高石粉含量石灰?guī)r機制砂混凝土性能研究

楊 魯，譚鹽賓，邱志雄，李化建，王 釗，謝永江

(1．中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2．高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081; 3．中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081;4．廣東潮惠高速公路有限公司，廣東 廣州 510000)

高石粉含量石灰?guī)r機制砂混凝土性能研究

楊 魯1，2，3，譚鹽賓1，2，3，邱志雄4，李化建1，2，王 釗4，謝永江1，2

(1．中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2．高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081; 3．中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081;4．廣東潮惠高速公路有限公司，廣東 廣州 510000)

為解決潮惠高速公路沿線優(yōu)質(zhì)河砂資源緊缺問題，減少石粉對環(huán)境的不良影響，試驗研究了高石粉含量石灰?guī)r機制砂混凝土工作性能、力學(xué)性能、收縮變形性能和耐久性能，并與河砂混凝土進行了對比。結(jié)果表明，石灰?guī)r機制砂可替代河砂作為細骨料，并可將石粉含量限值提高至9.6%;機制砂混凝土可通過外加劑調(diào)整其工作性能，使之與河砂混凝土相當(dāng);機制砂混凝土的抗壓強度和彈性模量與河砂混凝土相當(dāng)，而機制砂混凝土抗折強度略高;機制砂混凝土收縮變形性能和耐久性能較優(yōu)。

石灰?guī)r 機制砂 混凝土

雖然我國天然砂產(chǎn)量大，但受到自然資源分布不均和政府河砂資源限采政策的影響，部分地區(qū)的天然砂越來越無法滿足日益增長的混凝土用量的需求［1］。在建潮惠高速公路沿線天然河砂資源分布較多，但河砂級配不良，細度模數(shù)多超過3.0，無法滿足工程要求，且長距離的河砂運輸造成建設(shè)成本顯著增加，甚至?xí)绊懝て凇?/p>

機制砂是巖石破碎加工而成的人工砂，與天然砂相比，機制砂表面粗糙、多棱角，含有較多的石粉，且壓碎值普遍偏大，機制砂這些特性都會影響到混凝土性能［2-3］。機制砂在制備過程中不可避免地會產(chǎn)生大量的石粉(粒徑＜75 μm的細小顆粒)，而我國機制砂標(biāo)準(zhǔn)中多要求石粉含量≤7%［4-6］。為了控制機制砂質(zhì)量，篩除下來的大量的石粉堆積如山，給環(huán)境帶來了較重的負擔(dān)。為解決潮惠高速公路沿線優(yōu)質(zhì)河砂資源緊缺問題，減少機制砂在破碎過程中產(chǎn)生的石粉對環(huán)境的不良影響，試驗以石粉含量高達9.6%的石灰?guī)r機制砂為細骨料，對比研究了公路橋梁用石灰?guī)r機制砂混凝土與河砂混凝土的工作性能、力學(xué)性能、收縮變形性能和耐久性能，以期為拓展高石粉含量石灰?guī)r機制砂在東南沿海地區(qū)公路工程中的應(yīng)用提供理論支持。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥為北京金隅P．O42.5水泥，其性能指標(biāo)見表1;礦物摻合料為山東聊城電廠Ⅰ級粉煤灰和山東濟南S95礦渣粉，其性能指標(biāo)見表2和表3;細骨料分別為石粉含量9.6%、細度模數(shù)2.8的石灰?guī)r機制砂，及細度模數(shù)2.6的Ⅱ區(qū)河砂;粗骨料為5～20 mm連續(xù)級配碎石;減水劑為減水率29%的非引氣型聚羧酸減水劑。

表1 水泥的性能指標(biāo)

表2 粉煤灰的性能指標(biāo)

1.2 試驗方法

1)坍落度、擴展度、含氣量試驗按照《普通混凝土拌合物性能檢測標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2002)進行。

表3 礦渣粉的性能指標(biāo)

2)力學(xué)性能按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進行。

3)收縮變形性能和耐久性能按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)進行。

1.3 混凝土配合比

潮惠高速公路處于沿海地區(qū)，混凝土采用粉煤灰和礦渣粉雙摻技術(shù)是有效的防腐蝕措施之一。具體配合比見表4，其中J系列為機制砂混凝土，H系列為河砂混凝土;Z表示強度等級為C35的灌注樁混凝土，D表示強度等級為C40的墩臺混凝土，L表示強度等級為C50的梁體混凝土。

2 結(jié)果與討論

2.1 拌合物性能

表5為不同結(jié)構(gòu)部位的混凝土拌合物性能。采用雙摻技術(shù)的石灰?guī)r機制砂混凝土和易性良好，并通過調(diào)整減水劑和引氣劑用量可使其工作性能與河砂混凝土性能相當(dāng)。結(jié)合表4和表5可知，擴展度和含氣量相當(dāng)時，機制砂混凝土減水劑摻量比河砂混凝土高出120% ～141%，引氣劑摻量則高出400% ～750%，這主要是由于石灰?guī)r機制砂中含有9.6%的石粉，雖然導(dǎo)致對減水劑和引氣劑的吸附作用顯著增大，仍可通過外加劑調(diào)整機制砂混凝土工作性能與河砂混凝土相當(dāng)。

表4 混凝土配合比kg/m3

表5 混凝土拌合物性能

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 抗壓強度

圖1為不同結(jié)構(gòu)部位機制砂混凝土與河砂混凝土抗壓強度對比結(jié)果。由圖可知，在相同配合比參數(shù)條件下，采用石灰?guī)r機制砂制備的混凝土能滿足不同強度等級要求;灌注樁和梁體石灰?guī)r機制砂混凝土各齡期抗壓強度與河砂混凝土相當(dāng)，墩臺石灰?guī)r機制砂混凝土各齡期抗壓強度則明顯高于河砂混凝土。這表明相同配合比條件下，使用石粉含量高達9.6%的石灰?guī)r機制砂對混凝土強度影響不大。而墩臺河砂混凝土抗壓強度低可能是由于河砂混凝土坍落度略高于機制砂混凝土，骨料分布不均導(dǎo)致強度略低。2.2.2 抗折強度

圖1 不同結(jié)構(gòu)部位混凝土抗壓強度對比

圖2為不同結(jié)構(gòu)部位機制砂混凝土與河砂混凝土抗折強度對比結(jié)果。由圖可知，石灰?guī)r機制砂混凝土28 d抗折強度均高于河砂混凝土;而56 d抗折強度除墩臺機制砂混凝土明顯高于河砂混凝土外，灌注樁和梁體機制砂混凝土均與河砂混凝土相當(dāng)。這主要由于界面強度是影響混凝土抗折強度的主要因素之一，機制砂表面粗糙，其與水泥漿體的機械咬合力高于河砂，同時，適當(dāng)?shù)氖酆靠梢蕴岣咚酀{體的密實度，因此，雖然含有較多石粉，機制砂混凝土早期抗折強度仍然高于河砂混凝土。

圖2 不同結(jié)構(gòu)部位混凝土抗折強度對比

2.2.3 彈性模量

梁體混凝土要進行預(yù)應(yīng)力張拉，因而需要考慮其彈性模量。圖3為梁體混凝土彈性模量，由圖可知，石灰?guī)r機制砂混凝土彈性模量與河砂混凝土相當(dāng)，特別是早期，河砂混凝土28 d彈性模量為45.1 GPa，石灰?guī)r機制砂混凝土為44.2 GPa;56 d河砂混凝土彈性模量增長到50.1 GPa，機制砂混凝土則為47.3 GPa。梁體石灰?guī)r機制砂混凝土和河砂混凝土彈性模量相當(dāng)，均超過35.5 GPa，能夠滿足橋梁的設(shè)計要求［7］。

圖3 梁體混凝土彈性模量

2.3 收縮變形性能

圖4為梁體和墩臺混凝土收縮變形性能。由圖可知，石灰?guī)r機制砂對混凝土干縮變形沒有不利影響，石灰?guī)r機制砂混凝土干燥收縮還略小于河砂混凝土。這主要是由于機制砂中含有的部分石粉產(chǎn)生了填充效應(yīng)，增大了漿體的密實度［8］。同時，也反映出石灰?guī)r機制砂石粉含量即便達到9.6%，也不會加劇混凝土的收縮變形，這對于石灰?guī)r機制砂混凝土抗裂性能是非常有利的。

圖4 梁體和墩臺混凝土干燥收縮變形

2.4 耐久性能

圖5為不同結(jié)構(gòu)部位混凝土電通量和氯離子擴散系數(shù)。由圖可知，3種結(jié)構(gòu)用石灰?guī)r機制砂混凝土56 d電通量和氯離子擴散系數(shù)均低于對應(yīng)的河砂混凝土，說明不同結(jié)構(gòu)用石灰?guī)r機制砂混凝土抗氯離子滲透能力均高于河砂混凝土。采用相同配合比的機制砂和河砂混凝土，機制砂混凝土抗氯離子滲透能力的提高主要是由于機制砂中石粉的存在，石粉具有一定的填充效應(yīng)，并為水泥水化反應(yīng)提供成核效應(yīng)［9］，可以有效地提高水泥混凝土的密實度，從而提高了混凝土的抗氯離子滲透能力。

圖5 不同結(jié)構(gòu)部位混凝土電通量和氯離子擴散系數(shù)

3 結(jié)論

1)通過對比石灰?guī)r機制砂混凝土和河砂混凝土工作性能、力學(xué)性能、收縮變形性能和耐久性能可知，石灰?guī)r機制砂可替代河砂作為細骨料使用，并可將石粉含量限值放寬至9.6%。

2)石灰?guī)r機制砂混凝土對減水劑和引氣劑的吸附能力明顯高于河砂混凝土，但仍然可以通過外加劑調(diào)整其工作性能與河砂混凝土相當(dāng)。

3)石灰?guī)r機制砂混凝土與河砂混凝土抗壓強度和彈性模量相當(dāng)，而石灰?guī)r機制砂混凝土的抗折強度略高。

4)試驗制備的梁體和墩臺機制砂混凝土收縮變形性能和耐久性能均明顯優(yōu)于河砂混凝土，機制砂混凝土可用于公路橋梁各結(jié)構(gòu)部位。

［1］徐健，蔡基偉，王稷良，等．人工砂與人工砂混凝土的研究現(xiàn)狀［J］．國外建材科技，2004，25(3):20-24．

［2］李北星，周明凱，田建平，等．石粉與粉煤灰對C60機制砂高性能混凝土性能的影響［J］．建筑材料學(xué)報，2006，9(4): 381-387．

［3］王雨利，王稷良，周明凱，等．機制砂及石粉含量對混凝土抗凍性能的影響［J］．建筑材料學(xué)報，2008，11(6):726-731．

［4］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．GB/T 14684—2011 建筑用砂［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011．

［5］中華人民共和國交通部．JT/T 819—2011 公路工程水泥混凝土用機制砂［S］．北京:人民交通出版社，2011．

［6］中華人民共和國建設(shè)部．JGJ 52—2006 普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006．

［7］中華人民共和國鐵道部．TB 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［8］王稷良，周明凱，朱立德，等．機制砂對高強混凝土體積穩(wěn)定性的影響［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報，2007，29(10):20-24．

［9］劉數(shù)華．石灰石粉對復(fù)合膠凝材料水化特性的影響［J］．建筑材料學(xué)報，2010，13(4):218-221．

Study on performance of concrete with high stone powder
content using manufactured sand

YANG Lu1，2，3，TAN Yanbin1，2，3，QIU Zhixiong4，LI Huajian1，2，WANG Zhao4，XIE Yongjiang1，2
(1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2．State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China;3．Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;4．Guangdong Chao Hui Highway Co．，Ltd．，Guangzhou Guangdong 510000，China)

T he paper aims to resolve the scarcity of high-quality fluvial sand along Chaohui highway and to undermine the negative impact that stone powder exerts to the surrounding environment．On this basis，it carries out experimental study on the working performance，mechanical property，durability，contraction and deformation of high stone powder content concrete with limestone manufactured sand，then compares the findings with the performance of fluvial sand concrete．T he results indicate that limestone manufactured sand may serve as the replacement of fluvial sand as fine aggregate，which raise the cap ratio of quarry dust to 9.6%．At the same time，the working performance of concrete with manufactured sand can be altered by the means of admixture，drawing on a par with that of the fluvial sand concrete．T hough the two concretes tend to stand neck to neck in terms of compressive strength and elastic modulus，concrete with manufactured sand displays a slight edge in bending resistance and it stands out for its performance in durability and resistance to contraction and deformation．

Limestone;M anufactured sand;Concrete

TU528．59

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．34

(責(zé)任審編 周彥彥)

2015-01-20;

:2015-03-29

廣東交通集團科研項目(13125C43)

楊魯(1988— )，男，山東聊城人，助研，博士研究生。

1003-1995(2015)08-0119-04