增加，近十年來水泥平均年產(chǎn)量約為23億t。然而，每生產(chǎn)1 t水泥需要消耗大量的煤炭和電能資源，伴生的粉塵和廢氣亦會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，因此亟需尋求一種能替代或部分取代水泥的材料。如今我國天然河砂嚴(yán)重匱乏，機(jī)制砂替代河砂制備混凝土成為如今的主流趨勢(shì)［1］。然而機(jī)制砂制備過程中產(chǎn)生大量石粉，若得不到合理利用，將產(chǎn)生大量的浪費(fèi)且極大地破壞生態(tài)環(huán)境。將廢棄石粉摻入混凝土中，可以推進(jìn)巖石粉混凝土的綠色應(yīng)用。

陸采榮等［2］研究發(fā)現(xiàn)，摻入巖石粉會(huì)降低水泥砂漿強(qiáng)度且強(qiáng)度隨石粉摻量增加而降低，石粉對(duì)微孔觀結(jié)構(gòu)有優(yōu)化作用。梁濟(jì)豐等［3］研究表明，較單摻而言，復(fù)摻石灰石粉與粉煤灰可以明顯增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度。鄢佳佳等［4］研究發(fā)現(xiàn)，石粉比表面積對(duì)石粉活性影響顯著，砂漿抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度隨著比表面積增大而增大。謝衛(wèi)紅、顧佳俊等［5-6］研究表明，相比于單摻而言，復(fù)摻石灰石粉與粉煤灰明顯提高混凝土的早期抗裂系數(shù)和抗沖擊性能。王將華等［7］研究發(fā)現(xiàn)，摻花崗巖石粉砂漿的抗干縮性能隨著粉磨時(shí)間增加表現(xiàn)為先減小后增加再減小的趨勢(shì)，砂漿28 d干縮率隨著花崗巖石粉摻量增加而逐漸降低。

目前，對(duì)石粉混凝土的研究集中在石灰?guī)r、花崗巖和玄武巖等巖石上，對(duì)白云巖石粉的研究及白云巖石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的研究相對(duì)較少?；诖?，本試驗(yàn)以白云巖石粉為研究對(duì)象，通過內(nèi)摻石粉及復(fù)摻石粉-粉煤灰的方式，探討白云巖石粉-粉煤灰對(duì)機(jī)制砂混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，以期減少水泥消耗、促進(jìn)石粉固廢的利用，同時(shí)為白云巖石粉在機(jī)制砂混凝土中的有效應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)采用P·O 42.5水泥，其物理性能指標(biāo)見表1；粉煤灰為F類Ⅱ級(jí)粉煤灰；石粉為將白云巖機(jī)制砂烘干后，通過篩分保留粒徑小于75 μm的顆粒得到，比表面積為138 m2/kg，密度為2.84 g/cm3；粗集料和細(xì)集料均為白云巖，砂率為50%，其中粗集料粒徑范圍為5～25 mm，表觀密度為2 727 kg/m3，細(xì)集料細(xì)度模數(shù)2.9；減水劑為聚羧酸高性能減水劑，減水率為28%。

1.2 試驗(yàn)方法

參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）［8］進(jìn)行坍落度和擴(kuò)展度測(cè)試，參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）［9］進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量測(cè)試。

1.3 試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)采用單摻和復(fù)摻兩種方式。單摻是以水泥質(zhì)量的0、10%、15%、20%、30%的白云巖石粉取代水泥；復(fù)摻是白云巖石粉-粉煤灰分別按照1 ∶0、1 ∶1、1 ∶3和0 ∶1共同等質(zhì)量取代20%水泥?；炷僚浜媳纫姳?。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 工作性能

單摻和復(fù)摻下各組混凝土的坍落度和擴(kuò)展度見圖1。

由圖1（a）可知，隨著白云巖石粉取代率增加，混凝土坍落度和擴(kuò)展度均表現(xiàn)為先減小后增加的規(guī)律，且減小幅度較增加幅度小。與基準(zhǔn)（JZ）組比較，20%摻量下坍落度和擴(kuò)展度最低，分別降低14.63%和13.33%，30%摻量時(shí)最高且超過基準(zhǔn)組。這是因?yàn)榘自茙r石粉與水泥的需水量不同且兩者對(duì)減水劑存在競(jìng)爭吸附［10］，當(dāng)石粉摻量小于20%時(shí)，隨著石粉摻量的增加，體系的需水量也增加，相當(dāng)于減小體系的有效水灰比，使混凝土坍落度和擴(kuò)展度減??；當(dāng)石粉摻量大于20%時(shí)，體系中水泥減少，參與水化反應(yīng)的需水量減少，且石粉對(duì)體系具有一定的填充效應(yīng)置換出填充水，體系自由水增加，從而擴(kuò)展度和坍落度增加。

由圖1（b）知，與基準(zhǔn)組相比，單摻石粉會(huì)降低體系坍落度和擴(kuò)展度，單摻粉煤灰則相反。當(dāng)復(fù)摻取代20%水泥時(shí)，隨著粉煤灰量的增加，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均會(huì)增加，分析原因?yàn)椋悍勖夯翌w粒比石粉顆粒更圓滑，且石粉對(duì)減水劑的吸附作用小于粉煤灰，粉煤灰的“滾珠效應(yīng)”可降低漿體的塑性粘度［11］。D5F15組混凝土的坍落度和擴(kuò)展度與JZ組相當(dāng)，說明按一定比例復(fù)摻石粉-粉煤灰會(huì)改善混凝土工作性能。

2.2 抗壓強(qiáng)度

單摻和復(fù)摻下各組混凝土的抗壓強(qiáng)度見圖2。

由圖2（a）知，混凝土抗壓強(qiáng)度均隨著石粉取代率的增加而降低。當(dāng)取代率低于15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降幅度不是很大，以石粉增加5%為例，7 d和28 d強(qiáng)度下，15%較10%分別下降約0.74%和2.54%；而取代率大于15%時(shí)，隨著石粉取代率增加抗壓強(qiáng)度下降幅度加快，30%較20%摻量的28 d抗壓強(qiáng)度下降了17.2%。與JZ組相比，15%摻量的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別降低約8.22%和10.57%，30%摻量的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別降低約26.26%和34.41%。因?yàn)槭刍钚院艿?，隨著石粉摻量增加，水泥減少，水化產(chǎn)物減少，造成抗壓強(qiáng)度降低，當(dāng)石粉摻量低于15%時(shí)，石粉的填充作用有利于提升混凝土抗壓強(qiáng)度，但不能彌補(bǔ)水泥減少對(duì)強(qiáng)度造成的損失，故下降幅度較??；高于15%時(shí)，過量的石粉會(huì)導(dǎo)致混凝土最緊密堆積結(jié)構(gòu)破壞［12］，疊加上水泥減少造成的強(qiáng)度損失，故抗壓強(qiáng)度下降幅度較大。

由圖2（b）知，與JZ組比，單摻20%白云巖石粉或粉煤灰均會(huì)降低混凝土抗壓強(qiáng)度；當(dāng)復(fù)摻石粉-粉煤灰取代20%水泥時(shí)，隨著粉煤灰比例的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先減后增再減的規(guī)律，均在D10F10和D5F15處分別達(dá)到最小和最大，其3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別為28.9 MPa、36.1 MPa、43.7 MPa，以及31.7 MPa、39.2 MPa、46.7 MPa。相比于單摻，按一定比例復(fù)摻石粉-粉煤灰會(huì)提高混凝土抗壓強(qiáng)度，28 d下D5F15的抗壓強(qiáng)度較D20和F20分別增加了5.66%和1.3%。

2.3 抗折強(qiáng)度

單摻和復(fù)摻下各組混凝土的抗折強(qiáng)度見圖3。

由圖3（a）可知，隨著石粉取代率增加，混凝土7 d抗折強(qiáng)度先減后增再減，28 d抗折強(qiáng)度先增大后減小?；炷量拐蹚?qiáng)度均在15%取代率時(shí)最大，此時(shí)7 d和28 d抗折強(qiáng)度相較于JZ組分別提高了0.92%和5.85%；30%取代率時(shí)抗折強(qiáng)度最小，7 d和28 d抗折強(qiáng)度相較于JZ組分別降低了11.7%和2.35%，說明摻入適量石粉會(huì)增加混凝土抗折強(qiáng)度，過量石粉則會(huì)降低抗折強(qiáng)度。

由圖3（b）可知，當(dāng)復(fù)摻石粉-粉煤灰取代20%水泥時(shí)，隨著粉煤灰比例的增加，混凝土7 d抗折強(qiáng)度先增大后減小，28 d抗折強(qiáng)度先減后增再減。7 d下，D10F10組抗折強(qiáng)度最大，分別較D20和F20組提高3.31%和9.23%；28 d下，D5F15組抗折強(qiáng)度最大，較D20和F20組比，分別提高2.11%和11%，說明按一定比例復(fù)摻會(huì)提高混凝土抗折強(qiáng)度。

2.4 彈性模量

單摻和復(fù)摻各組混凝土的彈性模量見圖4。

圖4（a）表明，石粉混凝土的彈性模量隨著石粉取代率的增加呈現(xiàn)先減后增再減的變化趨勢(shì)。與JZ組比，取代率為10%、15%、20%和30%下，混凝土7 d彈性模量分別降低了7.26%、5.98%、4.27%和11.4%，混凝土28 d彈性模量分別降低了5.43%、4.04%、2.02%和10.35%。如果將石粉取代率控制在10%～20%，混凝土彈性模量降低幅度較小，這是因?yàn)閾郊舆m當(dāng)比例石粉，其填充作用導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，孔隙率降低，從而彈性模量提高。

圖4（b）表明，當(dāng)復(fù)摻石粉-粉煤灰取代20%水泥時(shí)，混凝土7 d和28 d彈性模量規(guī)律相似，均隨著粉煤灰比例的增加呈現(xiàn)先增大再減小后增大的變化趨勢(shì)。與D20和F20組相比，D10F10組7 d彈性模量分別提高11.31%和6.25%，D10F10組28 d彈性模量分別提高1.55%和4.51%。因此，等比例復(fù)摻白云巖石粉-粉煤灰會(huì)增強(qiáng)混凝土的彈性模量。

2.5 劈裂抗拉強(qiáng)度

單摻和復(fù)摻各組混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度見圖5。

圖5（a）表明，隨著石粉取代率的增加，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)先減小后增大再減小的變化趨勢(shì)。與JZ組比，各組混凝土7 d劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了15.6%、6.73%、-2.79%和20.2%，28 d劈拉強(qiáng)度分別降低了27%、21.17%、12.9%和38.93%。隨著齡期增長，各組混凝土劈拉強(qiáng)度提高但增速不同，隨著石粉取代率增加，各組28 d劈拉強(qiáng)度分別是7 d的1.35倍、1.17倍、1.14倍、1.14倍和1.03倍，劈拉強(qiáng)度增長速率隨著石粉摻量的增加而逐漸降低。

由圖5（b）知，當(dāng)復(fù)摻石粉-粉煤灰取代20%水泥時(shí)，隨著粉煤灰比例的增加，混凝土劈拉強(qiáng)度均出現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，均在D10F10組劈拉強(qiáng)度最低，D10F10組的7 d和28 d劈拉強(qiáng)度與D20組相比分別降低26.5%和12.3%，與F20組相比分別降低13.2%和12%。

2.6 折壓比

混凝土的韌性可用抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值即折壓比來表征，折壓比越大，混凝土韌性越好［13］。單摻石粉和復(fù)摻石粉-粉煤灰對(duì)混凝土折壓比的影響如圖6所示。

由圖6（a）可知，隨著白云巖石粉取代率增大，混凝土試件折壓比增大，且均高于基準(zhǔn)組。7 d齡期下較基準(zhǔn)組分別提高了5.2%、10%、13.6%和19.7%，28 d齡期下較基準(zhǔn)組分別提高了13.2%、18.4%、30.2%和49%。

由圖6（b）可知，當(dāng)復(fù)摻石粉-粉煤灰取代20%水泥時(shí)，隨著粉煤灰比例的增加，7 d折壓比先增后減，復(fù)摻D10F10組折壓比比單摻D20、F20組分別提高了9.6%和15%；28 d折壓比隨粉煤灰比例增加而降低，與D20組比較，D10F10、D5F15和F20組分別降低了0.2%、3.4%和11.8%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，單摻白云巖石粉能提高混凝土折壓比，增強(qiáng)混凝土韌性；按一定比例復(fù)摻石粉-粉煤灰，其28 d折壓比比單摻粉煤灰大，比單摻石粉小。

2.7 拉壓比

拉壓比是指劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值，是反映混凝土脆性的一個(gè)重要指標(biāo)，拉壓比越小，混凝土越容易脆性斷裂［14］。單摻石粉和復(fù)摻石粉-粉煤灰對(duì)混凝土拉壓比的影響如圖7所示。

由圖7（a）可知，隨著石粉取代率的增加，混凝土拉壓比均呈先下降后上升再下降的變化趨勢(shì)，在10%時(shí)拉壓比最低、20%時(shí)拉壓比最高。與基準(zhǔn)組相比，各組7 d拉壓比依次為基準(zhǔn)混凝土的0.91倍、1.02倍、1.18倍和1.08倍，28 d拉壓比依次為基準(zhǔn)混凝土的0.8倍、0.88倍、1.1倍和0.93倍，可以看出20%摻量石粉取代率有利于降低混凝土的脆性。

由圖7（b）可知，當(dāng)復(fù)摻石粉-粉煤灰取代20%水泥時(shí)，隨著粉煤灰比例的增加，拉壓比均呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢(shì)，D5F15組拉壓比最低。D10F10組7 d和28 d拉壓比分別是D20的0.78倍和0.89倍，是F20的0.91倍和0.93倍；D5F15組7 d和28 d拉壓比分別是D20的0.76倍和0.88倍，是F20的0.9倍和0.92倍?？梢钥闯觯c單摻比，復(fù)摻白云巖石粉-粉煤灰時(shí)混凝土更容易脆性破壞。

3 結(jié)論

1）隨著石粉摻量增加，混凝土坍落度和擴(kuò)展度先減后增，20%摻量時(shí)坍落度和擴(kuò)展度最小。加入粉煤灰會(huì)使坍落度和擴(kuò)展度變大，1 ∶3復(fù)摻白云巖石粉-粉煤灰時(shí)，其工作性能與基準(zhǔn)組相當(dāng)。

2）加入白云巖石粉會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量，10%～15%摻量時(shí)抗壓強(qiáng)度損失約10%，10%～20%摻量時(shí)劈拉強(qiáng)度會(huì)增大且彈性模量損失小于8%，15%摻量時(shí)抗折強(qiáng)度最大。石粉摻量對(duì)不同齡期混凝土的力學(xué)性能影響程度不同，其中對(duì)28d混凝土抗壓和劈拉強(qiáng)度影響更顯著。

3）與單摻比，1 ∶3復(fù)摻白云巖石粉-粉煤灰能提高抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，1 ∶1復(fù)摻能提高彈性模量，但復(fù)摻會(huì)降低劈拉強(qiáng)度，折壓比和拉壓比變小，混凝土韌性差，易脆性破壞。

4）石粉摻量增加，折壓比會(huì)增大，混凝土韌性好；拉壓比呈現(xiàn)先降后升再降的規(guī)律，10%～20%摻量混凝土脆性會(huì)逐漸減弱。

5）白云巖石粉取代10%～15%水泥，既減少水泥消耗，又促進(jìn)石粉固廢利用，有利于提高工程的經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)性。

參考文獻(xiàn)：

LI H J， HUANG F L， CHENG G Z， et al. Effect of granite dust on mechanical and some durability properties of manufactured sand concrete［J］. Construction and Building Materials， 2016， 109： 41-46.

［2］ 陸采榮， 戈雪良， 梅國興， 等. 白云巖石粉對(duì)水泥膠凝體系力學(xué)性能及孔結(jié)構(gòu)的影響［J］. 材料導(dǎo)報(bào)， 2013， 27（S2）： 305-306， 318.

［3］ 梁濟(jì)豐， 呂磊， 田艷鳳. 雙摻石灰石粉和粉煤灰混凝土靜態(tài)力學(xué)性能研究［J］. 混凝土， 2013（11）： 79-82， 87.

［4］ 鄢佳佳， 鄧翀， 葉仙松. 白云巖石粉比表面積對(duì)水泥砂漿性能的影響研究［J］. 混凝土與水泥制品， 2018（3）： 7-10.

［5］ 謝衛(wèi)紅， 賈風(fēng)輝， 張勇， 等. 雙摻石灰石粉和粉煤灰混凝土動(dòng)力性能試驗(yàn)研究［J］. 混凝土， 2014（7）： 20-22， 26.

［6］ 顧佳俊， 孔祥芝. 石灰石粉等量替代Ⅱ級(jí)粉煤灰對(duì)大壩碾壓混凝土抗裂性的影響［J］. 水利水電技術(shù)， 2018， 49（2）： 177-182.

［7］ 王將華， 薛翠真， 張宇， 等. 花崗巖石粉對(duì)砂漿干燥收縮性能的影響［J/OL］. 材料導(dǎo)報(bào)， 2023（22）： 1-15［2023-05-26］. http：//kns. cnki. net/kcms/detail/50. 1078. tb. 20221215. 1133. 002. html.

［8］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50080—2016［S］.? 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2017.

［9］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)： GB/T 50081—2019［S］. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2019.

［10］姚燕， 高瑞軍， 吳浩， 等. 白云巖石粉對(duì)水泥凈漿和砂漿流變性能影響及機(jī)理［J］. 建筑材料學(xué)報(bào)， 2019， 22（6）： 860-865.

［11］謝友均， 陳小波， 馬昆林， 等. 石灰石粉對(duì)水泥-粉煤灰砂漿流變行為影響的研究［J］. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2015， 12（1）： 59-65.

［12］張禮華， 劉來寶， 周永生， 等. 石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的影響［J］. 混凝土與水泥制品， 2011（12）： 22-26.

［13］張?zhí)m芳， 尹玉龍， 劉晶偉， 等. 玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的研究［J］. 硅酸鹽通報(bào)， 2014， 33（11）： 2834-2837.

［14］宋旭艷， 孫保金， 韓靜云， 等. 幾種礦物摻合料對(duì)混凝土脆性及早期開裂性能影響比較［J］. 混凝土與水泥制品， 2017（6）： 86-90.

（責(zé)任編輯：曾 晶）

Experimental Research on Mechanical Properties of

Dolomite Powder Concrete

LE Xing， MEI Shilong*， WANG Shilei

（College of Architecture and Urban Planning， Guizhou University， Guiyang 550025， China）

Abstract：

In order to study the effect of dolomite powder on the mechanical properties of concrete， the method of replacing 10%， 15%， 20% and 30% cement with dolomite powder and replacing 20% cement with dolomite powder-fly ash was adopted. The slump， expansion， compressive strength， flexural strength， elastic modulus and splitting tensile strength of concrete were tested， and the flexural compression ratio and tensile compression ratio were measured. The test results show that the slump and expansion degrees decrease first and then increase with the increase of stone powder content， and the lowest slump and expansion degrees are obtained with the 20% content. The addition of stone powder reduces the compressive strength; the content is 15%， the strength loss is about 10%， and the peak flexural strength corresponds to the stone powder content of 15%. When the dosage is from 10% to 20%， the elastic modulus and splitting tensile strength， the ratio of bending to compression， and the ratio of tension to compression of concrete all increase. Compared with single mixing ratio， 1 ∶3 mixed dolomite powder-fly ash can maintain the slump and expansion of concrete， and can improve the compressive strength and flexural strength of concrete， 1 ∶1 mixed can improve the elastic modulus of concrete. It can be seen that when the dolomite stone powder content is between 10% and 15%， and the mixed ratio is 1 ∶3， the comprehensive performance of concrete mechanical properties are better.

Key words：

dolomite powder; stone powder concrete; mechanical property test; elastic modulus