復(fù)摻花崗巖石粉和礦渣粉對(duì)混凝土性能的影響研究

馬富財(cái)

(新疆維吾爾自治區(qū)交通建設(shè)管理局項(xiàng)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(fèi)了土地資源，更給生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重污染[1]。同時(shí)，由于混凝土產(chǎn)量的不斷上升，導(dǎo)致傳統(tǒng)礦物摻和料供不應(yīng)求，嚴(yán)重影響了混凝土的質(zhì)量[2-3]。因此，如何將廢棄石粉合理應(yīng)用到混凝土的生產(chǎn)中已成為當(dāng)下學(xué)者亟須研究的重要課題[4]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于廢棄石粉在混凝土中的應(yīng)用展開了大量研究，李林等[5]為獲得花崗巖機(jī)制砂的適宜石粉含量范圍，研究了機(jī)制砂的石粉含量對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的工作性能、強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能的影響。雷濤[6]采用硅灰復(fù)合技術(shù)對(duì)玄武巖石粉混凝土密實(shí)度進(jìn)行了改性，發(fā)現(xiàn)采用5%硅灰復(fù)合20%玄武巖石粉可配制出密實(shí)度滿足要求的混凝土。張凌強(qiáng)等[7]采用花崗巖機(jī)制砂配制預(yù)應(yīng)力T梁用C50混凝土，研究了機(jī)制砂石粉含量在3%～9%范圍變化對(duì)C50機(jī)制砂混凝土工作性能、力學(xué)性能、收縮和耐久性能的影響。廖成皓等[8]通過對(duì)石粉、鋼渣與減水劑的相容性和摻入混凝土后的基本力學(xué)和收縮情況進(jìn)行試驗(yàn)，研究了不同石粉和鋼渣摻量及兩者不同占比對(duì)混凝土強(qiáng)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(duì)混凝土性能的影響研究，而關(guān)于石粉復(fù)摻對(duì)混凝土性能影響的研究還有待進(jìn)一步完善?；诖?，本文以花崗巖石粉為例，通過和傳統(tǒng)礦渣粉進(jìn)行復(fù)摻，研究了不同復(fù)摻比例對(duì)混凝土性能的影響規(guī)律，最終確定了復(fù)摻礦渣粉和花崗巖石粉的合理復(fù)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(biāo)如表1所示。

表1 水泥主要性能指標(biāo)表

(2)礦物摻和料：礦渣粉采用等級(jí)為S95的礦渣粉，密度為2.9 g/cm3，其主要性能指標(biāo)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(biāo)如表3所示。

表2 礦渣粉性能指標(biāo)表

表3 花崗巖石粉性能指標(biāo)表

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

(4)細(xì)集料：采用中粗砂級(jí)配良好的天然河砂，含泥量為0.7%，細(xì)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(yàn)方案及配合比設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方法

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

2.2 配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比設(shè)計(jì)按照《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)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(fù)摻10%礦渣粉+20%花崗巖石粉混凝土試件A4組、復(fù)摻15%礦渣粉+15%花崗巖石粉混凝土試件A5組以及復(fù)摻20%礦渣粉+10%花崗巖石粉混凝土試件A6組?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)如表4所示。

表4 混凝土配合比設(shè)計(jì)表(kg/m3)

3 結(jié)果與分析

為研究復(fù)摻礦渣粉和花崗巖石粉對(duì)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(duì)不同復(fù)摻比例混凝土試件的工作性能、力學(xué)性能、收縮性能及抗凍性能進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 混凝土工作性能分析

為分析復(fù)摻礦渣粉和花崗巖石粉對(duì)混凝土工作性能的影響，依次對(duì)A1～A6組混凝土試件進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，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(duì)于A1組基準(zhǔn)混凝土試件的坍落度，單摻和復(fù)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(fù)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(duì)較小。分析原因，主要是單摻礦渣粉或花崗巖石粉時(shí)，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(fù)摻礦渣粉和花崗巖石粉時(shí)，在改善混凝土試件的包裹性和和易性的同時(shí)，還可有效增強(qiáng)混凝土的粘聚性，使混凝土具有一定流動(dòng)性。由此說明，復(fù)摻礦渣粉和花崗巖石粉對(duì)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(xué)性能分析

為分析復(fù)摻礦渣粉和花崗巖石粉對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，依次對(duì)A1～A6組混凝土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖2所示。

圖2 混凝土試件抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度減小幅度較大，復(fù)摻花崗巖石粉和礦渣粉的混凝土試件抗壓強(qiáng)度減小幅度相對(duì)較小，說明花崗巖石粉和礦渣粉無論是單摻還是復(fù)摻均會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。對(duì)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(qiáng)度分別減小了27.9%、31.6%、25%、15.2%、13.8%，對(duì)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(qiáng)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(qiáng)度下降最為明顯，復(fù)摻花崗巖石粉和礦渣粉A5、A6組混凝土試件的抗壓強(qiáng)度下降幅度較小。由此說明，單摻或復(fù)摻花崗巖石粉和礦渣粉均會(huì)不同程度地降低混凝土的力學(xué)性能。

3.3 混凝土收縮性能分析

為分析復(fù)摻礦渣粉和花崗巖石粉對(duì)混凝土收縮性能的影響，依次對(duì)A1～A6組混凝土試件進(jìn)行收縮試驗(yàn)，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(fù)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(fù)摻均可降低混凝土的收縮率。對(duì)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(duì)于控制混凝土收縮過程的效果要優(yōu)于單摻礦渣粉，復(fù)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(duì)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(fù)摻比例選擇15%花崗巖石粉+15%礦渣粉對(duì)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(fù)摻礦渣粉和花崗巖石粉對(duì)混凝土抗凍性能的影響，依次對(duì)A1～A6組混凝土試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，得到相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)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(zhì)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(duì)動(dòng)彈性模量減小幅度最大，減小約12.7%，而單摻礦渣粉和復(fù)摻15%花崗巖石粉+15%礦渣粉的混凝土試件相對(duì)動(dòng)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(duì)動(dòng)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(fù)摻15%花崗巖石粉+15%礦渣粉的混凝土試件相對(duì)動(dòng)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(fù)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(duì)動(dòng)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(zhì)量損失率增長幅度最大，增大近2.5倍，而單摻礦渣粉和復(fù)摻15%花崗巖石粉+15%礦渣粉的混凝土試件質(zhì)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(zhì)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(fù)摻15%花崗巖石粉+15%礦渣粉的混凝土試件質(zhì)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(fù)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(jié)語

(1)單摻或復(fù)摻礦渣粉和花崗巖石粉均會(huì)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(qiáng)，而復(fù)摻的混凝土粘聚性和流動(dòng)性較好，復(fù)摻對(duì)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(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，其中單摻花崗巖石粉和礦渣粉的混凝土抗壓強(qiáng)度減小幅度較大，而復(fù)摻花崗巖石粉和礦渣粉的混凝土抗壓強(qiáng)度減小幅度相對(duì)較小。

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

(4)隨著花崗巖石粉和礦渣粉的摻入，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量會(huì)有所減小，質(zhì)量損失率有所增大。其中，復(fù)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(shè)計(jì)要求。