花崗巖石粉-硅灰復合混凝土基本性能分析

孔 亮

（吉林鐵道職業技術學院，吉林 吉林 132013）

引言

中國石材資源儲量居世界第一，而消耗量也是世界第一[1]。隨著石材開采加工行業的蓬勃發展，生產過程中產生的邊角余料及石粉廢料堆積成山，其無法科學回收利用造成了嚴重的資源浪費與環境污染[2]。因此將大量的石粉廢料科學利用，能有效地減少資源浪費、改善環境，有利于促進循環經濟發展。

近年來，國內外學者將具備一定火山灰活性的石灰石粉對混凝土性能方面的影響作為研究重點，開展了一系列研究并取得成果[3-8]。而對于惰性花崗巖石粉應用于混凝土的研究相對較少，且多集中于花崗巖石粉單摻條件下的研究，花崗巖石粉利用率較低。為提高廢舊花崗巖石粉的利用率，最大程度上解決石粉廢料污染問題。本試驗基于前期實驗結果，將花崗巖石粉與硅灰復摻，提高花崗巖石粉利用率，研究復合混凝土抗壓強度、抗折強度及抗碳化性能的影響規律并分析成因。證明花崗巖石粉應用于混凝土的可行性及良好的環境效益，為環保型復合混凝土生產提供相應的技術依據。

1 原材料、儀器及配合比

1.1 原材料

1）水泥：吉林亞泰水泥公司生產的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，28 d 抗壓強度44 MPa。

2）花崗巖石粉：取自吉林天崗地區石材加工場廢棄石粉沉淀池，細度≤75 μm。

3）硅灰：鄭州吉興微硅粉公司生產的0.1～0.2 μm硅灰。花崗巖石粉、硅灰化學組分及基本性能，如表1所示。

表1 花崗巖石粉、硅灰化學組分及基本性能

4）砂、碎石：細度模數2.8 天然河砂、5～31.5 mm連續級配碎石。

5）再生骨料：以吉林蛟河市天崗天意石材有限公司廢棄的花崗巖為骨料源，取花崗巖加工過程中產生的機制砂為部分細骨料，取邊角廢料等花崗巖石經破碎加工，取≤31.5 mm 顆粒作為粗骨料。

6）水和減水劑：水取自自來水；減水劑為吉林聯大化工廠生產的高效萘系減水劑，減水率18%。

1.2 主要儀器設備

WAW-600D 微機控制電液伺服萬能試驗機；TH-2 數顯式混凝土碳化箱

1.3 混凝土配合比

綜合考慮混凝土的和易性、強度和水灰比等參數。為最大程度綜合利用回收石材廢料，結合前人研究成果[17]，確定水灰比為0.5，以花崗巖粗骨料替代率為50%、花崗巖細骨料替代率為30%替代部分粗細骨料，以前期花崗巖石粉-硅灰水泥膠砂強度試驗結果所得到的石粉硅灰適宜摻比32%：8%比例取代水泥。配合比計算結果，如表2 所示。

表2 花崗巖石粉-硅灰復合復合混凝土配合比

2 抗壓強度、抗折強度與碳化試驗及結果分析

2.1 強度試驗與結果分析

2.1.1 抗壓強度

按上述配合比制備混凝土立方體試塊，共12 組每組3 塊。根據GB/T50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行混凝土立方體試塊的強度測定。如圖1 所示，為不同配比下花崗巖石粉硅灰復合混凝土3、7、28 d 抗壓強度變化趨勢。

由圖1 可知，隨著養護齡期的增加，復合混凝土抗壓強度逐漸提高，不同摻配比例下混凝土抗壓強度在不同齡期增降變化趨勢基本相同，呈現出先增后降趨勢，當以花崗巖石粉：硅灰為32%：8%替代水泥，粗細骨料不發生替代（GS00-000 組）時，復合混凝土的抗壓強度達到最大值。其中基準組（JZ）的3、7、28 d抗壓強度分別為23.96、32.11、40.73 MPa，GS00-000組復合混凝土3d、7d、28d 抗壓強度為25.34、33.89、41.06 MPa，同等齡期下比基準組提高1.38、1.78、1.03 MPa，分別提高了約5.76%、5.54%、2.53%；說明花崗巖石粉與硅灰的摻入有利于復合混凝土強度的提高，且早期強度提高幅度較大，3 d 時體現最為明顯。但當粗細骨料發生替代，隨著廢舊花崗巖粗細骨料摻配比例的提高復合混凝土的抗壓強度逐漸下降。當將天然碎石均由花崗巖粗骨料（GS30-100）替代時，其抗壓強度陡然下降，28 d 抗壓強度為28.93 MPa比照基準組28 d 為40.73 MPa 下降11.8 MPa，下降了約28.97%，因此不建議利用過高比例的花崗巖粗細骨料進行替代。

2.1.2 抗折強度

抗折強度根據GB/T50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法》標準采用簡支梁三分點加荷法測試。如圖2 所示，為不同配比下花崗巖石粉硅灰復合混凝土3、7、28 d 抗折強度變化趨勢。

由圖2 可知，不同摻配比例下混凝土抗折強度的增降變化趨勢基本相同，均呈現出先增后降趨勢。基準組（JZ）復合混凝土3、7、28 d 抗折強度分別為2.66、3.61、4.30 MPa，GS00-000 組復合混凝土3、7、28 d 抗折強度為2.89MPa、3.85MPa、4.42MPa，同等齡期下比基準組提高0.23、0.24、0.12 MPa，分別提高了約8.65%、6.65%、2.79%；通過抗折強度變化趨勢的體現，也說明花崗巖石粉-硅灰復合混凝土的早期強度要優于普通復合混凝土，且其28 d 力學性能能夠達到C40 普通復合混凝土的要求。試驗結果也表明當以花崗巖細骨料30%替代天然河砂，以花崗巖粗骨料50%替代天然碎石時，復合復合混凝土強度有小幅度下降，當粗骨料均由花崗巖廢料替代時，其強度下降幅度較大，因此在實際施工中應科學考慮花崗巖粗細骨料的替代率，進行合理替代以保證施工建設要求。

圖2 不同配比下花崗巖石粉硅灰復合混凝土3、7、28 d抗折強度

2.1.3 力學性能結果分析

適宜比例的花崗巖石粉與硅灰替代水泥時，復合混凝土的強度有所提高。原因在于：一方面通過花崗巖石粉、水泥、硅灰三者粒徑不同，使得微集料填充效應發揮作用。石粉與硅灰的摻入細化了水泥漿體內部的毛細孔隙，降低了孔隙率，提高了水泥漿體結構的密實性，增強了水泥漿體的強度，改善了復合體與集料之間的界面過渡區，使復合混凝土內部水泥漿體與粗骨料的黏結程度得到提高；另一方面通過花崗巖石粉微晶核效應與硅灰潛火山灰活性效應促進水泥水化反應，花崗巖石粉與硅灰混合漿體中含有大量的SiO2可以為β-C2S 和C3S 的水化提供活性位點，為水化產物提供了充裕的空間，促進水泥充分水化，避免了局部區域水化產物的過度聚集，降低CH 的定向富集，減少骨料表面大粒徑CH 的產生，使得漿體體系的強度得以提升。

2.2 抗碳化性能試驗與結果分析

2.2.1 碳化深度

抗碳化性能試驗根據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》要求進行。下頁表3 為不同配比下花崗巖石粉-硅灰復合混凝土3、7、28 d 不同加速碳化齡期下碳化深度測定結果。

表3 不同配比花崗巖石粉-硅灰復合混凝土加速碳化深度試驗結果

由表可見，不同配比花崗巖石粉-硅灰復合混凝土碳化深度隨碳化齡期的增加而加深。且花崗巖石粉與硅灰的摻入對于混凝土碳化早期影響較大，基準組快速碳化3 d 時碳化深度為2.52 mm 而摻加石粉與硅灰的三組3 d 時碳化深度均超過4 mm。但對比四組試件碳化齡期為28 d 時的碳化深度，GS00-000 組混凝土的抗碳化性能要優于其余三組。說明花崗巖石粉與硅灰的適當摻入可以提高復合混凝土后期抗碳化性能。但隨著花崗巖再生骨料替代比例的增加，復合復合混凝土的抗碳化性能明顯下降。

2.2.2 抗碳化性能結果分析

早期復合混凝土抗碳化性能較差原因在于花崗巖石粉粒徑0～75 μm，硅灰粒徑為0.1～0.2 μm 較之水泥而言二者的細度小，在質量相同的條件下，細度小比表面積大的顆粒更易使漿體更好地分散，更易接觸空氣中的CO2，更易發生碳化。花崗巖石粉與硅灰的適當摻入可以提高復合混凝土后期抗碳化性能是因為適量花崗巖石粉摻入，改善了混凝土孔隙結構，提高了混凝土密實程度，加之硅灰的摻入促進漿體二次水化所產生的膠凝物質阻斷或細化了部分CO2的擴散通道，有效抵抗CO2的侵入，降低混凝土碳化速率，提高混凝土抗碳化性能。另外，之所以花崗巖石粉-硅灰復合混凝土早期碳化速度比后期碳化速度快，原因主要是碳化反應的生成物CaCO3等物質是非溶解性鈣鹽，與原產物相比體積增大約17%，隨碳化反應不斷進行，堵塞了混凝土部分膠凝空隙和毛細孔隙，降低了CO2和水向混凝土內部的擴散速率。當隨著粗細骨料以花崗巖進行代替，混凝土體系中的各組織間的孔隙增大造成CO2較易侵入流通，混凝土抗碳化性能下降。

3 結論

1）以質量分數為花崗巖石粉：硅灰（32%：8%）替代水泥，粗細骨料不發生替代時的復合混凝土的28 d抗壓強度為41.06 MPa，抗折強度為4.42 MPa 且抗碳化能力相對最優；

2）花崗巖石粉微晶核效應與硅灰火山灰活性效應及二者的微集料填充效應是保障與改善復合混凝土力學與耐久性能的原因。