废弃石粉对普通混凝土耐久性能的影响

黄 斌,龚明子,袁忠标

(中交一公局厦门工程有限公司,福建 厦门 361021)

我国是一个石材生产、加工的大国,2016年我国全年生产的建筑板材量达10.8亿m2[1]. 石材在生产加工过程中产生大量的废渣,据统计每生产30 m2板材会产生1 t的石屑和石粉[2],这些石屑和石粉被大量废弃,不仅占用大量宝贵的土地资源还严重污染了河流, 破坏生态环境. 而随着粉煤灰、矿粉等矿物掺合料供应日益紧张,掺合料以次充好的情况频繁发生,严重影响混凝土的质量. 如果能将废弃的石粉经过一定的工艺处理,使其作为一种新的掺合料运用到混凝土中,不仅能解决环境污染问题还能缓解混凝土掺合料供应紧张的形势,降低混凝土的生产成本[2-5]. 废弃石粉作为一种新的工业废弃物,在国内的相关研究不多,因环境污染问题才被逐渐重视,已有的研究重点在其对混凝土工作性和力学性能的影响,缺少对耐久性的系统研究[2-8]. 鉴于此,本文开展废弃石粉对普通混凝土耐久性能影响的研究,得出废弃石粉作为掺合料掺入混凝土中的最佳掺入量和掺配方式,使废弃石粉能合理运用于混凝土中.

1 试验部分

1.1 原材料

试验中水泥为福建闽福建材有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥； 矿渣粉为三钢集团(龙海)矿微粉有限公司生产的S95级； 粉煤灰为福能环保新材有限公司生产的F类II级； 细集料的细度模数为2.8、级配范围为II区的河砂,含泥量为0.8%； 粗骨料采用5～31.5 mm的连续级配碎石； 减水剂为减水率28%的聚羧酸高性能减水剂； 水是自来水. 大理石粉(D)、花岗岩石粉(H)取自福建泉州某石材厂,废弃石粉的基本性能指标见表1.

表1 石粉的化学和物理指标

1.2 试验方法

混凝土收缩试验、混凝土抗冻性能试验和混凝土抗氯离子渗透试验参照文献[9]进行.

硫酸盐侵蚀试验： 采用40 mm×40 mm×160 mm的胶砂试件,试件成型1 d后拆模,置于水养箱中养护28 d后,将试件浸泡于质量分数为5%的NaSO4溶液中,溶液没过试件表面超20 mm,容器口敞开并放置于(20±2)℃的环境中,溶液pH值控制在7左右,到规定龄期观察试件外观变化、称量质量和测试强度.

1.3 配合比设计

试验研究花岗岩石粉、大理石石粉单掺以及分别与粉煤灰、矿渣粉复掺时,对普通混凝土的耐久性能的影响. 石粉混凝土抗收缩性能、抗氯离子渗透性能和抗冻性能研究采用表2所列的配合比,其中单掺基准组为纯水泥空白组,复掺基准组采用粉煤灰和矿渣粉各掺15%的形式.

表2 废弃石粉单掺和复掺混凝土配合比

编号中J1为纯水泥基准组; J2为复掺粉煤灰和矿渣粉基准组,做后续研究石粉与其他矿物掺合料复掺时的基准组. A组为单掺花岗岩石粉; B组为单掺大理石粉组; C组为花岗岩石粉分别与粉煤灰和矿渣粉复掺; D组为大理石粉分别与粉煤灰和矿渣粉复掺.

2 试验结果及分析

2.1 废弃石粉对混凝土收缩性能的影响

研究废弃石粉在单掺与复掺两种情况下,不同掺量以及复掺方式对混凝土 3、7、14、28、60、90、120和180 d的干燥收缩的影响,试验结果见图1.

从图1 (a)～ (b)曲线整体规律可看出： 废弃石粉可有效地降低混凝土干燥收缩,掺入石粉后,混凝土收缩率均比同龄期的基准组混凝土低. 单掺石粉时,随着石粉掺量的增加,混凝土的收缩率呈现先减小后增大的趋势,在掺量20%时混凝土的收缩率最小. 这是由于石粉颗粒较细,在混凝土结构中能发挥填充效应,能够很好地填充混凝土内部的孔隙,细化和分化原混凝土内部的充水空间,阻断混凝土内部水分向混凝土表面扩散的通道,从而降低了混凝土因失水而带来的干燥收缩[10]； 石粉掺量增加超过20%后,由于胶凝材料的减少,同时废弃石粉的活性很低,参与水化反应的程度较小,石粉的填充作用无法弥补胶材减少所带来的负面影响,抑制混凝土失水收缩的效应不明显[8],因而混凝土的收缩又开始增大.

图1 废弃石粉对混凝土收缩性能影响规律Fig.1 Effect of waste stone powder on shrinkage of concrete

图1(c)～ (f)为矿物掺合料总掺量在30%时,石粉与粉煤灰、矿渣粉复掺对混凝土干燥收缩的影响. 花岗岩石粉与粉煤灰复掺,180 d收缩率较基准组下降24.3%,与矿渣粉复掺,180 d收缩率较基准组下降14.9%； 大理石石粉与粉煤灰复掺,180 d收缩率较基准组下降16.6%,与矿渣粉复掺,180 d收缩率较基准组下降11.5%. 石粉与粉煤灰复掺对混凝土收缩的抑制作用要大于石粉与矿渣粉复掺的情况.

由图1 (g)得出,单掺花岗岩石粉混凝土的180 d收缩率要略小于大理石石粉混凝土. 大理石石粉中分散的CaCO3为晶体的生长提供了无数的核,C3S水化时释放出的大量 Ca2+会被这些晶体吸附,促进C3S水化,水泥水化速率加快因而收缩值变大[11].

2.2 废弃石粉对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

废弃石粉对混凝土抗氯离子渗透性能的影响结果如图2. 从图2(a)看出： 当石粉掺量在10%以内时,混凝土抗氯离子渗透性能良好,但随着掺量的增加混凝土抗氯离子渗透性能开始下降. 在石粉掺量较小时,石粉颗粒能很好地增加混凝土结构的密实性,自由氯离子不能轻易渗入混凝土内部,故而石粉掺量在10%以内时混凝土抗氯离子渗透性能良好. 但由于石粉仅是简单地填充在混凝土内部,参与水化的石粉数量有限,随着石粉掺量的增加,水泥的水化产物减少,水化产物无法良好地包裹和连接这些石粉颗粒,使得混凝土胶凝材料基体之间的粘结作用减弱,导致混凝土结构抗氯离子渗透能力降低[12].

图2 (b)和图2 (c)反映的是复掺总量为30%时,石粉与粉煤灰、矿渣粉复掺对混凝土抗氯离子渗透性能的影响. 混凝土复掺石粉后抗氯离子渗透性能较复掺基准组有所降低,但是当石粉与粉煤灰各掺15%以及石粉与矿渣粉各掺15%时,其氯离子扩散系数DRCM在2.5×10-12～3.5×10-12之间,混凝土抗氯离子渗透性能满足工程结构100 a使用期限下的耐久性要求.

图2 废弃石粉对混凝土抗氯离子渗透性能影响规律Fig.2 Effect of waste stone powder onchloride ion penetration resistance performance

2.3 废弃石粉对混凝土抗冻性能的影响

图3和图4反映的是石粉单掺时混凝土抗冻性能指标变化规律. 从图3得出,在300次冻融循环后,花岗岩石粉或大理石石粉的掺量为10%～20%时,石粉混凝土的相对动弹性模量与混凝土的基准组相当,均大于60%； 掺量30%时,混凝土的相对动弹性模量分别为53%和57%. 从图4看出,石粉掺量在20%以内时,质量损失率较小,为0～3.0%之间； 当石粉掺量为30%时,质量损失率最大,为4.6%.

图3 废弃石粉混凝土相对动弹性模量变化规律Fig.3 Effect of waste stone powder on relative dynamic elasticity modulus

图4 废弃石粉混凝土质量损失率变化规律Fig.4 Effect of waste stone powder on the concrete mass loss

图5反映的是石粉复掺情况下混凝土抗冻性能指标变化规律. 分析数据得出,石粉与矿物掺合料复掺组最小相对动弹性模量为60%,最大质量损失率为3.9%.

所以,单掺石粉掺量在20%以内时,混凝土的抗冻等级可达F300； 掺量超过30%之后,混凝土的抗冻性能下降较快. 石粉复掺组抗冻性能优于石粉单掺组,符合复掺规律.

图5 花岗岩石粉复掺情况下混凝土抗冻性能指标变化规律Fig.5 Effect of granite powder on the frost resistance

2.4 废弃石粉对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

本节研究了花岗岩石粉和大理石石粉在不同掺量下对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响. 采用0.5水胶比的胶砂试件,基准组试件为纯水泥试件,试验组中掺入花岗岩石粉或大理石石粉,石粉取代量为10%～50%,具体研究结果如图6所示.

图6 废弃石粉对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能规律Fig.6 Effect of waste stone powder on the sulfate attack

从强度损失率上看： 在整个浸泡期内,掺花岗岩石粉和大理石石粉的试件强度损失率均比纯水泥组的小,说明掺入石粉能提高试件的抗硫酸盐侵蚀的能力. 并且随着石粉掺量的增加,试件的强度损失率越小. 这是因为石粉取代水泥量大的试件,水泥水化产物C-S-H凝胶、Ca(OH)2、钙矾石的量减少,试件膨胀开裂程度减轻,试件能较好地保持原状,不会出现应力集中的缺陷区[13]. 从质量损失率上看： 掺入石粉的试件的质量损失率均小于不掺石粉的纯水泥基准组,尤其在石粉掺量为40%～50%时,石粉的质量甚至没有发生损失而是保持一定比例的增长. 从试件最终的表观质量上看： 随着石粉掺量的增加,试件的破碎、掉角以及开裂程度逐渐减轻.

可见,掺入石粉有利于提高试件的抗硫酸侵蚀能力； 此外,横向对比两种石粉的试验结果可知,掺大理石石粉的试件的抗硫酸盐侵蚀性能要优于掺花岗岩石粉试件. 因为大理石石粉中的CaCO3参与水泥的水化,加速水泥的水化进程,水化产物中较少的Ca(OH)2、钙矾石含量,使掺大理石粉混凝土的抵抗膨胀性能更强,故具有更好的抗硫酸盐侵蚀性能[14].

3 结语

1) 单掺石材废弃石粉时,相比纯水泥基准混凝土,掺入废弃石粉在一定程度上提高混凝土抗收缩、抗硫酸盐侵蚀性能； 石粉掺量在10%以内时,混凝土表现出良好的抗氯离子渗透性； 掺量控制在20%以内,混凝土抗冻性能良好.

2) 复掺石材废弃石粉时,相比复掺粉煤灰和矿渣粉基准组,掺入废弃石粉混凝土具有良好的抗收缩性能,抗氯离子渗透性和抗冻性不如基准组. 但废弃石粉与其他矿物掺合料的复掺总量应控制在30%以内时,掺废弃石粉混凝土仍具有较好的耐久性.

3) 石粉与粉煤灰复掺对混凝土收缩的抑制作用要大于石粉与矿渣粉复掺的情况； 而在抗氯离子渗透方面,石粉与矿渣粉复掺的性能更优.

4) 两种石粉对混凝土收缩性和抗硫酸盐侵蚀性影响存在一定的差异： 掺花岗岩石粉混凝土抗收缩性能优于掺大理石石粉混凝土,但掺大理石粉混凝土具有更好的抗硫酸盐侵蚀性能.

5) 废弃石粉混凝土的耐久性能会随着石粉掺量的变化而表现出不同的差异,在实际使用中应该合理控制废弃石粉的掺量.