中低強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土石粉含量確定的研究

王雨利，王衛(wèi)東，周明凱，李北星，劉素霞

（1.河南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454000；2.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽工程中心教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070）

隨著中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展和對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，現(xiàn)有的天然砂已經(jīng)不能滿足工程建設(shè)的需要，使用機(jī)制砂配制混凝土已成為今后的發(fā)展趨勢(shì)。但機(jī)制砂與河砂相比，其顆粒表面粗糙、多棱角，且機(jī)制砂大多數(shù)級(jí)配不良，0.630～0.315mm級(jí)顆粒偏少，并含有大量粒徑小于0.07 5mm的石粉。這些石粉與母巖的化學(xué)成分完全一樣，且大量的研究表明，適量的石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土的工作性和強(qiáng)度無(wú)不利的影響，甚至還可以改善混凝土的性能［1－3］。

《建筑用砂》（GB／T 14684－2001）規(guī)定：混凝土用機(jī)制砂的石粉含量分別為小于3%（大于等于C60），5%（介于C30～C60），7%（小于等于C30），但沒(méi)有給出相應(yīng)的理論依據(jù)。而機(jī)制砂在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的石粉一般占到10%～20%，這遠(yuǎn)高于國(guó)標(biāo)中石粉含量的限值。

為此，許多人進(jìn)行了石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土工作性能、強(qiáng)度、耐久性能影響的研究［4－13］，且各自得到了相應(yīng)的觀點(diǎn)。有的認(rèn)為石粉會(huì)增加用水量［14－15］，從而對(duì)混凝土性能造成不利的影響；有的認(rèn)為石粉會(huì)填充骨料空隙，不會(huì)增大用水量［16］，從而對(duì)混凝土性能改善有利；有的則認(rèn)為有一個(gè)度［17－18］，不超過(guò)這個(gè)度，則對(duì)混凝土性能有利。這些觀點(diǎn)的差異，可能是由于采用原材料的不同造成的，也可能配合比設(shè)計(jì)不同造成的。因此，如何合理有效地確定機(jī)制砂的石粉含量，將成為機(jī)制砂配合比設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)中采用華新P.C32.5和P.O42.5等水泥，水泥的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合GB 175－1999標(biāo)準(zhǔn)，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1；粗集料采用湖北陽(yáng)新5～25mm和5～31.5mm連續(xù)級(jí)配碎石；機(jī)制砂為福剛石灰?guī)r機(jī)制砂，其相關(guān)性能指標(biāo)見(jiàn)表2，其級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。外加劑為武鋼浩源FDN－1高效減水劑。

表1 水泥的主要性能

表2 細(xì)集料的主要性能指標(biāo)

圖1 福剛石灰?guī)r機(jī)制砂篩分曲線

1.2 試驗(yàn)方法

按《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T50080－2002）測(cè)試新拌混凝土的坍落度。成型150mm×150mm×150mm的立方體混凝土試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7、28d，測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

1）C40泵送混凝土

固定原材料用量分別為：水泥370kg／m3，水178kg／m3，機(jī)制砂800kg／m3，碎石1 102kg／m3。調(diào)整機(jī)制砂的石粉含量分別為7%、10%、15%、20%。測(cè)試其對(duì)混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響?；炷僚浜媳群蜏y(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響

從表3可以看出，隨著機(jī)制砂的石粉含量從7%增大到20%，混凝土的坍落度先增大，后又減小，在石粉含量為10%時(shí)，混凝土的坍落度最大；混凝土7、28d的抗壓強(qiáng)度也有類似的規(guī)律。因此，當(dāng)石粉含量為10%、水粉比為0.40時(shí)，混凝土的工作性、抗壓強(qiáng)度最優(yōu)。

2）C30塑性混凝土

采用P.C32.5水泥，混凝土原材料用量為：水泥330kg／m3，水165kg／m3，石灰?guī)r機(jī)制砂743kg／m3，碎石1212kg／m3。石粉含量分別為0%、5%、10%、15%、20%。測(cè)試混凝土坍落度、抗壓強(qiáng)度，混凝土配合比和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 采用P·C32.5水泥配制混凝土

從表4可以看出，機(jī)制砂的石粉含量從0%增大到20%，混凝土的坍落度先是增加，后又減小，在石粉含量為10%時(shí)，混凝土的坍落度最大；石粉含量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響的變化規(guī)律一致。因此，當(dāng)石粉含量為10%，水粉比為0.41時(shí)，混凝土的坍落度和抗壓強(qiáng)度最大。

采用P.O42.5水泥配制C30混凝土，其原材料用量為：水泥254kg／m3，水165kg／m3，機(jī)制砂802 kg／m3，碎石1129kg／m3，石粉含量為0%～25%，測(cè)試混凝土坍落度和抗壓強(qiáng)度，混凝土配合比及結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 采用P·O42.5水泥配制混凝土

從表5可以看出，在石粉含量為20%、水粉比為40%時(shí)，混凝土的坍落度和抗壓強(qiáng)度最佳。

3）C40的路面混凝土

C40混凝土原材料用量為：水泥360kg／m3，水160kg／m3，機(jī)制砂790kg／m3，碎石1140kg／m3，其中石粉含量為1.3%、5%、7%、10%、15%。石粉含量對(duì)混凝土坍落度和抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)表6。

表6 路面混凝土的配制

從表6可以看出，在石粉含量為5%、水粉比為0.40，混凝土的坍落度和抗壓強(qiáng)度最佳。

2.2 討論

從以上石粉含量對(duì)中低強(qiáng)度等級(jí)機(jī)制砂混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響可以得出：無(wú)論是流態(tài)混凝土還是塑性混凝土，即使其水泥等級(jí)、水灰比不同?；炷烈@得最佳工作性和抗壓強(qiáng)度，混凝土的水粉比均為0.40。

由此，在進(jìn)行機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)水粉比0.4來(lái)預(yù)測(cè)機(jī)制砂的最佳石粉含量，以此為基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證與調(diào)整。其大體步驟如下：

1）參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55－2000）進(jìn)行配合比的初步計(jì)算，確定水灰比、砂率，各種原材料的用量等；

2）通過(guò)公式（1）來(lái)估算機(jī)制砂的石粉含量，即采用水粉比0.40來(lái)預(yù)測(cè)機(jī)制砂的最佳石粉含量；

3）通過(guò)試配來(lái)驗(yàn)證與確定機(jī)制砂的最佳石粉含量。

式中：mw為用水量；mc為水泥用量；ms為砂用量；x為代表石粉最佳含量的推測(cè)值。

3 結(jié) 論

以中低強(qiáng)度等級(jí)石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土為研究對(duì)象，對(duì)比研究了石粉含量對(duì)混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土的類型不同，采用的原材料不同，可能會(huì)造成機(jī)制砂的最佳石粉不同，但對(duì)應(yīng)的水粉比均為0.40。因此，結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55－2000），通過(guò)水粉比0.4來(lái)估測(cè)機(jī)制砂的最佳石粉含量。

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