黃 斌,龔明子,袁忠標(biāo)

(中交一公局廈門工程有限公司,福建 廈門 361021)

我國是一個石材生產(chǎn)、加工的大國,2016年我國全年生產(chǎn)的建筑板材量達(dá)10.8億m2[1]. 石材在生產(chǎn)加工過程中產(chǎn)生大量的廢渣,據(jù)統(tǒng)計每生產(chǎn)30 m2板材會產(chǎn)生1 t的石屑和石粉[2],這些石屑和石粉被大量廢棄,不僅占用大量寶貴的土地資源還嚴(yán)重污染了河流, 破壞生態(tài)環(huán)境. 而隨著粉煤灰、礦粉等礦物摻合料供應(yīng)日益緊張,摻合料以次充好的情況頻繁發(fā)生,嚴(yán)重影響混凝土的質(zhì)量. 如果能將廢棄的石粉經(jīng)過一定的工藝處理,使其作為一種新的摻合料運用到混凝土中,不僅能解決環(huán)境污染問題還能緩解混凝土摻合料供應(yīng)緊張的形勢,降低混凝土的生產(chǎn)成本[2-5]. 廢棄石粉作為一種新的工業(yè)廢棄物,在國內(nèi)的相關(guān)研究不多,因環(huán)境污染問題才被逐漸重視,已有的研究重點在其對混凝土工作性和力學(xué)性能的影響,缺少對耐久性的系統(tǒng)研究[2-8]. 鑒于此,本文開展廢棄石粉對普通混凝土耐久性能影響的研究,得出廢棄石粉作為摻合料摻入混凝土中的最佳摻入量和摻配方式,使廢棄石粉能合理運用于混凝土中.

1 試驗部分

1.1 原材料

試驗中水泥為福建閩福建材有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥； 礦渣粉為三鋼集團(tuán)(龍海)礦微粉有限公司生產(chǎn)的S95級； 粉煤灰為福能環(huán)保新材有限公司生產(chǎn)的F類II級； 細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)為2.8、級配范圍為II區(qū)的河砂,含泥量為0.8%； 粗骨料采用5～31.5 mm的連續(xù)級配碎石； 減水劑為減水率28%的聚羧酸高性能減水劑； 水是自來水. 大理石粉(D)、花崗巖石粉(H)取自福建泉州某石材廠,廢棄石粉的基本性能指標(biāo)見表1.

表1 石粉的化學(xué)和物理指標(biāo)

1.2 試驗方法

混凝土收縮試驗、混凝土抗凍性能試驗和混凝土抗氯離子滲透試驗參照文獻(xiàn)[9]進(jìn)行.

硫酸鹽侵蝕試驗： 采用40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試件,試件成型1 d后拆模,置于水養(yǎng)箱中養(yǎng)護(hù)28 d后,將試件浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaSO4溶液中,溶液沒過試件表面超20 mm,容器口敞開并放置于(20±2)℃的環(huán)境中,溶液pH值控制在7左右,到規(guī)定齡期觀察試件外觀變化、稱量質(zhì)量和測試強度.

1.3 配合比設(shè)計

試驗研究花崗巖石粉、大理石石粉單摻以及分別與粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻時,對普通混凝土的耐久性能的影響. 石粉混凝土抗收縮性能、抗氯離子滲透性能和抗凍性能研究采用表2所列的配合比,其中單摻基準(zhǔn)組為純水泥空白組,復(fù)摻基準(zhǔn)組采用粉煤灰和礦渣粉各摻15%的形式.

表2 廢棄石粉單摻和復(fù)摻混凝土配合比

編號中J1為純水泥基準(zhǔn)組; J2為復(fù)摻粉煤灰和礦渣粉基準(zhǔn)組,做后續(xù)研究石粉與其他礦物摻合料復(fù)摻時的基準(zhǔn)組. A組為單摻花崗巖石粉; B組為單摻大理石粉組; C組為花崗巖石粉分別與粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻; D組為大理石粉分別與粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 廢棄石粉對混凝土收縮性能的影響

研究廢棄石粉在單摻與復(fù)摻兩種情況下,不同摻量以及復(fù)摻方式對混凝土 3、7、14、28、60、90、120和180 d的干燥收縮的影響,試驗結(jié)果見圖1.

從圖1 (a)～ (b)曲線整體規(guī)律可看出： 廢棄石粉可有效地降低混凝土干燥收縮,摻入石粉后,混凝土收縮率均比同齡期的基準(zhǔn)組混凝土低. 單摻石粉時,隨著石粉摻量的增加,混凝土的收縮率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,在摻量20%時混凝土的收縮率最小. 這是由于石粉顆粒較細(xì),在混凝土結(jié)構(gòu)中能發(fā)揮填充效應(yīng),能夠很好地填充混凝土內(nèi)部的孔隙,細(xì)化和分化原混凝土內(nèi)部的充水空間,阻斷混凝土內(nèi)部水分向混凝土表面擴散的通道,從而降低了混凝土因失水而帶來的干燥收縮[10]； 石粉摻量增加超過20%后,由于膠凝材料的減少,同時廢棄石粉的活性很低,參與水化反應(yīng)的程度較小,石粉的填充作用無法彌補膠材減少所帶來的負(fù)面影響,抑制混凝土失水收縮的效應(yīng)不明顯[8],因而混凝土的收縮又開始增大.

圖1 廢棄石粉對混凝土收縮性能影響規(guī)律Fig.1 Effect of waste stone powder on shrinkage of concrete

圖1(c)～ (f)為礦物摻合料總摻量在30%時,石粉與粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻對混凝土干燥收縮的影響. 花崗巖石粉與粉煤灰復(fù)摻,180 d收縮率較基準(zhǔn)組下降24.3%,與礦渣粉復(fù)摻,180 d收縮率較基準(zhǔn)組下降14.9%； 大理石石粉與粉煤灰復(fù)摻,180 d收縮率較基準(zhǔn)組下降16.6%,與礦渣粉復(fù)摻,180 d收縮率較基準(zhǔn)組下降11.5%. 石粉與粉煤灰復(fù)摻對混凝土收縮的抑制作用要大于石粉與礦渣粉復(fù)摻的情況.

由圖1 (g)得出,單摻花崗巖石粉混凝土的180 d收縮率要略小于大理石石粉混凝土. 大理石石粉中分散的CaCO3為晶體的生長提供了無數(shù)的核,C3S水化時釋放出的大量 Ca2+會被這些晶體吸附,促進(jìn)C3S水化,水泥水化速率加快因而收縮值變大[11].

2.2 廢棄石粉對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

廢棄石粉對混凝土抗氯離子滲透性能的影響結(jié)果如圖2. 從圖2(a)看出： 當(dāng)石粉摻量在10%以內(nèi)時,混凝土抗氯離子滲透性能良好,但隨著摻量的增加混凝土抗氯離子滲透性能開始下降. 在石粉摻量較小時,石粉顆粒能很好地增加混凝土結(jié)構(gòu)的密實性,自由氯離子不能輕易滲入混凝土內(nèi)部,故而石粉摻量在10%以內(nèi)時混凝土抗氯離子滲透性能良好. 但由于石粉僅是簡單地填充在混凝土內(nèi)部,參與水化的石粉數(shù)量有限,隨著石粉摻量的增加,水泥的水化產(chǎn)物減少,水化產(chǎn)物無法良好地包裹和連接這些石粉顆粒,使得混凝土膠凝材料基體之間的粘結(jié)作用減弱,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)抗氯離子滲透能力降低[12].

圖2 (b)和圖2 (c)反映的是復(fù)摻總量為30%時,石粉與粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻對混凝土抗氯離子滲透性能的影響. 混凝土復(fù)摻石粉后抗氯離子滲透性能較復(fù)摻基準(zhǔn)組有所降低,但是當(dāng)石粉與粉煤灰各摻15%以及石粉與礦渣粉各摻15%時,其氯離子擴散系數(shù)DRCM在2.5×10-12～3.5×10-12之間,混凝土抗氯離子滲透性能滿足工程結(jié)構(gòu)100 a使用期限下的耐久性要求.

圖2 廢棄石粉對混凝土抗氯離子滲透性能影響規(guī)律Fig.2 Effect of waste stone powder onchloride ion penetration resistance performance

2.3 廢棄石粉對混凝土抗凍性能的影響

圖3和圖4反映的是石粉單摻時混凝土抗凍性能指標(biāo)變化規(guī)律. 從圖3得出,在300次凍融循環(huán)后,花崗巖石粉或大理石石粉的摻量為10%～20%時,石粉混凝土的相對動彈性模量與混凝土的基準(zhǔn)組相當(dāng),均大于60%； 摻量30%時,混凝土的相對動彈性模量分別為53%和57%. 從圖4看出,石粉摻量在20%以內(nèi)時,質(zhì)量損失率較小,為0～3.0%之間； 當(dāng)石粉摻量為30%時,質(zhì)量損失率最大,為4.6%.

圖3 廢棄石粉混凝土相對動彈性模量變化規(guī)律Fig.3 Effect of waste stone powder on relative dynamic elasticity modulus

圖4 廢棄石粉混凝土質(zhì)量損失率變化規(guī)律Fig.4 Effect of waste stone powder on the concrete mass loss

圖5反映的是石粉復(fù)摻情況下混凝土抗凍性能指標(biāo)變化規(guī)律. 分析數(shù)據(jù)得出,石粉與礦物摻合料復(fù)摻組最小相對動彈性模量為60%,最大質(zhì)量損失率為3.9%.

所以,單摻石粉摻量在20%以內(nèi)時,混凝土的抗凍等級可達(dá)F300； 摻量超過30%之后,混凝土的抗凍性能下降較快. 石粉復(fù)摻組抗凍性能優(yōu)于石粉單摻組,符合復(fù)摻規(guī)律.

圖5 花崗巖石粉復(fù)摻情況下混凝土抗凍性能指標(biāo)變化規(guī)律Fig.5 Effect of granite powder on the frost resistance

2.4 廢棄石粉對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

本節(jié)研究了花崗巖石粉和大理石石粉在不同摻量下對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響. 采用0.5水膠比的膠砂試件,基準(zhǔn)組試件為純水泥試件,試驗組中摻入花崗巖石粉或大理石石粉,石粉取代量為10%～50%,具體研究結(jié)果如圖6所示.

圖6 廢棄石粉對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能規(guī)律Fig.6 Effect of waste stone powder on the sulfate attack

從強度損失率上看： 在整個浸泡期內(nèi),摻花崗巖石粉和大理石石粉的試件強度損失率均比純水泥組的小,說明摻入石粉能提高試件的抗硫酸鹽侵蝕的能力. 并且隨著石粉摻量的增加,試件的強度損失率越小. 這是因為石粉取代水泥量大的試件,水泥水化產(chǎn)物C-S-H凝膠、Ca(OH)2、鈣礬石的量減少,試件膨脹開裂程度減輕,試件能較好地保持原狀,不會出現(xiàn)應(yīng)力集中的缺陷區(qū)[13]. 從質(zhì)量損失率上看： 摻入石粉的試件的質(zhì)量損失率均小于不摻石粉的純水泥基準(zhǔn)組,尤其在石粉摻量為40%～50%時,石粉的質(zhì)量甚至沒有發(fā)生損失而是保持一定比例的增長. 從試件最終的表觀質(zhì)量上看： 隨著石粉摻量的增加,試件的破碎、掉角以及開裂程度逐漸減輕.

可見,摻入石粉有利于提高試件的抗硫酸侵蝕能力； 此外,橫向?qū)Ρ葍煞N石粉的試驗結(jié)果可知,摻大理石石粉的試件的抗硫酸鹽侵蝕性能要優(yōu)于摻花崗巖石粉試件. 因為大理石石粉中的CaCO3參與水泥的水化,加速水泥的水化進(jìn)程,水化產(chǎn)物中較少的Ca(OH)2、鈣礬石含量,使摻大理石粉混凝土的抵抗膨脹性能更強,故具有更好的抗硫酸鹽侵蝕性能[14].

3 結(jié)語

1) 單摻石材廢棄石粉時,相比純水泥基準(zhǔn)混凝土,摻入廢棄石粉在一定程度上提高混凝土抗收縮、抗硫酸鹽侵蝕性能； 石粉摻量在10%以內(nèi)時,混凝土表現(xiàn)出良好的抗氯離子滲透性； 摻量控制在20%以內(nèi),混凝土抗凍性能良好.

2) 復(fù)摻石材廢棄石粉時,相比復(fù)摻粉煤灰和礦渣粉基準(zhǔn)組,摻入廢棄石粉混凝土具有良好的抗收縮性能,抗氯離子滲透性和抗凍性不如基準(zhǔn)組. 但廢棄石粉與其他礦物摻合料的復(fù)摻總量應(yīng)控制在30%以內(nèi)時,摻廢棄石粉混凝土仍具有較好的耐久性.

3) 石粉與粉煤灰復(fù)摻對混凝土收縮的抑制作用要大于石粉與礦渣粉復(fù)摻的情況； 而在抗氯離子滲透方面,石粉與礦渣粉復(fù)摻的性能更優(yōu).

4) 兩種石粉對混凝土收縮性和抗硫酸鹽侵蝕性影響存在一定的差異： 摻花崗巖石粉混凝土抗收縮性能優(yōu)于摻大理石石粉混凝土,但摻大理石粉混凝土具有更好的抗硫酸鹽侵蝕性能.

5) 廢棄石粉混凝土的耐久性能會隨著石粉摻量的變化而表現(xiàn)出不同的差異,在實際使用中應(yīng)該合理控制廢棄石粉的摻量.