不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂對(duì)混凝土性能的影響

李家和 ，王金業(yè) ，王明亮 ，夏京亮 ，周永祥 ，高超 ，張浩

（1.云南交投集團(tuán)公路建設(shè)有限公司，云南 昆明 650228；2.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013；3.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011）

0 引言

天然河砂為不可再生資源，日益短缺，隨著國家對(duì)環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，各地河砂開采的限制也愈加嚴(yán)格，因此，應(yīng)用機(jī)制砂代替天然河砂已成為混凝土行業(yè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢[1]。機(jī)制砂是經(jīng)除土處理，由機(jī)械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75 mm的巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣顆粒，但是不包括軟質(zhì)、風(fēng)化的顆粒[2]。對(duì)于機(jī)制砂的研究，主要集中在機(jī)制砂級(jí)配[3-4]、石粉含量[5-6]、母巖特性[7]、粒形[8-9]、MB 值[10-11]等指標(biāo)對(duì)混凝土性能的影響及機(jī)理研究[12]，機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)研究[13]，機(jī)制砂混凝土耐久性研究[14]。然而機(jī)制砂的應(yīng)用和機(jī)制砂混凝土的性能很大程度上取決于機(jī)制砂生產(chǎn)工藝的不同，制砂機(jī)的破碎方式主要有顎式、圓錐式、反擊式、對(duì)輥式和沖擊式等，按照生產(chǎn)出來的機(jī)制砂顆粒形狀的優(yōu)劣排序?yàn)椋簺_擊式制砂較好，反擊式、圓錐式次之，而顎式、對(duì)輥式制砂最差。目前生產(chǎn)工藝對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響系統(tǒng)對(duì)比研究較少，不利于先進(jìn)的機(jī)制砂生產(chǎn)工藝在工程中推廣應(yīng)用。

本文采用普通工藝制砂和干法制砂2種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的機(jī)制砂配制C30、C55兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，對(duì)比研究不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：北京金隅P·O42.5水泥，主要性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

（2）粉煤灰：鄒城電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)度（45 μm方孔篩篩余）7.2%，需水量比93%，密度2.2 g/cm3。

（3）粗骨料：5～20mm連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，堆積密度1461 kg/m3，飽和面干吸水率0.9%。

（4）細(xì)骨料：采用傳統(tǒng)普通制砂工藝和新型干法制砂工藝分別生產(chǎn)的機(jī)制砂，2種生產(chǎn)工藝見表2，傳統(tǒng)普通制砂工藝主要是采用顎式破碎機(jī)和圓錐破兩級(jí)破碎后篩分得到機(jī)制砂，而新型干法制砂工藝采用立式?jīng)_擊破碎機(jī)，考慮石粉含量的控制和機(jī)制砂防離析措施。普通工藝機(jī)制砂中石粉含量15.9%、MB值1.5、細(xì)度模數(shù)3.0；干法制砂工藝機(jī)制砂中石粉含量13.8%、MB值0.5、細(xì)度模數(shù)2.9，2種生產(chǎn)工藝機(jī)制砂的級(jí)配見圖1。

表2 普通生產(chǎn)工藝與干法制砂生產(chǎn)工藝

圖1 2種生產(chǎn)工藝機(jī)制砂的級(jí)配

（5）減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，減水率40%，泌水率比≤20%，坍落度保留值（1 h）≥140 mm。

（6）水：自來水。

1.2 混凝土配合比

參照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》分別配制C30、C55混凝土，具體配合比見表3。

表3 試驗(yàn)混凝土的配合比

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土拌合物工作性能按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試；力學(xué)性能按照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)行測試；耐久性按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土的工作性

不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂對(duì)混凝土工作性的影響見表4。

表4 不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂對(duì)混凝土工作性的影響

由表4可知，對(duì)于C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土來說，混凝土坍落度達(dá)到相差不多的情況下，普通生產(chǎn)工藝機(jī)制砂需要摻加減水劑2.21 kg/m3，而干法制砂工藝機(jī)制砂僅需要摻加減水劑1.54 kg/m3，節(jié)約減水劑30%，即使少用30%的減水劑，干法制砂工藝機(jī)制砂配制的混凝土坍落度比普通工藝機(jī)制砂混凝土大10 mm，擴(kuò)展度大55 mm；對(duì)于C55強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，坍落度達(dá)到相差不多的情況下，普通生產(chǎn)工藝機(jī)制砂需要摻加減水劑2.90 kg/m3，而干法制砂工藝機(jī)制砂僅需要摻加減水劑2.23 kg/m3，節(jié)約減水劑23%，此時(shí)，干法制砂工藝機(jī)制砂配制的混凝土坍落度比普通工藝機(jī)制砂混凝土大15 mm，擴(kuò)展度大65 mm。這主要是因?yàn)?，干法制砂生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的機(jī)制砂MB值為0.5，遠(yuǎn)低于普通工藝機(jī)制砂，使得其對(duì)外加劑的吸附作用小于普通工藝機(jī)制砂。另外，干法制砂采用反擊式破碎機(jī)，生產(chǎn)的機(jī)制砂經(jīng)過了顆粒之間的相互碰撞整形，機(jī)制砂棱角偏少，更加接近于圓形，有利于提高混凝土的工作性能。2種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土對(duì)比，低強(qiáng)度等級(jí)混凝土干法制砂工藝生產(chǎn)的機(jī)制砂相對(duì)于普通工藝機(jī)制砂，節(jié)約減水劑更加明顯，主要是因?yàn)榈蛷?qiáng)度等級(jí)混凝土膠凝材料用量相對(duì)較少，此時(shí)機(jī)制砂品質(zhì)較佳的優(yōu)勢更加突出。

3）鋅肥?；士僧€施硫酸鉀10～15 kg，每3年施1次；噴施可用0.3%硫酸鉀+0.3%尿素在萌芽至落花后2周混合噴施，或在萌芽前用3%～5%硫酸鉀進(jìn)行枝干涂抹。

2.2 混凝土的力學(xué)性能

不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響如圖2所示。

圖2 不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

由圖2（a）可知，對(duì)于C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土，2種生產(chǎn)工藝機(jī)制砂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大，干法制砂機(jī)制砂配制的混凝土3 d、7 d、28 d和56 d抗壓強(qiáng)度比普通工藝機(jī)制砂分別高6.3%、-2.5%、9.4%、3.1%；而對(duì)于C55強(qiáng)度等級(jí)混凝土，2種生產(chǎn)工藝機(jī)制砂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響更加明顯，干法制砂機(jī)制砂配制的混凝土3 d、7 d、28 d和56 d抗壓強(qiáng)度比普通工藝機(jī)制砂分別高5.5%、9.6%、10.1%、5.8%。

由圖2（b）可知，對(duì)于C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土，2種生產(chǎn)工藝機(jī)制砂對(duì)混凝土早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度影響不大，28 d齡期后影響趨于明顯，干法制砂機(jī)制砂配制的混凝土3 d、7 d、28 d和56 d劈裂抗拉強(qiáng)度比普通工藝機(jī)制砂分別高2.4%、2.9%、18.5%、5.0%；2種生產(chǎn)工藝機(jī)制砂對(duì)于C55強(qiáng)度等級(jí)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律與C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土一致，也是早齡期影響不大，28 d齡期后影響較為明顯，干法制砂機(jī)制砂配制的混凝土3 d、7 d、28 d和56 d劈裂抗拉強(qiáng)度比普通工藝機(jī)制砂分別高1.1%、4.0%、8.5%、9.5%。另外，C55強(qiáng)度等級(jí)混凝土劈拉抗拉強(qiáng)度早齡期增長明顯，隨著時(shí)間的延長則趨于穩(wěn)定，而C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度在56 d齡期之前均在穩(wěn)定增長。

由圖2（c）可知，對(duì)于C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土，干法制砂機(jī)制砂配制的混凝土抗壓彈性模量在各齡期均比普通工藝機(jī)制砂混凝土高，7 d、28 d、56 d分別高 2.3%、0.2%、3.9%；C55強(qiáng)度等級(jí)混凝土也有同樣的規(guī)律，干法制砂機(jī)制砂配制的混凝土抗壓彈性模量在各齡期均比普通工藝機(jī)制砂混凝土高，7 d、28 d、56 d分別高 18.2%、2.3%、3.2%。

綜上，干法制砂工藝生產(chǎn)的機(jī)制砂配制的混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓彈性模量均比普通工藝機(jī)制砂混凝土大，這主要是因?yàn)楦煞ㄖ粕皺C(jī)制砂配制的混凝土工作性能優(yōu)于普通工藝機(jī)制砂混凝土，混凝土成型更容易密實(shí)，力學(xué)性能更佳；干法制砂生產(chǎn)工藝采用反擊式破碎機(jī)，由于顆粒之間的相互碰撞，機(jī)制砂顆粒的薄弱部位均被碰掉，相對(duì)于普通工藝機(jī)制砂，在混凝土中薄弱環(huán)節(jié)更少。另外，由于顆粒之間的相互碰撞，機(jī)制砂顆粒更加趨于圓形，配制于混凝土，機(jī)制砂與水泥漿體之間的界面過渡區(qū)相對(duì)于普通工藝機(jī)制砂更少。

2.3 混凝土的耐久性

2.3.1 電通量

不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂對(duì)混凝土電通量的影響如表5所示。

表5 不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂對(duì)混凝土電通量的影響

2.3.2 抗碳化性能

不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂對(duì)混凝土抗碳化性能的影響如表6所示。

由表6可知，對(duì)于C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土，干法制砂機(jī)制砂配制的混凝土抗碳化性能在各齡期均比普通工藝機(jī)制砂混凝土好，3 d、7 d、14 d和28 d碳化深度分別減小2.2%、3.6%、17.3%、12.5%；C55強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗碳化性能的影響規(guī)律與C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土一致，各齡期均是干法制砂機(jī)制砂配制的混凝土更優(yōu)，3 d、7 d、14 d和28 d碳化深度分別減小9.5%、5.7%、5.1%、6.5%，這主要是因?yàn)楦煞ㄖ粕皺C(jī)制砂石粉含量比普通工藝機(jī)制砂少，配制的混凝土抗碳化性能更佳。

表6 不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂對(duì)混凝土抗碳化性能的影響

3 結(jié)論

（1）干法制砂機(jī)制砂MB值小于普通工藝機(jī)制砂，干法制砂機(jī)制砂粒形更好，使得干法制砂機(jī)制砂配制的C30和C55兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土工作性均優(yōu)于普通工藝機(jī)制砂，在工作性相差不大的情況下，干法制砂機(jī)制砂可以節(jié)約減水劑用量。

（2）由于干法制砂機(jī)制砂薄弱部位較少，干法制砂配制的混凝土工作性更好以及干法制砂機(jī)制砂混凝土骨料漿體界面過渡區(qū)少，干法制砂工藝生產(chǎn)的機(jī)制砂配制的混凝土在抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓彈性模量上均比普通工藝機(jī)制砂混凝土高。

（3）不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂對(duì)混凝土電通量的影響相差不大；干法制砂機(jī)制砂配制的混凝土抗碳化性能在各齡期均比普通工藝機(jī)制砂混凝土好。