白云岩石粉混凝土力学性能试验研究

乐兴 梅世龙 王石磊

摘 要：为研究白云岩石粉对混凝土力学性能的影响，采用单掺白云岩石粉等质量取代10%、15%、20%和30%水泥和复掺白云岩石粉-粉煤灰等质量取代20%水泥的方法，对混凝土进行坍落度、扩展度、抗压强度、抗折强度、弹性模量和劈裂抗拉强度试验，并测定其折压比和拉压比。试验结果表明：坍落度和扩展度随石粉掺量增加呈先减后增的趋势，20%掺量时最低；石粉加入会降低抗压强度，15%掺量时强度损失约10%，峰值抗折强度对应石粉掺量为15%；掺量从10%到20%时，混凝土弹性模量和劈拉强度会增大，且折压比、拉压比变大；与单掺比，1 ∶3复掺白云岩石粉-粉煤灰能保持混凝土坍落度和扩展度，并能提高混凝土抗压强度、抗折强度，1 ∶1复掺能改善混凝土弹性模量。可见，白云岩石粉掺量在10%～15%之间，复掺比例为1 ∶3时，混凝土力学性能综合表现更佳。

关键词：白云岩石粉；石粉混凝土；力学性能试验；弹性模量

中图分类号：TU528

文献标志码：A

随着我国建筑行业的蓬勃发展，水泥产量逐年增加，近十年来水泥平均年产量约为23亿t。然而，每生产1 t水泥需要消耗大量的煤炭和电能资源，伴生的粉尘和废气亦会严重污染环境，因此亟需寻求一种能替代或部分取代水泥的材料。如今我国天然河砂严重匮乏，机制砂替代河砂制备混凝土成为如今的主流趋势［1］。然而机制砂制备过程中产生大量石粉，若得不到合理利用，将产生大量的浪费且极大地破坏生态环境。将废弃石粉掺入混凝土中，可以推进岩石粉混凝土的绿色应用。

陆采荣等［2］研究发现，掺入岩石粉会降低水泥砂浆强度且强度随石粉掺量增加而降低，石粉对微孔观结构有优化作用。梁济丰等［3］研究表明，较单掺而言，复掺石灰石粉与粉煤灰可以明显增强混凝土抗压强度。鄢佳佳等［4］研究发现，石粉比表面积对石粉活性影响显著，砂浆抗压强度和流动度随着比表面积增大而增大。谢卫红、顾佳俊等［5-6］研究表明，相比于单掺而言，复掺石灰石粉与粉煤灰明显提高混凝土的早期抗裂系数和抗冲击性能。王将华等［7］研究发现，掺花岗岩石粉砂浆的抗干缩性能随着粉磨时间增加表现为先减小后增加再减小的趋势，砂浆28 d干缩率随着花岗岩石粉掺量增加而逐渐降低。

目前，对石粉混凝土的研究集中在石灰岩、花岗岩和玄武岩等岩石上，对白云岩石粉的研究及白云岩石粉对机制砂混凝土性能的研究相对较少。基于此，本试验以白云岩石粉为研究对象，通过内掺石粉及复掺石粉-粉煤灰的方式，探讨白云岩石粉-粉煤灰对机制砂混凝土工作性能和力学性能的影响，以期减少水泥消耗、促进石粉固废的利用，同时为白云岩石粉在机制砂混凝土中的有效应用提供理论依据。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验采用P·O 42.5水泥，其物理性能指标见表1；粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰；石粉为将白云岩机制砂烘干后，通过筛分保留粒径小于75 μm的颗粒得到，比表面积为138 m2/kg，密度为2.84 g/cm3；粗集料和细集料均为白云岩，砂率为50%，其中粗集料粒径范围为5～25 mm，表观密度为2 727 kg/m3，细集料细度模数2.9；减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水率为28%。

1.2 试验方法

参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016）［8］进行坍落度和扩展度測试，参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）［9］进行混凝土抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量测试。

1.3 试验配合比

本试验采用单掺和复掺两种方式。单掺是以水泥质量的0、10%、15%、20%、30%的白云岩石粉取代水泥；复掺是白云岩石粉-粉煤灰分别按照1 ∶0、1 ∶1、1 ∶3和0 ∶1共同等质量取代20%水泥。混凝土配合比见表2。

2 试验结果分析

2.1 工作性能

单掺和复掺下各组混凝土的坍落度和扩展度见图1。

由图1（a）可知，随着白云岩石粉取代率增加，混凝土坍落度和扩展度均表现为先减小后增加的规律，且减小幅度较增加幅度小。与基准（JZ）组比较，20%掺量下坍落度和扩展度最低，分别降低14.63%和13.33%，30%掺量时最高且超过基准组。这是因为白云岩石粉与水泥的需水量不同且两者对减水剂存在竞争吸附［10］，当石粉掺量小于20%时，随着石粉掺量的增加，体系的需水量也增加，相当于减小体系的有效水灰比，使混凝土坍落度和扩展度减小；当石粉掺量大于20%时，体系中水泥减少，参与水化反应的需水量减少，且石粉对体系具有一定的填充效应置换出填充水，体系自由水增加，从而扩展度和坍落度增加。

由图1（b）知，与基准组相比，单掺石粉会降低体系坍落度和扩展度，单掺粉煤灰则相反。当复掺取代20%水泥时，随着粉煤灰量的增加，混凝土的坍落度和扩展度均会增加，分析原因为：粉煤灰颗粒比石粉颗粒更圆滑，且石粉对减水剂的吸附作用小于粉煤灰，粉煤灰的“滚珠效应”可降低浆体的塑性粘度［11］。D5F15组混凝土的坍落度和扩展度与JZ组相当，说明按一定比例复掺石粉-粉煤灰会改善混凝土工作性能。

2.2 抗压强度

单掺和复掺下各组混凝土的抗压强度见图2。

由图2（a）知，混凝土抗压强度均随着石粉取代率的增加而降低。当取代率低于15%时，抗压强度下降幅度不是很大，以石粉增加5%为例，7 d和28 d强度下，15%较10%分别下降约0.74%和2.54%；而取代率大于15%时，随着石粉取代率增加抗压强度下降幅度加快，30%较20%掺量的28 d抗压强度下降了17.2%。与JZ组相比，15%掺量的7 d、28 d抗压强度分别降低约8.22%和10.57%，30%掺量的7 d、28 d抗压强度分别降低约26.26%和34.41%。因为石粉活性很低，随着石粉掺量增加，水泥减少，水化产物减少，造成抗压强度降低，当石粉掺量低于15%时，石粉的填充作用有利于提升混凝土抗压强度，但不能弥补水泥减少对强度造成的损失，故下降幅度较小；高于15%时，过量的石粉会导致混凝土最紧密堆积结构破坏［12］，叠加上水泥减少造成的强度损失，故抗压强度下降幅度较大。

由图2（b）知，与JZ组比，单掺20%白云岩石粉或粉煤灰均会降低混凝土抗压强度；当复掺石粉-粉煤灰取代20%水泥时，随着粉煤灰比例的增加，混凝土抗压强度呈现先减后增再减的规律，均在D10F10和D5F15处分别达到最小和最大，其3 d、7 d、28 d抗压强度分别为28.9 MPa、36.1 MPa、43.7 MPa，以及31.7 MPa、39.2 MPa、46.7 MPa。相比于单掺，按一定比例复掺石粉-粉煤灰会提高混凝土抗压强度，28 d下D5F15的抗压强度较D20和F20分别增加了5.66%和1.3%。

2.3 抗折强度

单掺和复掺下各组混凝土的抗折强度见图3。

由图3（a）可知，随着石粉取代率增加，混凝土7 d抗折强度先减后增再减，28 d抗折强度先增大后减小。混凝土抗折强度均在15%取代率时最大，此时7 d和28 d抗折强度相较于JZ组分别提高了0.92%和5.85%；30%取代率时抗折强度最小，7 d和28 d抗折强度相较于JZ组分别降低了11.7%和2.35%，说明掺入适量石粉会增加混凝土抗折强度，过量石粉则会降低抗折强度。

由图3（b）可知，当复掺石粉-粉煤灰取代20%水泥时，随着粉煤灰比例的增加，混凝土7 d抗折强度先增大后减小，28 d抗折强度先减后增再减。7 d下，D10F10组抗折强度最大，分别较D20和F20组提高3.31%和9.23%；28 d下，D5F15组抗折强度最大，较D20和F20组比，分别提高2.11%和11%，说明按一定比例复掺会提高混凝土抗折强度。

2.4 弹性模量

单掺和复掺各组混凝土的弹性模量见图4。

图4（a）表明，石粉混凝土的弹性模量随着石粉取代率的增加呈现先减后增再减的变化趋势。与JZ组比，取代率为10%、15%、20%和30%下，混凝土7 d弹性模量分别降低了7.26%、5.98%、4.27%和11.4%，混凝土28 d弹性模量分别降低了5.43%、4.04%、2.02%和10.35%。如果将石粉取代率控制在10%～20%，混凝土弹性模量降低幅度较小，这是因为掺加适当比例石粉，其填充作用导致混凝土结构更加密实，孔隙率降低，从而弹性模量提高。

图4（b）表明，当复掺石粉-粉煤灰取代20%水泥时，混凝土7 d和28 d弹性模量规律相似，均随着粉煤灰比例的增加呈现先增大再减小后增大的变化趋势。与D20和F20组相比，D10F10组7 d弹性模量分别提高11.31%和6.25%，D10F10组28 d弹性模量分别提高1.55%和4.51%。因此，等比例复掺白云岩石粉-粉煤灰会增强混凝土的弹性模量。

2.5 劈裂抗拉强度

单掺和复掺各组混凝土的劈裂抗拉强度见图5。

图5（a）表明，随着石粉取代率的增加，混凝土的劈裂抗拉强度出现先减小后增大再减小的变化趋势。与JZ组比，各组混凝土7 d劈裂抗拉强度分别降低了15.6%、6.73%、-2.79%和20.2%，28 d劈拉强度分别降低了27%、21.17%、12.9%和38.93%。随着龄期增长，各组混凝土劈拉强度提高但增速不同，随着石粉取代率增加，各组28 d劈拉强度分别是7 d的1.35倍、1.17倍、1.14倍、1.14倍和1.03倍，劈拉強度增长速率随着石粉掺量的增加而逐渐降低。

由图5（b）知，当复掺石粉-粉煤灰取代20%水泥时，随着粉煤灰比例的增加，混凝土劈拉强度均出现先减小后增大的规律，均在D10F10组劈拉强度最低，D10F10组的7 d和28 d劈拉强度与D20组相比分别降低26.5%和12.3%，与F20组相比分别降低13.2%和12%。

2.6 折压比

混凝土的韧性可用抗折强度与抗压强度的比值即折压比来表征，折压比越大，混凝土韧性越好［13］。单掺石粉和复掺石粉-粉煤灰对混凝土折压比的影响如图6所示。

由图6（a）可知，随着白云岩石粉取代率增大，混凝土试件折压比增大，且均高于基准组。7 d龄期下较基准组分别提高了5.2%、10%、13.6%和19.7%，28 d龄期下较基准组分别提高了13.2%、18.4%、30.2%和49%。

由图6（b）可知，当复掺石粉-粉煤灰取代20%水泥时，随着粉煤灰比例的增加，7 d折压比先增后减，复掺D10F10组折压比比单掺D20、F20组分别提高了9.6%和15%；28 d折压比随粉煤灰比例增加而降低，与D20组比较，D10F10、D5F15和F20组分别降低了0.2%、3.4%和11.8%。

试验结果表明，单掺白云岩石粉能提高混凝土折压比，增强混凝土韧性；按一定比例复掺石粉-粉煤灰，其28 d折压比比单掺粉煤灰大，比单掺石粉小。

2.7 拉压比

拉压比是指劈裂抗拉强度与抗压强度的比值，是反映混凝土脆性的一个重要指标，拉压比越小，混凝土越容易脆性断裂［14］。单掺石粉和复掺石粉-粉煤灰对混凝土拉压比的影响如图7所示。

由图7（a）可知，随着石粉取代率的增加，混凝土拉压比均呈先下降后上升再下降的变化趋势，在10%时拉压比最低、20%时拉压比最高。与基准组相比，各组7 d拉压比依次为基准混凝土的0.91倍、1.02倍、1.18倍和1.08倍，28 d拉压比依次为基准混凝土的0.8倍、0.88倍、1.1倍和0.93倍，可以看出20%掺量石粉取代率有利于降低混凝土的脆性。

由图7（b）可知，当复掺石粉-粉煤灰取代20%水泥时，随着粉煤灰比例的增加，拉压比均呈现先降低后增加的变化趋势，D5F15组拉压比最低。D10F10组7 d和28 d拉压比分别是D20的0.78倍和0.89倍，是F20的0.91倍和0.93倍；D5F15组7 d和28 d拉压比分别是D20的0.76倍和0.88倍，是F20的0.9倍和0.92倍。可以看出，与单掺比，复掺白云岩石粉-粉煤灰时混凝土更容易脆性破坏。

3 结论

1）随着石粉掺量增加，混凝土坍落度和扩展度先减后增，20%掺量时坍落度和扩展度最小。加入粉煤灰会使坍落度和扩展度变大，1 ∶3复掺白云岩石粉-粉煤灰时，其工作性能与基准组相当。

2）加入白云岩石粉会降低混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量，10%～15%掺量时抗压强度损失约10%，10%～20%掺量时劈拉强度会增大且弹性模量损失小于8%，15%掺量时抗折强度最大。石粉掺量对不同龄期混凝土的力学性能影响程度不同，其中对28d混凝土抗压和劈拉强度影响更显著。

3）与单掺比，1 ∶3复掺白云岩石粉-粉煤灰能提高抗压强度和抗折强度，1 ∶1复掺能提高弹性模量，但复掺会降低劈拉强度，折压比和拉压比变小，混凝土韧性差，易脆性破坏。

4）石粉掺量增加，折压比会增大，混凝土韧性好；拉压比呈现先降后升再降的规律，10%～20%掺量混凝土脆性会逐渐减弱。

5）白云岩石粉取代10%～15%水泥，既减少水泥消耗，又促进石粉固废利用，有利于提高工程的经济性和生态性。

参考文献：

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］ 陸采荣， 戈雪良， 梅国兴， 等. 白云岩石粉对水泥胶凝体系力学性能及孔结构的影响［J］. 材料导报， 2013， 27（S2）： 305-306， 318.

［3］ 梁济丰， 吕磊， 田艳凤. 双掺石灰石粉和粉煤灰混凝土静态力学性能研究［J］. 混凝土， 2013（11）： 79-82， 87.

［4］ 鄢佳佳， 邓翀， 叶仙松. 白云岩石粉比表面积对水泥砂浆性能的影响研究［J］. 混凝土与水泥制品， 2018（3）： 7-10.

［5］ 谢卫红， 贾风辉， 张勇， 等. 双掺石灰石粉和粉煤灰混凝土动力性能试验研究［J］. 混凝土， 2014（7）： 20-22， 26.

［6］ 顾佳俊， 孔祥芝. 石灰石粉等量替代Ⅱ级粉煤灰对大坝碾压混凝土抗裂性的影响［J］. 水利水电技术， 2018， 49（2）： 177-182.

［7］ 王将华， 薛翠真， 张宇， 等. 花岗岩石粉对砂浆干燥收缩性能的影响［J/OL］. 材料导报， 2023（22）： 1-15［2023-05-26］. http：//kns. cnki. net/kcms/detail/50. 1078. tb. 20221215. 1133. 002. html.

［8］ 中华人民共和国住房和城乡建设部. 普通混凝土拌合物性能试验方法标准：GB/T 50080—2016［S］.  北京： 中国建筑工业出版社， 2017.

［9］ 中华人民共和国住房和城乡建设部. 混凝土物理力学性能试验方法标准： GB/T 50081—2019［S］. 北京： 中国建筑工业出版社， 2019.

［10］姚燕， 高瑞军， 吴浩， 等. 白云岩石粉对水泥净浆和砂浆流变性能影响及机理［J］. 建筑材料学报， 2019， 22（6）： 860-865.

［11］谢友均， 陈小波， 马昆林， 等. 石灰石粉对水泥-粉煤灰砂浆流变行为影响的研究［J］. 铁道科学与工程学报， 2015， 12（1）： 59-65.

［12］张礼华， 刘来宝， 周永生， 等. 石粉含量对机制砂混凝土力学性能与微观结构的影响［J］. 混凝土与水泥制品， 2011（12）： 22-26.

［13］张兰芳， 尹玉龙， 刘晶伟， 等. 玄武岩纤维增强混凝土力学性能的研究［J］. 硅酸盐通报， 2014， 33（11）： 2834-2837.

［14］宋旭艳， 孙保金， 韩静云， 等. 几种矿物掺合料对混凝土脆性及早期开裂性能影响比较［J］. 混凝土与水泥制品， 2017（6）： 86-90.

（责任编辑：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