花岗岩石粉-硅灰复合混凝土基本性能分析

孔 亮

（吉林铁道职业技术学院，吉林 吉林 132013）

引言

中国石材资源储量居世界第一，而消耗量也是世界第一[1]。随着石材开采加工行业的蓬勃发展，生产过程中产生的边角余料及石粉废料堆积成山，其无法科学回收利用造成了严重的资源浪费与环境污染[2]。因此将大量的石粉废料科学利用，能有效地减少资源浪费、改善环境，有利于促进循环经济发展。

近年来，国内外学者将具备一定火山灰活性的石灰石粉对混凝土性能方面的影响作为研究重点，开展了一系列研究并取得成果[3-8]。而对于惰性花岗岩石粉应用于混凝土的研究相对较少，且多集中于花岗岩石粉单掺条件下的研究，花岗岩石粉利用率较低。为提高废旧花岗岩石粉的利用率，最大程度上解决石粉废料污染问题。本试验基于前期实验结果，将花岗岩石粉与硅灰复掺，提高花岗岩石粉利用率，研究复合混凝土抗压强度、抗折强度及抗碳化性能的影响规律并分析成因。证明花岗岩石粉应用于混凝土的可行性及良好的环境效益，为环保型复合混凝土生产提供相应的技术依据。

1 原材料、仪器及配合比

1.1 原材料

1）水泥：吉林亚泰水泥公司生产的P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，28 d 抗压强度44 MPa。

2）花岗岩石粉：取自吉林天岗地区石材加工场废弃石粉沉淀池，细度≤75 μm。

3）硅灰：郑州吉兴微硅粉公司生产的0.1～0.2 μm硅灰。花岗岩石粉、硅灰化学组分及基本性能，如表1所示。

表1 花岗岩石粉、硅灰化学组分及基本性能

4）砂、碎石：细度模数2.8 天然河砂、5～31.5 mm连续级配碎石。

5）再生骨料：以吉林蛟河市天岗天意石材有限公司废弃的花岗岩为骨料源，取花岗岩加工过程中产生的机制砂为部分细骨料，取边角废料等花岗岩石经破碎加工，取≤31.5 mm 颗粒作为粗骨料。

6）水和减水剂：水取自自来水；减水剂为吉林联大化工厂生产的高效萘系减水剂，减水率18%。

1.2 主要仪器设备

WAW-600D 微机控制电液伺服万能试验机；TH-2 数显式混凝土碳化箱

1.3 混凝土配合比

综合考虑混凝土的和易性、强度和水灰比等参数。为最大程度综合利用回收石材废料，结合前人研究成果[17]，确定水灰比为0.5，以花岗岩粗骨料替代率为50%、花岗岩细骨料替代率为30%替代部分粗细骨料，以前期花岗岩石粉-硅灰水泥胶砂强度试验结果所得到的石粉硅灰适宜掺比32%：8%比例取代水泥。配合比计算结果，如表2 所示。

表2 花岗岩石粉-硅灰复合复合混凝土配合比

2 抗压强度、抗折强度与碳化试验及结果分析

2.1 强度试验与结果分析

2.1.1 抗压强度

按上述配合比制备混凝土立方体试块，共12 组每组3 块。根据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行混凝土立方体试块的强度测定。如图1 所示，为不同配比下花岗岩石粉硅灰复合混凝土3、7、28 d 抗压强度变化趋势。

由图1 可知，随着养护龄期的增加，复合混凝土抗压强度逐渐提高，不同掺配比例下混凝土抗压强度在不同龄期增降变化趋势基本相同，呈现出先增后降趋势，当以花岗岩石粉：硅灰为32%：8%替代水泥，粗细骨料不发生替代（GS00-000 组）时，复合混凝土的抗压强度达到最大值。其中基准组（JZ）的3、7、28 d抗压强度分别为23.96、32.11、40.73 MPa，GS00-000组复合混凝土3d、7d、28d 抗压强度为25.34、33.89、41.06 MPa，同等龄期下比基准组提高1.38、1.78、1.03 MPa，分别提高了约5.76%、5.54%、2.53%；说明花岗岩石粉与硅灰的掺入有利于复合混凝土强度的提高，且早期强度提高幅度较大，3 d 时体现最为明显。但当粗细骨料发生替代，随着废旧花岗岩粗细骨料掺配比例的提高复合混凝土的抗压强度逐渐下降。当将天然碎石均由花岗岩粗骨料（GS30-100）替代时，其抗压强度陡然下降，28 d 抗压强度为28.93 MPa比照基准组28 d 为40.73 MPa 下降11.8 MPa，下降了约28.97%，因此不建议利用过高比例的花岗岩粗细骨料进行替代。

2.1.2 抗折强度

抗折强度根据GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法》标准采用简支梁三分点加荷法测试。如图2 所示，为不同配比下花岗岩石粉硅灰复合混凝土3、7、28 d 抗折强度变化趋势。

由图2 可知，不同掺配比例下混凝土抗折强度的增降变化趋势基本相同，均呈现出先增后降趋势。基准组（JZ）复合混凝土3、7、28 d 抗折强度分别为2.66、3.61、4.30 MPa，GS00-000 组复合混凝土3、7、28 d 抗折强度为2.89MPa、3.85MPa、4.42MPa，同等龄期下比基准组提高0.23、0.24、0.12 MPa，分别提高了约8.65%、6.65%、2.79%；通过抗折强度变化趋势的体现，也说明花岗岩石粉-硅灰复合混凝土的早期强度要优于普通复合混凝土，且其28 d 力学性能能够达到C40 普通复合混凝土的要求。试验结果也表明当以花岗岩细骨料30%替代天然河砂，以花岗岩粗骨料50%替代天然碎石时，复合复合混凝土强度有小幅度下降，当粗骨料均由花岗岩废料替代时，其强度下降幅度较大，因此在实际施工中应科学考虑花岗岩粗细骨料的替代率，进行合理替代以保证施工建设要求。

图2 不同配比下花岗岩石粉硅灰复合混凝土3、7、28 d抗折强度

2.1.3 力学性能结果分析

适宜比例的花岗岩石粉与硅灰替代水泥时，复合混凝土的强度有所提高。原因在于：一方面通过花岗岩石粉、水泥、硅灰三者粒径不同，使得微集料填充效应发挥作用。石粉与硅灰的掺入细化了水泥浆体内部的毛细孔隙，降低了孔隙率，提高了水泥浆体结构的密实性，增强了水泥浆体的强度，改善了复合体与集料之间的界面过渡区，使复合混凝土内部水泥浆体与粗骨料的黏结程度得到提高；另一方面通过花岗岩石粉微晶核效应与硅灰潜火山灰活性效应促进水泥水化反应，花岗岩石粉与硅灰混合浆体中含有大量的SiO2可以为β-C2S 和C3S 的水化提供活性位点，为水化产物提供了充裕的空间，促进水泥充分水化，避免了局部区域水化产物的过度聚集，降低CH 的定向富集，减少骨料表面大粒径CH 的产生，使得浆体体系的强度得以提升。

2.2 抗碳化性能试验与结果分析

2.2.1 碳化深度

抗碳化性能试验根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》要求进行。下页表3 为不同配比下花岗岩石粉-硅灰复合混凝土3、7、28 d 不同加速碳化龄期下碳化深度测定结果。

表3 不同配比花岗岩石粉-硅灰复合混凝土加速碳化深度试验结果

由表可见，不同配比花岗岩石粉-硅灰复合混凝土碳化深度随碳化龄期的增加而加深。且花岗岩石粉与硅灰的掺入对于混凝土碳化早期影响较大，基准组快速碳化3 d 时碳化深度为2.52 mm 而掺加石粉与硅灰的三组3 d 时碳化深度均超过4 mm。但对比四组试件碳化龄期为28 d 时的碳化深度，GS00-000 组混凝土的抗碳化性能要优于其余三组。说明花岗岩石粉与硅灰的适当掺入可以提高复合混凝土后期抗碳化性能。但随着花岗岩再生骨料替代比例的增加，复合复合混凝土的抗碳化性能明显下降。

2.2.2 抗碳化性能结果分析

早期复合混凝土抗碳化性能较差原因在于花岗岩石粉粒径0～75 μm，硅灰粒径为0.1～0.2 μm 较之水泥而言二者的细度小，在质量相同的条件下，细度小比表面积大的颗粒更易使浆体更好地分散，更易接触空气中的CO2，更易发生碳化。花岗岩石粉与硅灰的适当掺入可以提高复合混凝土后期抗碳化性能是因为适量花岗岩石粉掺入，改善了混凝土孔隙结构，提高了混凝土密实程度，加之硅灰的掺入促进浆体二次水化所产生的胶凝物质阻断或细化了部分CO2的扩散通道，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，之所以花岗岩石粉-硅灰复合混凝土早期碳化速度比后期碳化速度快，原因主要是碳化反应的生成物CaCO3等物质是非溶解性钙盐，与原产物相比体积增大约17%，随碳化反应不断进行，堵塞了混凝土部分胶凝空隙和毛细孔隙，降低了CO2和水向混凝土内部的扩散速率。当随着粗细骨料以花岗岩进行代替，混凝土体系中的各组织间的孔隙增大造成CO2较易侵入流通，混凝土抗碳化性能下降。

3 结论

1）以质量分数为花岗岩石粉：硅灰（32%：8%）替代水泥，粗细骨料不发生替代时的复合混凝土的28 d抗压强度为41.06 MPa，抗折强度为4.42 MPa 且抗碳化能力相对最优；

2）花岗岩石粉微晶核效应与硅灰火山灰活性效应及二者的微集料填充效应是保障与改善复合混凝土力学与耐久性能的原因。