基于不同石粉掺量水泥力学性能变化试验研究

朱 坤，姬 谕，柳 惠，李泽浩，孟宪越，马在勇，耿丽娟，武瑞甜

(1.长春工程学院土木工程学院； 2.吉林省土木工程抗震减灾重点实验室；3.吉林省寒冷地区住宅工程建筑技术研究中心，长春 130012)

0 引言

随着我国建筑行业的快速发展，交通建设、基础建设以及对新“丝绸之路经济带”上国家的援建，使混凝土中的天然砂石一直处于高消耗状态。目前，全世界砂石骨料的年产量约为500亿t，中国对砂石的消耗量占全球砂石消耗量的42%。据砂石骨料网数据统计，2020年全国砂石消耗量为178.26亿t，同比增长1.39%。

在采石过程中，不可避免会产生石屑、石粉，其中石屑为粒径<5 mm的碎石颗粒，石粉为粒径<75 μm的碎石颗粒。随着砂石需求量的逐年增加，砂石开采对我国水源生态群系、矿脉以及日常生活都产生了一定程度的影响。国家统计局公布的战略性新兴产业分类中将机制砂、砂石尾矿再利用列入了我国战略新兴产业的重点产品服务，石粉废料的再次利用将成为建筑行业研究与发展的重要课题。

目前缺少针对石粉对水泥强度影响，相应的研究和相关规范。本次试验为室内试验，通过外掺不同比例的石粉，研究其对不同配合比水泥强度的影响，以发挥石粉对水泥结构性能的提升作用，从而为石粉废料的二次利用提供一定的参考依据。

1 试验材料及仪器设备

该试验方案拟定原材料有水泥、石粉和水。试验主要使用的仪器如图1所示，有水泥胶砂搅拌机、水泥试模(70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm)、振动台、电液式伺服压力试验机、养护箱、天平等。试验中所使用的水来自长春市自来水。水泥使用型号为鼎鹿牌M32.5 GB/T3183-2017砌筑水泥，水泥强度指标见表1。水泥的化学成分主要有三氧化硫(SO3)、氯离子(Cl-)以及水泥中水溶性铬(Ⅵ)，其中三氧化硫含量(质量分数)≤3.5%；氯离子含量(质量分数)≤0.06%；水泥中水溶性铬(Ⅵ)含量≤10.0 mg/kg。

(a)养护室

(b)水泥试模

(c)振动台

(d)电液式伺服压力试验机

水泥的物理性能为细度80 μm方孔筛筛余≤10.0%。凝结时间初凝时间≥60 min，终凝时间≤720 min。石粉的物理性能为筛分粒径<75 μm的碎石颗粒，试验中以水泥质量为基准外掺，掺量分别为水泥质量的0、5%、10%、20%、30%。

表1 水泥强度指标

2 试验方法

研究在不同水胶比状态下加入一定量的石粉对水泥强度的影响，试验具体方案为：参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行水泥净浆配制，石粉配合比见表2，将水泥和石粉倒入搅拌机中干拌30 s，加水慢拌60 s，再快拌60 s。

参照 JGJ—T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行立方体抗压强度试验，将拌好的水泥浆倒入已刷完薄层脱模剂的试模内，放置于振动台振实60次后取下试模，标记后放置于室温(20±5)℃条件下养护24 h脱模，立即送入温度为(20±2)℃、相对湿度90%以上的标准养护室中养护。测定养护时间为3 d、7 d、28 d的试件强度。使用电液式伺服压力试验机与试块几何对中，使用试验力控制，取修正系数1.3，以5kN/s的速率加压，直至试件被破坏，停止加载，记录数据。

表2 石粉配合比

3 试验结果及分析

养护好的试块经过压件直至被破坏，试件破坏图如图2所示。不同石粉掺量下养护7 d试块所能承受的最大压力和平均抗压强度值如图3～4所示。由图3～4可以看出，在3种不同水胶比的情况下，试块强度大致呈现出一种先减小后增加的趋势，在石粉掺量达到10%时，试块所承受的最大压力和平均抗压强度均达到最低，并随着石粉掺量的增加而逐渐提升。当水胶比为0.33时，石粉掺量的比例并不会使试块所承受的最大力产生太大波动，但是在掺量为5%～10%阶段会出现明显的下降趋势，石粉掺量达到20%时，试块平均抗压强度几乎等于掺量为0的抗压强度。当水胶比为0.4时，试块强度会随着石粉掺量的增加出现明显的起伏，当石粉掺量为0%～10%阶段，试块抗压强度出现一种持续走低的趋势，而石粉掺量达到20%时，其强度出现一定程度的回升，但在石粉掺量达到30%时平均抗压强度起伏不大。当水胶比为0.5时，试块抗压强度同样在掺量为0%～10%时持续降低，并在掺量达到20%时开始上升，掺量为30%阶段的强度已经可以与掺量为0的试块的平均抗压强度持平。综合图3～4以及实际情况，在养护时间为7 d的条件下，试块强度总体先减小后增大，并在石粉掺量达到10%时，其抗压强度达到最低，石粉掺量达到20%时，试块抗压强度提升幅度最大。

图2 试块被压碎破坏

图3 不同石粉掺量下养护7 d试块所承受的最大力

图4 不同石粉掺量下养护7 d试块平均抗压强度

如图5～7所示，3张图分别为不同水胶比情况下试件在28 d养护时间内抗压强度的变化图。由图可知，随着养护时间的增长，试块的抗压强度也随之增大。

图5 水胶比为0.33时试块不同龄期下的抗压强度

图6 水胶比为0.4时试块不同龄期下的抗压强度

图7 水胶比为0.5时试块不同龄期下的抗压强度

由图5可以看出，3 d龄期状态下，不同石粉掺量的试块强度接近，当龄期达到7 d时，试块强度皆有不同程度的涨幅，但差距依旧不够明显，当龄期达到28 d时，试块强度明显分成两个走向，石粉掺量为0与5%的试块持续走高，其中掺量为5%的试块强度在所有试块中强度达到最高，而石粉掺量为10%、20%、30%的试块强度提升不够明显。虽然水胶比为0.33时的所有试块的抗压强度都呈现持续上升的趋势，但出现了发散的情况，石粉掺量较高的试件随着龄期的增加，强度的提升不如低掺量和不掺石粉的情况。

从图6中可以看出在水胶比为0.4的情况下，不同石粉掺量试块的强度随龄期的增长出现了明显的分层现象。其中石粉掺量为0和20%的试块强度一直在较高位置，并且走势基本相同。石粉掺量为30%的试块的块强度略低于掺量为0与20%的试块强度，在龄期为7 d时试块强度相较于龄期为3 d的试块的强度，但并没有太多提升，石粉掺量为5%的试块随龄期的增长抗压强度并没有太大的涨幅，而石粉掺量为10%的试块强度明显低于其他试块，强度并未达到理想数值。

从图7可以看出在水胶比为0.5的情况下，5种掺量的试块的抗压强度随龄期的增长而增长的幅度大致相同，其中石粉掺量为0与30%的试块的抗压强度在所有试块中强度最高，当龄期为3 d时，石粉掺量为30%的试块强度最高，在龄期为3 ～7 d阶段，掺量为30%的试块抗压强度涨幅低于掺量为0的试块，而在龄期为28 d时，掺量为30%的试块抗压强度达到掺量为0的试块的抗压强度。石粉掺量为5%、10%、20%的试块抗压强度略低于另外两种，但抗压差别不大，仅增长幅度较低，其中掺量为20%的试块抗压强度最低。

由前文的图表可知，在不同水胶比的水泥净浆中掺入石粉，试件所达到的强度差别较大。当水胶比为0.33时，石粉掺量为5%时抗压强度最高，要略高于水泥净浆，水胶比为0.4时，石粉掺量为20%时抗压强度与水泥净浆强度相差不大，而水胶比为0.5时，石粉掺量为30%的试件抗压强度在不同养护阶段时强度与水泥净浆强度有波动性差异，养护龄期3 d时高于掺量为0的试块的抗压强度，7 d时低于0掺量时的抗压强度，28 d时的抗压强度达到与0掺量同样数值。

4 结论

分析实验结果发现，随着石粉掺量的增加，水泥抗压强度呈现出一种先降低后提高的走势。在实验条件下，当石粉掺量达到10%时，其强度达到最低;当石粉掺量达到20%时，强度增长变化不显著，并随养护时间的增加，强度仍呈现出持续缓慢提升的趋势。

1)随石粉掺量的增加，水泥抗压强度总体呈现出在石粉掺量为10%时强度最低，而后随石粉掺量增加强度缓步上升。

2)当水胶比为0.33时，适当添加石粉可改善水泥抗压强度，而且各种石粉掺量之间相比，抗压强度相差不大，但其中石粉掺量为10%及30%的抗压强度较低。

3)当水胶比为0.4时，水泥抗压强度在不同的石粉掺量下出现明显的分散现象，除20%石粉掺量强度可近似等于水泥净浆，并未变太大影响，而石粉掺量为10%的试件强度明显全面低于其他试件。

4)当水胶比为0.5时，可看出石粉掺量为30%的试件在3 d龄期时强度明显高于其他试件，而在7 d时强度出现差异，增长幅度过小。

5)总体来看，在不同水胶比下，会出现不同石粉掺量条件下强度达到未加石粉时的强度，甚至会有所提高。

6)综前所述，水胶比分别为0.33、0.4、0.5时，分别存在石粉掺量为5%、20%、30%时的抗压强度与石粉掺量为0的抗压强度相近，可按需进行替换，达到降低成本的效果。

7)水泥基材料的力学性能预测较为复杂，后续应选取不同种类、不同强度水泥进行不同掺量试验，对该试验结果作出进一步完善。