特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)摻對(duì)混凝土性能影響的試驗(yàn)研究

馮濤濤，吳超，趙世冉，袁延召，成東京，張凱峰

（1. 中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安 710116；2. 中建商品混凝土山西有限公司，山西 太原 030000）

特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)摻對(duì)混凝土性能影響的試驗(yàn)研究

馮濤濤1，吳超2，趙世冉1，袁延召1，成東京2，張凱峰1

（1. 中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安 710116；2. 中建商品混凝土山西有限公司，山西 太原 030000）

特細(xì)砂顆粒級(jí)配單一是造成混凝土流動(dòng)性差的主要原因，本文通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)對(duì)特細(xì)砂配制混凝土關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系列研究。研究結(jié)果表明：特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)摻利用且摻量為 25% 時(shí)，混凝土工作性能優(yōu)良、抗壓強(qiáng)度滿足施工要求，此時(shí)混凝土砂率為 47%；特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)摻所配制的混凝土物理力學(xué)性能優(yōu)于普通河砂混凝土；特細(xì)砂的引入有助提升混凝土品質(zhì)，降低能耗，有效降低優(yōu)質(zhì)河砂短缺地區(qū)混凝土的生產(chǎn)成本。

特細(xì)砂；混凝土；工作性能；抗壓強(qiáng)度

0 前言

特細(xì)砂是指細(xì)度模數(shù)在 1.5 以下或者平均粒徑在 0.25mm以下的砂[1]。特細(xì)砂由于粒徑小、比表面積大，拌制同樣強(qiáng)度混凝土?xí)r用水量和水泥用量比普通中、粗砂混凝土大。在同一施工條件下，采用特細(xì)砂制備的混凝土工作性能差，并且比普通中、粗砂混凝土更易出現(xiàn)收縮裂縫等質(zhì)量缺陷。但是研究表明，通過(guò)合理的調(diào)配，特細(xì)砂配制的混凝土工作性能與抗壓強(qiáng)度均能接近中、粗砂混凝土，甚至當(dāng)采用特細(xì)砂配制高強(qiáng)、高性能混凝土?xí)r，其工作性能與強(qiáng)度也能滿足施工要求，而且具有良好的抗凍性能與抗?jié)B性能[2-5]。隨著城市化進(jìn)程的加快，優(yōu)質(zhì)河砂資源逐漸短缺，具有豐富特細(xì)砂資源的地區(qū)若能科學(xué)合理地使用特細(xì)砂，對(duì)于降本增效、提高混凝土質(zhì)量具有重要意義。

特細(xì)砂復(fù)摻改性是其綜合應(yīng)用的重要手段，本文通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究特細(xì)砂、機(jī)制砂以及特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)摻對(duì)混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響，重點(diǎn)研究不同復(fù)摻比例、砂率以及砂的種類(lèi)對(duì)混凝土性能的影響規(guī)律，掌握特細(xì)砂配制混凝土的關(guān)鍵技術(shù)。

1 原材料

（1）水泥：采用 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)性能指標(biāo)檢測(cè)均符合 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。其物理性能見(jiàn)表 1。

表1　水泥物理性能指標(biāo)

（2）摻合料：采用 Ⅱ 級(jí)粉煤灰、S95 級(jí)礦粉。其中，粉煤灰細(xì)度 16.8%，燒失量 5%，需水量比 101%；礦粉比表面積 400m2/kg，7d 活性指數(shù) 81%，28d 活性指數(shù) 98%。

（3）粗骨料：采用 5～31.5mm 連續(xù)級(jí)配碎石，緊密堆積密度 1650kg/m3，壓碎值 12%。

（4）細(xì)骨料：特細(xì)砂，細(xì)度模數(shù) 1.2，含泥量 5%；機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù) 3.2，MB 值 1.0；河砂，細(xì)度模數(shù) 2.7，含泥量4.3%。

（5）外加劑：萘系高效減水劑，減水率 18.7%，凈漿流動(dòng)度 220mm。

（6）拌合水：自來(lái)水。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)依據(jù) JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行 C40 混凝土配合比設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)分別研究特細(xì)砂與機(jī)制砂不同比例復(fù)摻、不同砂率、不同種類(lèi)砂對(duì)混凝土工作性能及抗壓強(qiáng)度的影響，其中混凝土設(shè)計(jì)水膠比為 0.45，總膠材用量 400kg/m3，工作性能及抗壓強(qiáng)度分別參考 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和 GB/ T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 特細(xì)砂與機(jī)制砂不同比例復(fù)摻對(duì)混凝土性能的影響

試驗(yàn)分別采用特細(xì)砂取代 0%、5%、15%、25%、35%、45%、55% 的機(jī)制砂進(jìn)行混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究，混凝土配合比與性能見(jiàn)表 2。

3.1.1 特細(xì)砂與機(jī)制砂不同比例復(fù)摻對(duì)混凝土工作性能的影響

由表 2 可見(jiàn)，當(dāng)采用特細(xì)砂分別取代 0%、5%、15%、25%、35%、45%、55% 的機(jī)制砂時(shí)，隨著特細(xì)砂摻量的增加，混凝土坍落度與擴(kuò)展度均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。從混凝土工作性能來(lái)看，當(dāng)特細(xì)砂取代率在 0%～15% 之間時(shí)，新拌混凝土易出現(xiàn)泌水分層、工作性能差的特點(diǎn)，隨著特細(xì)砂摻量的提高，混凝土和易性有較大改善，具體表現(xiàn)為混凝土和易性提高、粘度上升；當(dāng)特細(xì)砂取代率大于 25% 時(shí)，混凝土和易性變差、粘度急劇上升，且在 55% 取代率時(shí)已經(jīng)基本失去流動(dòng)性能。試驗(yàn)表明，特細(xì)砂取代率不宜超過(guò) 25%。這主要是因?yàn)?，隨著特細(xì)砂摻量的增加，細(xì)集料比表面積增大，顆粒級(jí)配趨于合理，混凝土和易性得到改善。當(dāng)特細(xì)砂摻量達(dá)到 25% 時(shí)，細(xì)集料顆粒級(jí)配最佳，混凝土和易性最好，然而，當(dāng)摻量大于 25% 時(shí)，細(xì)集料比表面積逐漸增大，所需水泥漿量不足，造成混凝土粘度增加，流動(dòng)性變差。

表2　不同特細(xì)砂取代率混凝土配合比及性能結(jié)果

3.1.2 特細(xì)砂與機(jī)制砂不同比例復(fù)摻對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖1　特細(xì)砂摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律

由圖1 可知，隨著特細(xì)砂摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，這與表 3 中混凝土工作性能的變化規(guī)律一致。當(dāng)特細(xì)砂摻量達(dá)到 25% 時(shí)，混凝土 7d、28d強(qiáng)度達(dá)到最大值。這是因?yàn)?，特?xì)砂的摻入優(yōu)化了機(jī)制砂的顆粒級(jí)配，且在 25% 摻量下混凝土骨料間緊密堆積，共同提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。另外，特細(xì)砂顆粒細(xì)小，隨著摻量的增加，細(xì)集料比表面積相對(duì)增大，用于包裹細(xì)集料顆粒的水泥漿需求量增加[6]，具體表現(xiàn)為，特細(xì)砂摻量大于 25%時(shí)，混凝土和易性變差，抗壓強(qiáng)度降低。

3.2 不同砂率對(duì)混凝土性能的影響

試驗(yàn)采用固定特細(xì)砂摻量，改變砂率的方法，對(duì)比研究砂率變化對(duì)混凝土性能的影響規(guī)律。其中，特細(xì)砂摻量為25%，砂率分別為 35%、39%、43%、47%、51%、55%，混凝土配合比及性能見(jiàn)表 3。

表3　不同砂率混凝土配合比及性能結(jié)果

3.2.1 不同砂率對(duì)混凝土工作性能的影響

由表 3 可知，在保持特細(xì)砂摻量不變的情況下，混凝土的工作性能隨砂率的增加呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，當(dāng)砂率增大至 43%～47% 時(shí)，混凝土流動(dòng)性改善較為明顯，并且在47% 時(shí)混凝土坍落度和擴(kuò)展度達(dá)到了最大值，和易性最佳。試驗(yàn)表明，當(dāng)砂率超過(guò) 51% 時(shí)，混凝土粘度上升，需水量增大[7]，工作性能降低，因此混凝土砂率不宜超過(guò) 47%。

3.2.2 不同砂率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2　不同砂率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律

從圖2 可以看出，隨著砂率的逐漸增大，混凝土 7d、28d 抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，且在 47% 砂率時(shí)，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，這說(shuō)明，當(dāng)特細(xì)砂取代量為 25%時(shí)，混合細(xì)集料的合理砂率為 47%，此時(shí)混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度均能滿足施工要求。

3.3 不同種類(lèi)細(xì)集料對(duì)混凝土性能的影響

試驗(yàn)分別采用 25% 特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)摻、60% 河砂與機(jī)制砂復(fù)摻、100% 河砂三種細(xì)集料體系進(jìn)行混凝土性能對(duì)比試驗(yàn)研究，試驗(yàn)配合比見(jiàn)表 4。

表4　不同種類(lèi)細(xì)集料混凝土配合比及性能結(jié)果

3.3.1 不同種類(lèi)砂對(duì)混凝土工作性能的影響

由表 4 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在坍落度相同的情況下，采用25% 特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)摻制備的混凝土擴(kuò)展度大于采用 100%河砂和采用 60% 河砂與機(jī)制砂復(fù)摻體系的混凝土。從工作性能來(lái)看，采用 60% 河砂與機(jī)制砂復(fù)摻體系的混凝土出現(xiàn)輕微泌水，因此，在泵送混凝土生產(chǎn)中，更宜采用 100% 河砂或25% 特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)摻的細(xì)集料，考慮到當(dāng)下優(yōu)質(zhì)河砂資源短缺的情況，在特細(xì)砂資源豐富地區(qū)，混凝土生產(chǎn)應(yīng)采用25% 特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)摻的細(xì)集料，以達(dá)到提升混凝土工作性能，降低能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

3.3.2 不同種類(lèi)砂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3 可知，采用 3 種不同類(lèi)型細(xì)骨料制備的混凝土28d 抗壓強(qiáng)度均滿足 C40 混凝土設(shè)計(jì)要求。當(dāng)采用 25% 特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)摻使用時(shí)，混凝土 7d、28d 抗壓強(qiáng)度最大，采用 60% 河砂與機(jī)制砂混合使用時(shí)，混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度最小，這是因?yàn)椋丶?xì)砂在合理?yè)搅肯拢?5%）優(yōu)化了機(jī)制砂的顆粒級(jí)配，提升了混凝土的勻質(zhì)性與密實(shí)度，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖3　不同種類(lèi)砂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律

4 結(jié)論

（1）特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)摻利用且摻量為 25%，砂率為47% 時(shí)，混凝土的工作性能優(yōu)良、抗壓強(qiáng)度滿足施工要求。

（2）在合適的摻量下，特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)摻制備的混凝土物理力學(xué)性能最佳，優(yōu)于純河砂或河砂與機(jī)制砂復(fù)摻制備的混凝土。

（3）在優(yōu)質(zhì)河砂資源短缺的地區(qū)，可采用特細(xì)砂復(fù)摻機(jī)制砂配制混凝土，可以提升混凝土品質(zhì)，降低能耗，并產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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［通訊地址］陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)王寺西街 中建西部建設(shè)北方有限公司研發(fā)中心（710116）

馮濤濤（1988—），男，本科，助理工程師，主要從事高性能混凝土及綠色建材研究。