摘要
本文研究了人工砂中掺入不同含量的石粉对混凝土性能的影响。通过研究石粉含量对C35混凝土坍落度、28d抗压强度、28d抗折强度、干缩性能、抗冻性和氯离子扩散系数的影响，表明石粉可替代部分人工砂用于制备混凝土，石粉掺量在10%时，混凝土各项性能最优。
关键词
人工砂；石粉；混凝土；抗压强度；抗折强度
0 引言
随着中国改革开放的深入，国民经济得到快速提升，人们生活水平日益提高，对居住质量要求也越来越高，大理石、花岗岩等具有装饰功能的石材的使用需求量也日益增大。市场需求使得石材加工迅速发展，以福建为例，大小石材加工企业就多达上千家，福建南安也是国内石材加工核心地带，被称为“中国石材之乡”。但是，现阶段的石材加工工艺除了噪音污染外，还有一个重大问题，即加工产生的废弃物—石粉污染问题，据统计每生产30m2的板材，产生的石粉、石渣等废料大约有1t。石粉污染除了本身的粉尘污染，还因为在加工时为了保护机具而采取喷水保护措施，若未采取规范的排水措施，则使得石粉流入河流等水域，形成“牛奶溪”。为了防止石粉对水资源的污染，加工企业通过设置沉淀池，将含石粉浆液进行沉淀，但沉淀后得到的石粉若不能得到合理处置，仍然可能污染环境，这治标不治本。所以如何将石粉利用起来，将其用在工程中，才是达到真正消除污染，标本兼治的手段。大量研究表明，将石粉用在混凝土中，可以取得较好的效果。贾伟，孙启华用石粉代替同重的水泥，发现当坍落度值相同时，石粉混凝土需要的水和外加剂量均可减少，对混凝土强度影响以C30为界，以上可提高，以下则会降低。林松伟通过对福建南安大理石粉的研究，发现石粉比表面积大、CaO含量高，可以替代天然石灰石配料进行硅酸盐水泥熟料煅烧，并用试验进行验证，其成果处于世界领先，目前已在工程中得以使用。石粉除了代替水泥、细骨料外，石粉还可以用在墙体材料、人造石、仿石涂料、聚合物改性等方面。2007年12月17日，福建南安一加气混凝土项目正式投产，其年利用石粉达30万～50万吨，不仅有效地解决了石粉污染问题，也充分利用了石粉材料，具有显著的经济与社会效益。基于此，本文通过试验研究石粉在混凝土中不同掺加量对混凝土性能的影响。
1 原材料性能
试验目标为配制C35混凝土，原材料主要为水泥、碎石、砂、水。
1.1 水泥
试验所采用水泥为福州炼石水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，其主要性能指标详见表1。
1.2 碎石
试验所用碎石为长乐松下生产的，级配为5－31.5mm，其性能指标详见表2。
1.3 砂
砂子采用人工砂，经去粉处理，人工砂细度模数为2.8，其性能指标详见表3。
为了对比石粉对混凝土性能的影响，还增加了不含石粉的试验样本。
1.4 水
本次试验所用水为自来水。
表1水泥的主要性能
表2碎石的主要性能
表3砂的主要性能
2 试验方案
2.1 配合比设计
本试验采取的混凝土配合比中水、水泥、人工砂、碎石的比例为0.47∶1.00∶1.50∶2.51，具体混凝土配合比详见表4。为了研究石粉含量对混凝土性能的影响，将混凝土中的细骨料全部用石材加工的废弃物人工砂代替，人工砂中掺加了不同比例的石粉，石粉含量分别为0、5%、10%、15%、20%。
表4配制混凝土
2.2 混凝土性能测试
根据标准制备方法配制C35混凝土，然后进行相关性能试验测试。
(1)混凝土的坍落度根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T50080－2016进行测试。
(2)混凝土的28d抗折强度和28d抗压强度根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081－2002进行测试。
(3)混凝土的干缩率、抗冻性能及混凝土氯离子扩散系数试验根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082－2009进行测试。
3 试验结果与分析
(1) 坍落度影响
图1 石粉含量对混凝土坍落度影响
从图1中可以发现，石粉含量从0增大到15%时，混凝土坍落度由35mm降低到20mm，降低达43%，当石粉含量增大到20%时，混凝土坍落度损失达70%。由此可以得出石粉含量对混凝土坍落度影响十分明显，随着石粉含量的增加，混凝土坍落度降低，基本上呈线性关系。分析其原因在于：石粉颗粒粒径十分细小(小于0.075mm)，比表面积较大，用水量多，坍落度随着石粉含量增加而降低。
(2) 混凝土强度影响
从图2、3可知混凝土28天抗压与抗折强度随着石粉的含量呈现先增加后减少的趋势，而且最大值均出现在石粉含量10%左右。当石粉含量在13%左右时，混凝土强度与没有掺加石粉时基本相同，然后随着石粉的增加，混凝土的强度相应降低。石粉含量增加到20%时，混凝土抗压强度降低到42.3MPa，抗折强度降低到6.8MPa。针对抗压强度分析其原因有两个方面：一是石粉粒径较小，对混凝土骨料中的空隙进行填充，减小了硬化后混凝土的孔隙率，提高了混凝土的密实性；二是石粉虽然为惰性材料，但由于其粒径小而产生的微集料效益，使得在混凝土内部可以形成浆－集料界面结构，又由于其晶核作用促进水泥的水化作用，加速反应完成，有利于增加混凝土抗压强度。但是当石粉含量增加，其对原材料中的水形成了一定包裹作用，既破坏水泥石的均匀性，又减少了水与水泥的接触，水泥浆变少导致集料的粘性减小，黏聚力降低最终引起混凝土抗压强度降低。抗折强度的趋势与抗压强度基本一致，当石粉掺加量适当时(本试验为10%)，混凝土的保水性得到了提升，进而使得石粉在集料表面的富集程度降低，改善了水泥石和集料界面的过渡区，最终表现为混凝土抗折强度提高。但是当石粉含量继续增加时，石粉富集在一起导致材料分布不均匀，内部形成缺陷，影响了混凝土的抗折强度。当石粉含量超过10%时，抗折强度下降。同时试验显示，当石粉含量达到20%时，抗折强度下降率约9%，而抗压强度的下降率约3%，表明抗折强度对于石粉含量超掺比抗压强度更敏感，其可能原因是过量的石粉只是起到填隙的微集料效应，未参与水化，抗折时的横向剪切力更容易在这些部位产生应力集中，从而导致加速破坏。
(3) 混凝土干缩影响
图4中可以发现可知，随着石粉含量的增加，混凝土的28天干缩率增加，而且基本上呈线性关系。石粉含量从0增大到20%，干缩率增加了18%。其原因在于相同人工砂质量时，石粉含量越高其粒径相对越小，减小了对水泥浆体收缩的约束，因此，随着石粉含量增加，干缩增大。
(4) 混凝土抗冻性能影响
混凝土抗冻性能作为混凝土耐久性评价的一个重要指标，主要通过强度损失率和质量损失率来判断。其影响因素一般包括混凝土孔结构、含气量、饱水程度以及水灰比。从图5中可以发现混凝土强度损失率与质量损失率均随着石粉含量的增加呈现先减小后增高的现象，石粉含量10%是变化的拐点。分析其原因可能是混凝土的抗冻性与混凝土密实程度密切相关，而适量石粉的加入，使得混凝土内部不能形成联通的孔隙，从而可以有效地提高混凝土的密实性，最终表现为损失率较小，抗冻性能较好。但是随着石粉含量增加，石粉出现富集现象，影响了水泥水化作用与密实性，在宏观上表现就是强度与质量损失率增加，抗冻性能下降。
图2 石粉含量对混凝土抗压强度影响
图3 石粉含量对混凝土抗折强度影响
图4 石粉含量对混凝土干缩率影响
(5) 混凝土氯离子扩散系数影响
由图6可知，混凝土氯离子扩散系数随着石粉掺量的增加先变小后增大，当石粉含量小于10%时，混凝土的抗氯离子渗透能力增强，当石粉含量大于10%时，混凝土的抗氯离子渗透能力随着石粉掺量成反比，随着掺量增加而降低。适量的石粉掺量能够改善混凝土的耐久性主要在于石粉颗粒填充混凝土的空隙作用，提高了混凝土的均匀性，优化混凝土中孔结构，降低孔隙率。但过量石粉的掺入，减少了水化产物的生成，降低混凝土密实性，混凝土抗氯离子渗透性能降低。石粉掺量为10%时，抗氯离子渗透性能与不掺石粉的混凝土几乎相同，但是混凝土抗压强度、抗折强度达到最高。因此，本试验中较佳的石粉掺量为10%。
图5 石粉含量对混凝土抗冻性能影响
图6 混凝土氯离子扩散系数与石粉掺量的关系
4 结论
(1) 在人工砂中掺加一定量的石粉，既能够提高混凝土集料的密实性，又可以促进水泥的水化作用，从而提高混凝土的抗压与抗折强度。但过量的石粉含量，由于其富集现象，阻碍了水泥的水化作用，并在混凝土内部形成缺陷，引起强度下降。
(2) 在混凝土中掺加石粉，使得混凝土的坍落度减小与干缩率增加，可以通过添加外加剂进行改善。而适量石粉的加入，使得混凝土密实性得以提高，改善混凝土抗冻性能和抗氯离子渗透性能。
(3) 本试验研究可知石粉最佳含量为10%，在实际工程中应结合材料特性、配合比、外加剂以及施工要求等方面内容综合确定石粉最佳含量。
< 完 >
