基于正交試驗摻石粉混凝土性能的影響

馬強強，王亞萍，陳 晨

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710024)

1 概述

混凝土是當下最重要的建筑材料，大規模的應用于工程建設中。隨著一帶一路國家戰略的不斷推進，許多工程地處東南亞、非洲等不發達地區，礦物摻合料非常缺乏，甚至出現粉煤灰高于水泥價格的情況，混凝土原料短缺和分布不均的問題日益凸顯[1]。針對上述問題，通過在混凝土中添加一定量的石粉替代礦物摻合料可以在一定程度上解決這些問題，一方面石粉原料來源廣泛，價格低廉，機制砂生產以及石材加工過程會產生大量石粉廢棄物，使用石粉替代一部分膠凝材料不僅可以緩解原料短缺問題，而且有助于節能減排和降低工程成本。另一方面適量的石粉在混凝土中能起到潤滑和孔隙填充作用，可以改善混凝土的工作性能、力學性能以及耐久性能[2]。目前關于石粉的研究多集中于石粉摻量對混凝土各項性能的影響，在影響工作性方面，觀點相對統一：石粉對混凝土工作性能產生有益效果，存在最佳摻量[3-8]。在混凝土強度方面，有研究表明混凝土抗壓強度隨著石粉摻量的增加而降低，但是在摻量低于10%時，強度的降低幅度并不明顯[9-10]；但也有研究表明石粉對抗壓強度的影響存在最佳摻量[11-13]。在耐久性影響方面，王稷良[14]、王雨利[15]、陳飚[16]、霍俊芳[17]、姚楚康等[18]的研究表明在石粉含量(質量分數)5%～10%時，混凝土抗氯離子滲透性和抗凍性較好。

但是，由于巖石隨著地域分布的不同，性能存在差異，導致如今在石粉混凝土研究領域存在眾多的分歧。基于此本文選用不同地區的三種巖性石粉，分析其微觀性能，將其石粉磨成不同細度，采用不同摻量，利用正交試驗，分析其對混凝土力學性能和耐久性能的影響，為因地制宜將石粉在混凝土中的應用奠定基礎。

2 原材料及試驗測試方法

2.1 原材料

水泥：P.O42.5水泥；硅灰：SF94級硅灰(比表面積：20 m2/g)；砂子：河砂；骨料：5 mm～10 mm,10 mm～20 mm的二級配骨料；減水劑：寶雞惠生的聚羧酸高效減水劑，減水率31%；水：自來水。

石粉：選用黃藏寺石灰巖、山東日照紅砂巖、河北石家莊凝灰巖三種不同巖性的人工砂，利用SM-500型試驗磨對其進行粉磨，分別得到三種不同細度的石粉。三種不同巖性石粉的微觀性能見圖1，石粉細度的粒徑特征分布見表1。

2.2 試驗測試方法

2.2.1 抗壓強度

抗壓強度試驗選用試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，按照GB/T 50081—2019混凝土物理力學性能試驗方法標準中規定進行。

2.2.2 電通量

電通量試驗將成型150 mm×150 mm×150 mm抗壓試件按標準養護到90 d時，采用鉆芯取樣再切割的方式獲得φ100 mm×50 mm試件，按照GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準中規定進行試驗，試驗過程見圖2。

表1 石粉粒徑特征值

3 實驗設計

采用正交試驗方法，研究石粉種類、細度、摻量對混凝土的抗壓強度、電通量的影響，首先對抗壓強度和電通量三個指標試驗結果采用極差和方差分析法進行分析，討論各因素對于試驗結果影響的大小和主次，給出試驗誤差的大小和各因素對于試驗結果的影響是否顯著。選取巖石種類、細度、摻量三個因素進行試驗。本試驗采用L9(34)水平正交表，各個因素取三個水平，研究各因素對混凝土抗壓強度、抗折強度、電通量的影響，并優化選出最佳因素水平組合。選用正交表進行正交試驗，因素水平表見表2，正交試驗配合比見表3。

表2 正交因素水平表

表3 正交試驗配合比 kg

4 試驗結果分析

按照表3中配合比進行正交試驗，得到摻不同石粉混凝土的7 d,28 d抗壓強度和電通量，結果見表4。

表4 正交試驗結果

4.1 抗壓強度分析

4.1.1 抗壓強度結果極差分析

表4中抗壓強度極差分析結果見表5。

表5 抗壓強度極差分析結果 MPa

由表5可知，石粉摻量為混凝土抗壓強度的顯著性因素，石粉種類、石粉細度對抗壓強度的影響較小，各因素對抗壓強度的顯著性次序為：石粉摻量>石粉巖性>石粉細度，分析不同因素對混凝土抗壓強度影響趨勢，見圖3，圖4。

由圖3,圖4可知，試驗結果表明石粉摻量對混凝土抗壓強度影響較大，摻量30%，20%的7 d抗壓強度較10%的降低了25.8%，11.6%，28 d的抗壓強度較10%降低了23.1%，12.8%，這是因為石粉活性較低，在混凝土中主要起填充作用，石粉取代水泥時，混凝土強度降低，且摻量越高，強度降幅越大。

由圖3,圖4可知，不同巖性石粉對混凝土7 d,28 d抗壓強度規律影響基本一致，凝灰巖最高，石灰巖次之，紅砂巖最低。分析原因，摻石粉混凝土的強度主要受石粉活性影響，不同巖性石粉由于化學組分不同，其在水化反應中表現的活性也存在差異。由相關文獻可知石粉活性指數大小為：凝灰巖>石灰巖>石英砂巖[19]，而石英砂巖與紅砂巖的礦物成分相似，因此混凝土抗壓強度與相應石粉活性指數呈現出一致的結果。

進一步分析石粉細度對混凝土抗壓強度的影響，由圖3和圖4可知，不同細度石粉對混凝土7 d和28 d 抗壓強度影響規律基本相同，混凝土的強度隨著石粉細度的增加先降低后增加，這主要是因為A,B兩個等級的石粉比表面積相差較小，可能存在B等級細度的石粉會使膠凝材料體系級配更佳，填充效應更佳，因此導致其比A等級細度石粉混凝土的強度大；而C等級石粉比表面積較前兩個等級有較大幅度的提高，物理激發了石粉部分活性，因此其強度提高也較明顯。

4.1.2 抗壓強度結果的方差分析

表4中抗壓強度結果的方差分析結果見表6,表7。

表6 7 d抗壓強度方差分析結果

表7 28 d抗壓強度方差分析結果

為增大誤差項自由度dfe，在進行顯著性檢驗前，將各因素方差MS因與誤差項方差MSe進行比較，當MS因≤2MSe時，將這些因素的平方和歸入誤差平方和，其自由度歸入誤差項自由度，得到修正后誤差自由度，使誤差項自由度增大，提高F檢驗靈敏度。經檢驗誤差不需要修正。

因此由表6中可見，石粉摻量為混凝土7 d抗壓強度的顯著性因素，石粉種類、石粉細度對抗壓強度的影響較小，各因素對7 d抗壓強度的顯著性依次為：石粉摻量、石粉種類、石粉細度。

為增大誤差項自由度dfe，在進行顯著性檢驗前，將各因素方差MS因與誤差項方差MSe進行比較，當MS因≤2MSe時，將這些因素的平方和歸入誤差平方和，其自由度歸入誤差項自由度，得到修正后誤差自由度，使誤差項自由度增大，提高F檢驗靈敏度。

由表7可知，石粉摻量為混凝土28 d抗壓強度的顯著性因素，石粉細度幾乎對抗壓強度無影響，各因素對28 d抗壓強度的顯著性依次為：石粉摻量、石粉種類、石粉細度。

4.2 電通量分析

1)90 d電通量結果極差分析。

表4中90 d電通量極差分析結果見表8。

表8 90 d電通量極差分析結果

由表8可知，影響混凝土90 d電通量的主次因素順序是：摻量>種類>細度>空列，其中石粉的摻量、種類影響較大，細度影響較小。

由表8中結果可知，不同種類、不同細度、不同摻量的石粉與5%的硅灰復摻其90 d電通量除紅砂巖30%摻量外，其余均小于1 000 C，表明石粉與硅灰復摻混凝土的抗氯離子性能良好。

由圖5可知，隨石粉細度的增大，電通量逐漸減小，混凝土抗氯離子性能提升；石粉比表面積由A增加到C，對應混凝土的電通量值下降了9.4%，這是因為石粉比表面積增大，充分填充了漿體的孔隙，減少了混凝土中有害大孔、連通孔數目，使混凝土內部更加密實。

由圖5可知，不同石粉巖性對混凝土電通量也有一定的影響，不同巖性石粉混凝土的電通量由高到低依次為：砂巖石粉>凝灰巖石粉>石灰石粉；其中砂巖石粉對應電通量最高，相比于石灰石粉高出16%，這是由于砂巖極易崩解破碎，由圖1可知砂巖石粉表面呈蜂窩狀且表面疏松多孔吸水性強，水和溶液相對更容易從石粉內部的缺陷、裂縫處進入漿體內部[20]，因此其電通量更大。凝灰巖石粉表面孔隙也相對較多，石灰石粉較為致密，因此石粉的微觀很好解釋了其電通量的大小。

由圖5可知，隨著石粉摻量的增加，混凝土的電通量逐漸增大，其抗氯離子性能越差，這是由于石粉在混凝土中主要通過微集料填充效應影響電通量的大小，其作用效果有限，當石粉摻量過大時，其微集料產生的效應將不抵石粉替代水泥造成活性降低而產生的不利影響，因此其會隨著石粉摻量的增加，電通量減小。

2)90 d電通量結果方差分析(見表9)。

為增大誤差項自由度dfe，在進行顯著性檢驗前，將各因素方差MS因與誤差項方差MSe進行比較，當MS因≤2MSe時，將這些因素的平方和歸入誤差平方和，其自由度歸入誤差項自由度，得到修正后誤差自由度，使誤差項自由度增大，提高F檢驗靈敏度。經檢驗本組試驗不需要誤差修正。

由表9可知，石粉摻量和石粉種類為90 d混凝土電通量的顯著性因素，石粉細度對電通量的影響較小，石粉摻量、石粉種類對電通量影響顯著。

表9 90 d電通量方差分析結果

5 結論

本文基于正交試驗進行了石粉種類、細度、摻量對混凝土性能影響研究，得出以下結論：

1)石粉種類、細度、摻量對混凝土7 d，28 d抗壓強度影響規律基本一致；石粉摻量的影響最為顯著，抗壓強度隨著石粉摻量得增大迅速下降；摻量30%，20%的7 d抗壓強度較10%的降低了25.8%，11.6%，28 d的抗壓強度較10%降低了23.1%，12.8%。石粉種類和石粉細度對混凝土抗壓強度影響較小，石粉種類的影響主要受石粉活性指數控制。

2)石粉摻量、種類對混凝土90 d電通量影響顯著；隨著石粉摻量增大混凝土的電通量增大，其抗氯離子性能減小；隨著石粉比表面積的增加，其電通量減小；不同巖性石粉電通大小依次為：紅砂巖石粉>凝灰巖石粉>石灰石粉，不同巖性石粉的微觀結構很好的反映了相應混凝土的抗氯離子性能。

3)不同石粉與5%的硅灰復摻其90 d電通量除紅砂巖30%摻量外，其余均小于1 000 C，表明石粉與硅灰復摻混凝土的抗氯離子性能良好。