石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響

范德科，馬　強(qiáng)，周宗輝，單立福，孔凡勝，王忠浩

(1.中建材中巖科技有限公司,北京　100024；2.濟(jì)南大學(xué)材料學(xué)院,濟(jì)南　250022)

?

石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響

范德科1，馬強(qiáng)1，周宗輝2，單立福1，孔凡勝1，王忠浩1

(1.中建材中巖科技有限公司,北京100024；2.濟(jì)南大學(xué)材料學(xué)院,濟(jì)南250022)

機(jī)制砂中含有粒徑小于0.075 mm的石粉是機(jī)制砂與天然砂顯著的區(qū)別之一。為了研究石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響，對(duì)比測(cè)試了不同石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土工作性及抗壓強(qiáng)度的影響，通過(guò)電通量法、快凍法測(cè)試了不同石粉含量對(duì)混凝土氯離子滲透性、抗凍融性能的影響，并對(duì)比測(cè)試了天然砂和機(jī)制砂混凝土的收縮，結(jié)果表明機(jī)制砂中含有適量的石粉可以改善混凝土的工作性，提高混凝土強(qiáng)度，而且石粉的加入可以提高混凝土的密實(shí)度從而改善混凝土的氯離子滲透性和抗凍融性能。機(jī)制砂混凝土14 d齡期前的收縮比天然砂大，后期的收縮與天然砂相差不大。

機(jī)制砂； 石粉； 混凝土； 收縮

1　引　言

混凝土作為人類用量最大的建筑材料[1]，砂是重要的組成部分，包括天然砂和機(jī)制砂兩大類。隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，天然砂已經(jīng)不能完全滿足工程建設(shè)的需要，采用機(jī)制砂配制混凝土已成為一種發(fā)展趨勢(shì)[2]。與天然砂相比，機(jī)制砂一般棱角尖銳，表面粗糙，且大多為粗砂，級(jí)配差，0.63～0.35 mm的顆粒偏少，拌制的混凝土特別是低強(qiáng)度等級(jí)的混凝土和易性差，容易離析[3]。

機(jī)制砂是由巖石除土開(kāi)采、破碎、篩分而制成的，現(xiàn)在主要采用干粉法生產(chǎn)[4]，由于生產(chǎn)機(jī)制砂用的巖石種類、破碎方式、分選工藝的不同，機(jī)制砂質(zhì)量相差較大，石粉含量各不相同。石粉含量是機(jī)制砂中特有的技術(shù)指標(biāo)，在機(jī)制砂中粒徑小于75 μm的顆粒稱作石粉，國(guó)標(biāo)《建設(shè)用砂》(GB/T14684-2011)規(guī)定用亞甲藍(lán)實(shí)驗(yàn)來(lái)判斷機(jī)制砂石粉是以石粉還是泥為主。石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土性能影響顯著，機(jī)制砂中含有一定量的石粉可以增加漿體的體積、改善混凝土和易性，填充混凝土骨料間的空隙、提高混凝土密實(shí)度[5]；石灰?guī)r質(zhì)的石粉在水化過(guò)程中可以起到晶核作用，誘導(dǎo)水泥水化并產(chǎn)生析晶，加速水化產(chǎn)物的形成，并與其反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣。此外，石灰?guī)r質(zhì)的石粉還對(duì)鈣礬石向單硫型轉(zhuǎn)化有阻止作用，增加鈣礬石的穩(wěn)定性。晶核及活性效應(yīng)明顯提高水泥漿-骨料界面的強(qiáng)度，這就是石粉的晶核和活性效應(yīng)[6]。本文用不同石粉含量的機(jī)制砂配制混凝土，研究石粉含量對(duì)混凝土和易性、抗壓強(qiáng)度的影響及混凝土的氯離子滲透性、抗凍融性能。

2　試　驗(yàn)

2.1原材料

(1)水泥為棗莊中聯(lián)水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，其性能參數(shù)如表1所示；試驗(yàn)用的粉煤灰為濟(jì)寧鄒縣電廠生產(chǎn)的II級(jí)粉煤灰；礦粉為山東魯碧建材有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉。

表1　水泥物理性能

(2)試驗(yàn)用粗集料為碎石，取自山東棗莊中聯(lián)混凝土有限公司，其粒徑范圍為5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配；試驗(yàn)采用的機(jī)制砂為山東棗莊市金星爆破有限公司生產(chǎn)的機(jī)制砂，其主要成分為石灰?guī)r和砂巖，沒(méi)經(jīng)過(guò)處理篩分的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)3.0，石粉含量5.9%，MB值1.0，對(duì)比試驗(yàn)的天然砂為駱馬湖砂，細(xì)度模數(shù)2.5，含泥量1.8%；試驗(yàn)用聚羧酸減水劑由中建材中巖科技有限公司生產(chǎn)。試驗(yàn)用石粉為石灰石石粉，主要成分為CaCO3，其顆粒激光粒度分布如圖1，D10=1.335 μm，D50=11.41 μm，D90=85.77 μm。

圖1　石粉顆粒的激光粒度分布Fig.1　particle size analysis of stone dust

2.2試驗(yàn)方法

按《建設(shè)用砂》(GB/T14684-2011)規(guī)定的方法測(cè)定機(jī)制砂石粉含量和MB值。按《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50080-2002)規(guī)定的坍落度法測(cè)試混凝土拌合物的工作性。按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)測(cè)試成型試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度。按照GB50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)》中電通量法測(cè)試混凝土抗氯離子滲透試驗(yàn)、快凍法測(cè)試混凝土的抗凍性、接觸法測(cè)試混凝土的收縮率。

3　結(jié)果與討論

3.1石粉含量對(duì)混凝土工作性的影響

試驗(yàn)采用棗莊中聯(lián)商品混凝土有限公司的C30機(jī)制砂混凝土配合比，把機(jī)制砂的石粉篩分成0、3%、6%、9%、12%、15%石粉含量，混凝土坍落度及擴(kuò)展度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2。

表2　混凝土配合比

圖2　石粉含量對(duì)混凝土坍落度及擴(kuò)展度的影響Fig.2　Effect of stone dust content on slump and fluidity

如圖2所示，石粉含量為0時(shí)，初始坍落度160 mm，擴(kuò)展度445 mm，混凝土嚴(yán)重離析、泌水，工作性很差，坍落度和擴(kuò)展度損失很快；石粉含量3%時(shí)，初始工作性較前面一組稍有改善，但仍離析、泌水；石粉含量為6%時(shí)，工作性改善明顯，初始坍落度185 mm、擴(kuò)展度455 mm，仍有泌水、離析現(xiàn)象，坍落度和擴(kuò)展度損失較快；石粉含量9%時(shí)，初始坍落度分別為205 mm，擴(kuò)展度455 mm，工作性好，不泌水離析，1 h坍落度150 mm，擴(kuò)展度450 mm，坍落度損失大而擴(kuò)展度幾乎沒(méi)損失，說(shuō)明混凝土的工作性改善明顯；石粉含量為12%時(shí)，初始坍落度為220 mm，擴(kuò)展度510 mm，工作性好，1 h坍落度160 mm，擴(kuò)展度440 mm；石粉含量增加到15%時(shí)，混凝土初始坍落度急劇降低到110 mm，包裹性良好。可見(jiàn)隨著機(jī)制砂中石粉含量的增加，混凝土和易性改善明顯，石粉含量達(dá)到12%時(shí)，和易性達(dá)到最好效果，石粉含量進(jìn)一步增加達(dá)到15%時(shí)，由于需水量急劇增加混凝土流動(dòng)性變差。機(jī)制砂混凝土損失較快，是由于該機(jī)制砂MB值1.0，石粉中泥含量高，泥在混凝土拌制后不斷的吸附聚羧酸減水劑，導(dǎo)致30 min、1 h流動(dòng)性損失較大。

3.2石粉含量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

由表3可看出混凝土7 d和28 d強(qiáng)度隨著石粉含量增加逐漸增大，石粉含量達(dá)9%強(qiáng)度達(dá)到35 MPa，繼續(xù)增加到12%，并沒(méi)有明顯增加，說(shuō)明該機(jī)制砂在9%～12%之間強(qiáng)度最佳；石粉含量繼續(xù)增加強(qiáng)度降低。由圖1可知石粉50%的顆粒小于11.41 μm，在混凝土起到微集料填充作用，使混凝土中空隙率降低，混凝土結(jié)構(gòu)更為致密，有利于提高強(qiáng)度，另一方面，石灰石質(zhì)石粉具有晶核效應(yīng)，它可以與水泥中的C3A和C4AF在水化的過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣，并與其它水化產(chǎn)物相互搭接，使水泥石結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而提高了混凝土的強(qiáng)度[6]；而當(dāng)石粉含量超過(guò)一定范圍時(shí)，破壞了混凝土中膠凝材料的最密實(shí)堆積結(jié)構(gòu)，或使混凝土的膠骨比偏離最佳值，另外，石粉含量過(guò)多導(dǎo)致混凝土中有一部分游離態(tài)的石粉，這部分石粉出現(xiàn)在水泥石中或界面過(guò)渡區(qū)，將不利于集料與水泥石的粘結(jié)，以上因素導(dǎo)致了隨石粉含量增加混凝土強(qiáng)度的降低。

表3　石粉含量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

3.3石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土氯離子滲透性的影響

由表4可知，除了用駱馬湖砂組的混凝土外，其余的電通量都低于2000 C，根據(jù)ASTM 1202總導(dǎo)電量及其對(duì)混凝土的分類，屬于低氯離子滲透性，只有駱馬湖砂組的達(dá)到了2363 C，屬于中氯離子滲透性，湖砂拌制混凝土的抗氯離子滲透性比機(jī)制砂差主要是因?yàn)樵贑30混凝土中，機(jī)制砂中含有石粉，摻入到混凝土中以后，可有效填充水泥漿體的部分孔隙，增加其密實(shí)度，同時(shí)石灰石石粉與水泥中C3A和C4AF發(fā)生反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣并與其它水化產(chǎn)物相互搭接，提高水泥石的密實(shí)度，從而提高了混凝土抗氯離子滲透性能。對(duì)抗氯離子滲透性能的改善并不隨石粉含量的增加而提高，實(shí)驗(yàn)中6%的氯離子滲透性最低，說(shuō)明6%的石粉含量的機(jī)制砂已經(jīng)能達(dá)到最優(yōu)緊密堆積，但是要混凝土和易性的提高需要石粉含量增加到9%～12%。

表4　石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土氯離子滲透性的影響

3.4石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土抗凍融性能的影響

圖3　石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土收縮性能的影響Fig.3　Effects of stone dust content on shrinkage of concrete

實(shí)驗(yàn)中機(jī)制砂混凝土的抗凍性比駱馬湖砂低，是由于機(jī)制砂表明比較粗糙，而且破碎過(guò)程中可能產(chǎn)生了微裂紋，產(chǎn)生的連通毛細(xì)孔會(huì)比天然砂多，導(dǎo)致吸水率高于天然砂，所以抗凍性能較差；另一方面，機(jī)制砂在破碎過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生細(xì)小的裂紋，這樣就會(huì)使一部分水留在其內(nèi)部，當(dāng)機(jī)制砂被周?chē)乃酀{體包裹住以后，就容易產(chǎn)生密閉容器效應(yīng)。機(jī)制砂吸水達(dá)到臨界飽和度以后，凍結(jié)后會(huì)由于體積膨脹而破壞其周?chē)幕炷痢２煌酆康腟組100次凍融循環(huán)后動(dòng)彈性模量大于85%，因?yàn)镾組的外加劑中復(fù)配了微量(萬(wàn)分之五)的引氣劑，S組的抗凍融性能明顯好于Ms(機(jī)制砂)組，說(shuō)明引氣劑的加入可以顯著提高混凝土的抗凍性能；S組相互比較發(fā)現(xiàn)石粉含量的增加有利于改善混凝土的密實(shí)度而提高抗凍性，但石粉含量達(dá)到12%后抗凍性又下降；與前面力學(xué)性能結(jié)果一致。

表5　石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土抗凍性的影響

3.5石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土收縮性能的影響

從圖3可知，與駱馬湖砂混凝土相比，機(jī)制砂混凝土14 d齡期前的收縮率比湖砂混凝土大，而后期的收縮率比湖砂混凝土小，這是由于水化早期石粉的晶核作用加速了水化硅酸鈣或水化鋁酸鈣的形成，同時(shí)石粉可與氫氧化鈣、水化鋁酸鈣反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣晶體，由于石粉的存在促進(jìn)了水化而增大收縮，而大部分石粉后期主要起填充作用使混凝土更加密實(shí)，所以后期機(jī)制砂混凝土的收縮與河砂相差不大甚至有所降低。

表6　石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土收縮性能的影響

4　結(jié)　論

(1)石粉可以提高機(jī)制砂混凝土的保水性和粘聚性，有利于改善機(jī)制砂混凝土離析泌水現(xiàn)象，本文中研究的C30機(jī)制砂混凝土的最佳石粉含量為9%～12%；

(2)隨著石粉含量的增加，機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度提高，當(dāng)石粉含量達(dá)到15%時(shí)強(qiáng)度反而下降，所以機(jī)制砂中石粉含量不宜過(guò)高；

(3)機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透性隨石粉含量的增加而增加。機(jī)制砂混凝土的抗凍性比天然砂差，但復(fù)配適量的引氣劑既可以提高機(jī)制砂混凝土的工作性，不影響機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度，還可以顯著提高機(jī)制砂混凝土的抗凍性；

(4)14 d以前齡期的機(jī)制砂混凝土收縮比駱馬湖砂大，后期機(jī)制砂混凝土的收縮與河砂相差不大甚至有所降低。

[1] Metha P K.Principles underlying production of high-performance concrete[J].Cement,ConcreteandAggregate,1990,12(2):70-80.

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

[3] 陳欣聲.機(jī)制砂在商品混凝土中的應(yīng)用[J].工程機(jī)械,2004,35(8):1539-1545.

[4] 蔣正武.機(jī)制砂特性及其在混凝土中應(yīng)用相關(guān)問(wèn)題研究[J].砂石，2010,(6):36-41.

[5] 楊玉輝，周明凱，趙華耕.C80機(jī)制砂泵送混凝土的配制及其影響因素[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,27(8):27-30.

[6] Zhou M K,Peng S M,Xu J.Effect of stone powder on stone chippings concrete[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology,1996,11(4):29-34.

Influence of Stone Dust on Properties of Concrete with Manufactured Sand

FANDe-ke1,MAQiang1,ZHOUZong-hui2,SHANLi-fu1,KONGFan-sheng1,WANGZhong-hao1

(1.CNBM Zhongyan Technology Co.,Ltd,Beijing 100024,China;2.School of Material Science and Engineering,Jinan University,Jinan 250022,China)

One of the most remarkable difference between manufactured sand and natural sand is stone dust whose particle size is less than 0.075 mm. The effects of different content of stone dust on workability and compressive strength was investigated in order to study the influence of stone dust on concrete with manufactured sand. Tested by using the coulomb electricity flux method and rapid freezing and thawing method to study the influence on the resistance to chloride ion permeability and antifreeze performance of concrete with manufactured sand of different content of stone dust, and tested shrinkage performance of concrete with natural sand and manufactured sand. The results show that appropriate proportion content of stone dust in manufactured sand can improve workability and compressive strength obviously, concrete with manufactured sand made good resistance to chloride ion permeability and good resistance to chloride ion permeability because stone dust improved compactness of concrete. The shrinkage rate of concrete with manufactured sand in the former 14 d age was bigger than that of concrete with natural sand, and the shrinkage rate in the late age was not much different.

manufactured sand;stone dust;concrete;shrinkage

棗莊市自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)項(xiàng)目(201402).

范德科(1981-)，男，碩士，工程師.主要從事混凝土及外加劑研究工作.

TU528

A

1001-1625(2016)03-0913-05