复掺花岗岩石粉和矿渣粉对混凝土性能的影响研究

马富财

(新疆维吾尔自治区交通建设管理局项目执行二处，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

近年来，随着我国石材工业的高速发展，石材加工过程中产生的废弃石屑、石粉未经处理随意堆放，不仅浪费了土地资源，更给生态环境带来了严重污染[1]。同时，由于混凝土产量的不断上升，导致传统矿物掺和料供不应求，严重影响了混凝土的质量[2-3]。因此，如何将废弃石粉合理应用到混凝土的生产中已成为当下学者亟须研究的重要课题[4]。

目前，国内外学者关于废弃石粉在混凝土中的应用展开了大量研究，李林等[5]为获得花岗岩机制砂的适宜石粉含量范围，研究了机制砂的石粉含量对不同强度等级混凝土的工作性能、强度和抗氯离子渗透性能的影响。雷涛[6]采用硅灰复合技术对玄武岩石粉混凝土密实度进行了改性，发现采用5%硅灰复合20%玄武岩石粉可配制出密实度满足要求的混凝土。张凌强等[7]采用花岗岩机制砂配制预应力T梁用C50混凝土，研究了机制砂石粉含量在3%～9%范围变化对C50机制砂混凝土工作性能、力学性能、收缩和耐久性能的影响。廖成皓等[8]通过对石粉、钢渣与减水剂的相容性和掺入混凝土后的基本力学和收缩情况进行试验，研究了不同石粉和钢渣掺量及两者不同占比对混凝土强度和收缩率的影响。上述研究主要集中在单掺石粉及掺量对混凝土性能的影响研究，而关于石粉复掺对混凝土性能影响的研究还有待进一步完善。基于此，本文以花岗岩石粉为例，通过和传统矿渣粉进行复掺，研究了不同复掺比例对混凝土性能的影响规律，最终确定了复掺矿渣粉和花岗岩石粉的合理复掺比例。

1 原材料

(1)水泥：采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，其主要性能指标如表1所示。

表1 水泥主要性能指标表

(2)矿物掺和料：矿渣粉采用等级为S95的矿渣粉，密度为2.9 g/cm3，其主要性能指标如表2所示。石粉采用某石材厂花岗岩抛光所得石粉，其主要性能指标如表3所示。

表2 矿渣粉性能指标表

表3 花岗岩石粉性能指标表

(3)粗集料：采用5～31.5 mm的连续级配花岗岩碎石，其针片状含量为7.1%。

(4)细集料：采用中粗砂级配良好的天然河砂，含泥量为0.7%，细度模数为2.9。

(5)减水剂：采用聚羧酸高效减水剂，掺量为1%。

(6)水：采用市政自来水。

2 试验方案及配合比设计

2.1 试验方法

按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)规范要求对混凝土进行工作性能试验；按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)规范要求对混凝土进行抗折强度试验；按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)规范要求分别对混凝土进行收缩性能试验、抗冻性能试验。

2.2 配合比设计

混凝土配合比设计按照《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30-2014)规范要求，分别制备纯水泥混凝土试件A1组、单掺30%矿渣粉混凝土试件A2组、单掺30%花岗岩石粉混凝土试件A3组、复掺10%矿渣粉+20%花岗岩石粉混凝土试件A4组、复掺15%矿渣粉+15%花岗岩石粉混凝土试件A5组以及复掺20%矿渣粉+10%花岗岩石粉混凝土试件A6组。混凝土配合比设计如表4所示。

表4 混凝土配合比设计表(kg/m3)

3 结果与分析

为研究复掺矿渣粉和花岗岩石粉对混凝土性能的影响，以A1、A2、A3组混凝土试件为参照组，以A4、A5、A6组混凝土试件为比较组，针对不同复掺比例混凝土试件的工作性能、力学性能、收缩性能及抗冻性能进行对比分析。

3.1 混凝土工作性能分析

为分析复掺矿渣粉和花岗岩石粉对混凝土工作性能的影响，依次对A1～A6组混凝土试件进行坍落度试验，得到坍落度变化曲线如图1所示。

图1 混凝土试件坍落度变化曲线图

根据图1可知，相对于A1组基准混凝土试件的坍落度，单掺和复掺矿物掺和料的混凝土坍落度均有所增大，说明矿渣粉和花岗岩石粉的掺入均可提升混凝土的坍落度。其中单掺矿渣粉或花岗岩石粉的A2、A3组混凝土试件坍落度增幅较为显著，而复掺矿渣粉和花岗岩石粉的A4～A6组混凝土试件坍落度增幅相对较小。分析原因，主要是单掺矿渣粉或花岗岩石粉时，虽然混凝土试件的包裹性和和易性得到了有效改善，但混凝土整体的粘聚性有所下降，从而使得混凝土的坍落度大幅提升；而复掺矿渣粉和花岗岩石粉时，在改善混凝土试件的包裹性和和易性的同时，还可有效增强混凝土的粘聚性，使混凝土具有一定流动性。由此说明，复掺矿渣粉和花岗岩石粉对于改善混凝土的工作性能具有优良效果。

3.2 混凝土力学性能分析

为分析复掺矿渣粉和花岗岩石粉对混凝土力学性能的影响，依次对A1～A6组混凝土试件进行抗压强度试验，得到抗压强度变化曲线如图2所示。

图2 混凝土试件抗压强度变化曲线图

根据图2可知，随着花岗岩石粉和矿渣粉的掺入，混凝土试件7 d、28 d的抗压强度均有所减小，其中单掺矿渣粉和花岗岩石粉的混凝土试件抗压强度减小幅度较大，复掺花岗岩石粉和矿渣粉的混凝土试件抗压强度减小幅度相对较小，说明花岗岩石粉和矿渣粉无论是单掺还是复掺均会降低混凝土的抗压强度。对于龄期为7 d的混凝土试件而言，A2～A6组混凝土试件的抗压强度分别减小了27.9%、31.6%、25%、15.2%、13.8%，对于龄期为28 d的混凝土试件而言，A2～A6组混凝土试件的抗压强度分别减小了24.9%、30.7%、20.6%、15%、13.4%，其中单掺花岗岩石粉混凝土试件的抗压强度下降最为明显，复掺花岗岩石粉和矿渣粉A5、A6组混凝土试件的抗压强度下降幅度较小。由此说明，单掺或复掺花岗岩石粉和矿渣粉均会不同程度地降低混凝土的力学性能。

3.3 混凝土收缩性能分析

为分析复掺矿渣粉和花岗岩石粉对混凝土收缩性能的影响，依次对A1～A6组混凝土试件进行收缩试验，得到混凝土收缩率变化曲线如图3所示。

图3 混凝土试件收缩率变化曲线图

根据图3可知，随着花岗岩石粉和矿渣粉的掺入，A2～A6组混凝土试件的收缩率均出现不同程度的减小，其中单掺花岗岩石粉或矿渣粉的混凝土试件收缩率减小幅度较小，而复掺花岗岩石粉和矿渣粉的混凝土试件收缩率减小幅度较大，说明花岗岩石粉和矿渣粉无论是单掺还是复掺均可降低混凝土的收缩率。对于龄期为180 d的混凝土试件而言，单掺矿渣粉或花岗岩石粉的混凝土试件收缩率可减小12.9%和17.6%，其中单掺花岗岩石粉对于控制混凝土收缩过程的效果要优于单掺矿渣粉，复掺矿渣粉或花岗岩石粉A4～A6组的混凝土收缩率分别减小16.4%、23.7%、15.3%，其中A5组试件对于控制混凝土收缩过程的效果要优于A4和A6组试件，且混凝土的收缩率减小幅度要比单掺花岗岩石粉大。由此说明，复掺比例选择15%花岗岩石粉+15%矿渣粉对于提升混凝土的收缩性能效果更好。

3.4 混凝土抗冻性能分析

为分析复掺矿渣粉和花岗岩石粉对混凝土抗冻性能的影响，依次对A1～A6组混凝土试件进行冻融循环试验，得到相对动弹性模量和质量损失率变化曲线分别如图4、图5所示。

图5 混凝土试件质量损失率变化曲线图

根据图4可知，在冻融循环90次后，单掺花岗岩石粉的混凝土试件相对动弹性模量减小幅度最大，减小约12.7%，而单掺矿渣粉和复掺15%花岗岩石粉+15%矿渣粉的混凝土试件相对动弹性模量增大了约3%。在冻融循环180次后，单掺花岗岩石粉的混凝土试件相对动弹性模量同样减小幅度最大，减幅增至16.7%，而单掺矿渣粉和复掺15%花岗岩石粉+15%矿渣粉的混凝土试件相对动弹性模量减小幅度基本一致，均要小于其他混凝土试件。由此说明，复掺15%花岗岩石粉+15%矿渣粉与单掺30%矿渣粉改善效果相似。

图4 混凝土试件相对动弹性模量变化曲线图

根据图5可知，在冻融循环90次后，单掺花岗岩石粉的混凝土试件质量损失率增长幅度最大，增大近2.5倍，而单掺矿渣粉和复掺15%花岗岩石粉+15%矿渣粉的混凝土试件质量损失率相差不大，增幅均较小。在冻融循环180次后，单掺花岗岩石粉的混凝土试件质量损失率增幅缩至2倍，增幅仍为最大值，而单掺矿渣粉和复掺15%花岗岩石粉+15%矿渣粉的混凝土试件质量损失率增幅有所下降，均小于其他混凝土试件。综合来看，复掺比例选择15%花岗岩石粉+15%矿渣粉可有效保证混凝土的抗冻性能。

4 结语

(1)单掺或复掺矿渣粉和花岗岩石粉均会增大混凝土的坍落度，其中单掺的混凝土包裹性和和易性较强，而复掺的混凝土粘聚性和流动性较好，复掺对于改善混凝土的工作性能效果较好。

(2)花岗岩石粉和矿渣粉的掺入会降低混凝土的抗压强度，其中单掺花岗岩石粉和矿渣粉的混凝土抗压强度减小幅度较大，而复掺花岗岩石粉和矿渣粉的混凝土抗压强度减小幅度相对较小。

(3)单掺或复掺矿渣粉和花岗岩石粉均可降低混凝土的收缩率，复掺效果要优于单掺，复掺比例选择15%花岗岩石粉+15%矿渣粉对于增强混凝土的收缩性能效果相对更优。

(4)随着花岗岩石粉和矿渣粉的掺入，混凝土的相对动弹性模量会有所减小，质量损失率有所增大。其中，复掺15%花岗岩石粉+15%矿渣粉与单掺30%矿渣粉效果相差不大，均可保证混凝土的抗冻性能满足设计要求。