大理石粉对混凝土力学及耐久性能影响研究

卫晋生

（山西建筑工程集团有限公司）

十四五以来，国家加大了对固体废弃物重复利用的重视，颁布了一系列政策加强该问题的解决措施。近年来，随着经济的发展，国内石材行业得到了快速发展，而石材废料产生的粉末尘土对周边居民造成严重的不利影响。因此，将其掺入混凝土中，是解决其去处的有效途径[1-3]。故研究石材废料对混凝土力学及耐久性能具有重要的实际意义。

目前，研究者已经开展了大量废弃物类混凝土性能方面的研究[4-6]。李翼研究了粉煤灰对混凝土抗裂性能的影响，认为粉煤灰降低了干缩能力，提高了其抗裂能力[4]。杨静和曾伟等人认为一定量的粉煤灰可以有效提高透水混凝土的各项性能[5,6]。但是对大理石粉末、花岗岩粉末等石材废料对混凝土各种性能的研究略显不足。基于上述背景，本文研究了不同水灰比（0.4、0.5、0.6）及不同大理石粉末掺量（0%、8%、16%、24%）下混凝土抗压、抗拉强度、碳化强度及渗透系数的演变规律，为石材废料混凝土的材料组成比例优化设计提供一定的经验，助力高性能混凝土材料的研发工作。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

本文采用的原材料包括天然粗集料、河砂、水泥、减水剂、大理石粉末、水和粉煤灰。

⑴天然粗集料为石灰岩碎石，5～25mm 粒径范围，级配合格。砂为河砂，细度模数为2.12，符合规范粒径规定。

⑵水泥为强度等级42.5 级普通硅酸盐水泥，初凝时间为148min，终凝时间为251min，其他指标符合标准要求。

⑶粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其密度为2.14g/cm3，细度为8.1。

⑷试验用水为自来水，减水剂为RSD-8 引气减水剂，减水率≥40%。

⑸试验所用大理石粉末为大理石加工过程中产生的粉末，比重为2.67。

1.2 混凝土配合比

透水混凝土配合比设计依据《普通混凝土配合比设计规程》[7]的要求进行，混凝土配合比如表1 所示，根据表1 的配合比分析了不同水灰比条件下（0.4、0.5 及0.6）条件下大理石粉掺量（0%、8%、16%、24%）对混凝土抗压、抗拉强度、碳化深度及渗透系数的影响规律。

表1 混凝土配合比(kg/m3)

1.3 测试方法

抗压强度和抗拉强度测试方法参照规范GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[8]中规定的进行。

抗氯离子渗透性能和抗碳化性能测试依照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[9]中规定的进行。

2 大理石粉对混凝土力学性能影响研究

不同条件下混凝土力学性能的试验数据如图1 所示，从图1 中可以看出，混凝土的抗压强度与大理石掺量呈现先正相关后负相关的趋势关系，且随着水灰比的增加，两者的相关关系变化趋势更加显著。这是由于大理石粉末在混凝土内部代替了水泥的掺量，当较低掺量时，大理石粉末可以冲当细砂的作用，填充内部的空隙，有效提升其密实度，进而提高了混凝土的抗压强度。但是当替代水泥过多时，内部产生的水化产物过少，反而降低了混凝土的强度[10-11]。混凝土的抗拉强度与大理石掺量同样呈现先正相关后负相关的趋势关系，这与上述抗压强度的演变规律一致。

图1 力学性能与大理石粉掺量相关关系

3 大理石粉对混凝土耐久性能影响研究

3.1 大理石粉对混凝土碳化深度的影响研究

不同条件下混凝土碳化深度的试验数据如图2 所示。从图2 中可以看出，混凝土的碳化强度与大理石掺量呈现先负相关后正相关的趋势关系，且随着水灰比的增加，两者的相关关系变化趋势更加显著。这是由于较低掺量时，大理石粉末冲当细砂的作用，填充内部的空隙，减少了混凝土内部联通空隙数量，空气中二氧化碳难以进入混凝土内部，因此碳化深度降低[12]。但是当掺量超过一定量时，水泥掺量过低，减低了水化产物，反而降低了空隙，使得二氧化碳含量增加，增加了碳化深度。

图2 混凝土碳化深度与大理石粉掺量相关关系

3.2 大理石粉对混凝土氯离子渗透性的影响研究

不同条件下混凝土氯离子渗透系数的试验数据如图3 所示。从图3 可以看出，混凝土的氯离子渗透系数与大理石掺量呈现先负相关后正相关的趋势关系，且随着水灰比的增加，两者的相关关系变化趋势更加显著。这与碳化深度的变化规律一致。同样是由于混凝土内部不同掺量时下大理石粉末充当的作用不同，导致混凝土内部空隙及渗透路径有所变化[13-16]。结合抗压强度、抗拉强度及碳化深度与大理石粉末掺量的演变关系，整体上，本文测试条件下，最佳的大理石掺量为16%。

图3 混凝土氯离子渗透系数与大理石粉掺量相关关系

4 结语

近年来，随着经济的发展，国内石材行业得到了快速发展，石材废料也造成了环境污染。目前，国家大力推行固体废弃物的重复利用，将石材废料掺入混凝土中是对其进行二次利用的重要途径之一。基于上述背景，本文研究了不同水灰比（0.4、0.5、0.6）条件下大理石粉末掺量（0%、8%、16%、24%）对混凝土抗压、抗拉强度、碳化强度及渗透系数的影响，为石材废料混凝土的材料组成比例优化设计提供一定的参考，助推高质量混凝土材料的研发工作。