含石粉的C30機(jī)制砂混凝土性能研究

旃開發(fā)　劉浩薔　閔小林　馬露雪　劉滎　郭啟龍

摘? 要：文章針對(duì)機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土性能的影響，結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探究了機(jī)制砂、粉煤灰和石粉含量對(duì)混凝土性能的影響;結(jié)果表明，隨著機(jī)制砂含量的增加，坍落度不斷降低，抗壓強(qiáng)度先增加后降低，當(dāng)含量為40%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。粉煤灰的適量摻入可以改善混凝土的工作性能，摻量為20%時(shí)提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。適量的石粉可以改善混凝土的工作性能，提高其抗壓強(qiáng)度，當(dāng)石粉含量高于13%，降低混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度。因此，當(dāng)機(jī)制砂摻入為40%，粉煤灰為20%和石粉含量為13%時(shí)，C30混凝土的抗壓強(qiáng)度最高。

關(guān)鍵詞：機(jī)制砂;石粉;河砂;粉煤灰;混凝土

中圖分類號(hào)：TU528? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）08-0051-04

Abstract： Aiming at the effect of the stone dust contenton the concrete performance in the manufactured sand， this paper explores the effect of the manufactured sand， fly ash and stone dust contenton the concrete performance with specific experimental data; the results show that with the increase of the content of the machine sand， the slump continues to decrease， and the compressive strength increases first and then decreases. When the content is 40%， the compressive strength reaches a maximum.An appropriate amount of fly ash can improve the workability of concrete， and the compressive strength of concrete is increased when the amount is 20%.A proper amount of stone powder can improve the workability and compressive strength of concrete. When the content of stone powder is higher than 13%， the workability and compressive strength of concrete are reduced.Therefore， when the incorporation of machine sand is 40%， fly ash is 20% and stone dust contentis 13%， the compressive strength of C30 concrete is the highest.

Keywords： manufactured sand; stone powder; river sand; fly ash; concrete

1 概述

我國(guó)持續(xù)推進(jìn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，隨著建筑行業(yè)高速發(fā)展，建筑用砂需求逐漸增大，天然河砂大量開采，國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)資源匱乏，生態(tài)遭到嚴(yán)重破壞，受到國(guó)家高度重視，為杜絕該類問(wèn)題產(chǎn)生，《森林法》第十三條規(guī)定，禁止采天然砂等毀壞生態(tài)行為，所以市面上天然砂資源匱乏。國(guó)家在兩會(huì)上也明確指出，倡導(dǎo)發(fā)展機(jī)制砂產(chǎn)業(yè)，進(jìn)行生態(tài)文明建設(shè)，大力推進(jìn)機(jī)制砂代替河砂，為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，機(jī)制砂取代河沙已經(jīng)逐漸應(yīng)用在工程實(shí)踐中。

機(jī)制砂是由石頭破碎而成的直徑小于4.75mm的巖石顆粒。它具有多棱角、級(jí)配不良等特點(diǎn)。在混凝土中，它可以增加彼此之間的咬合力，提高混凝土強(qiáng)度[1]，機(jī)械破碎而成的機(jī)制砂還含有一定量的石粉（粒徑小于75？滋m的顆粒），國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)研究表明，石粉可以改善混凝土的顆粒級(jí)配，促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，填充內(nèi)部孔隙等，但也會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成永久性損傷，對(duì)不同體系的混凝土也會(huì)產(chǎn)生不同影響。所以，實(shí)際情況下，石粉含量需要根據(jù)不同配合比和不同摻合料另行討論[2]。

從上述研究進(jìn)展可看出，原材料狀態(tài)及含量等對(duì)機(jī)制砂混凝土影響還不是很清晰，因此本文主要研究機(jī)制砂、粉煤灰和石粉對(duì)混凝土性能的影響，從而為推動(dòng)機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用以及工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

（1）膠凝材料：采用蘭州京蘭水廠普通硅酸鹽水泥P·O42.5水泥，性能見表1。

（2）粉煤灰：匯豐新材料二級(jí)粉煤灰，2.6μm方孔篩余量為16%，密度為2.55g/cm3，堆積密度為1.12g/cm3，含水量0.85%，燒失量6.5%。

（3）細(xì)集料：采用蘭州砂石廠精品機(jī)制砂和天然河沙，細(xì)骨料物理化學(xué)性能如表2所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，以20%為梯度不斷用機(jī)制砂取代河砂，并根據(jù)不同試驗(yàn)階段所需石粉調(diào)整含量。

（4）粗集料：采用粒徑大小為5～22mm的連續(xù)級(jí)配碎石。

（5）減水劑：陜西秦奮建材聚羧酸高效減水劑（減水率為20%）。

（6）水：普通自來(lái)水。

2.2 實(shí)驗(yàn)配合比

本實(shí)驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2011）、《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2005）分別設(shè)計(jì)了以下不同情況混凝土配合比。

（1）采用不同摻量（20%、40%、60%、80%、100%）的機(jī)制砂取代河砂，配合比設(shè)計(jì)如表3所示，對(duì)混凝土物理性能、工作性能進(jìn)行研究。通過(guò)觀測(cè)混凝土的狀態(tài)和坍落度，以及不同摻量的3d、7d、 28d抗壓強(qiáng)度及28d抗折強(qiáng)度，以此來(lái)研究機(jī)制砂摻量對(duì)混凝土性能的影響。

（2）固定機(jī)制砂摻量，采用不同摻量（0%、10%、20%、30%）的粉煤灰取代水泥，配合比如表4所示，對(duì)混凝土物理性能、工作性能進(jìn)行研究。通過(guò)觀測(cè)混凝土的狀態(tài)和坍落度，以及不同摻量的3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度及28d抗折強(qiáng)度，從而研究粉煤灰含量對(duì)混凝土性能的影響。

（3）固定機(jī)制砂摻量和粉煤灰摻量，采用不同摻量（3%、8%、13%、18%）的石粉，進(jìn)行混凝土物理性能、工作性能的研究，配合比如表5所示。通過(guò)觀測(cè)混凝土的狀態(tài)和坍落度，以及不同摻量的3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度及28d抗折強(qiáng)度，從而研究石粉含量對(duì)混凝土性能的影響。

2.3 試驗(yàn)方法

混凝土坍落度參照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試[3];混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行[4]，配制成標(biāo)準(zhǔn)試塊，拆模之后自然養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期進(jìn)行性能測(cè)試。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 不同機(jī)制砂摻量對(duì)混凝土性能影響

不同含量機(jī)制砂取代河砂的混凝土性能變化見表6，從表中可以看出，隨著機(jī)制砂含量的增加，新拌混凝土的坍落度逐漸減小，當(dāng)摻量超過(guò)80%時(shí)，坍落度超出了設(shè)計(jì)要求，這是由于機(jī)制砂本身吸水率較高，當(dāng)水膠比不變，隨著機(jī)制砂的增多，混凝土的坍落度下降。

從表6中可以看出，隨著機(jī)制砂摻量的增加，新拌混凝土的坍落度逐漸降低，這是因?yàn)闄C(jī)制砂摻量的增加導(dǎo)致石粉含量增多，所以石粉需要的用水量增加，但水膠比不變，所以混凝土的坍落度下降，而且機(jī)制砂顆粒粗糙，有棱角，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部形成較多孔隙，所以需要更多的漿體材料來(lái)包裹，導(dǎo)致混凝土膠凝材料和用水量不足，從而降低新拌混凝土的流動(dòng)性。

隨著機(jī)制砂含量的增加，混凝土3d、7d和28d抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)含量為40%時(shí)，抗壓強(qiáng)值最大。因?yàn)闄C(jī)制砂多棱角、級(jí)配不均勻，但具有較好的機(jī)械咬合力，而河沙呈圓形顆粒，級(jí)配均勻，但咬合力不足，二者混合正好彌補(bǔ)了相互之間的不足，混合砂級(jí)配得到了提高，進(jìn)而增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)度，提高了混凝土抗壓強(qiáng)度。但當(dāng)機(jī)制砂含量超過(guò)40%之后各齡期強(qiáng)度均呈減少的趨勢(shì)，一方面因?yàn)闄C(jī)制砂含量的增加，導(dǎo)致細(xì)骨料級(jí)配不良，混凝土內(nèi)部空隙增加，內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，降低混凝土抗壓強(qiáng)度;另一方面因?yàn)樘涠冗^(guò)小造成拌合物流動(dòng)性較差，水化程度降低，內(nèi)部形成裂紋，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

隨著機(jī)制砂含量的增加，28d抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)闄C(jī)制砂顆粒雖然級(jí)配不良，但是它們相互之間各棱角的機(jī)械咬合力程度高，從而提高了混凝土的整體穩(wěn)定性，而河砂正好填充了機(jī)制砂之間的空隙，機(jī)制砂量的增多，反而會(huì)使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙增多，降低抗折強(qiáng)度。

2.4.2 不同粉煤灰摻量對(duì)機(jī)制砂混凝土性能影響

不同粉煤灰摻量40%機(jī)制砂混凝土性能分析，結(jié)果見表7。

從表7中可以看出，粉煤灰替代量的增多可以增大混凝土的坍落度，這是因?yàn)檫m量的粉煤灰可以加速水泥水化，改善了混凝土的流動(dòng)性，由于粉煤灰大多為微圓形顆粒，表面光滑，在混凝土中起到了滾軸的作用，因而具有減水作用。

隨著粉煤灰含量的增加，混凝土的3d、7d抗壓強(qiáng)度有所下降，28d抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)粉煤灰含量為20%時(shí)，混凝土28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高。這是因?yàn)榉勖夯业念w粒正好填補(bǔ)了細(xì)骨料和水泥之間微小孔隙，使得細(xì)顆粒的級(jí)配趨向合理;并在混凝土中發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，產(chǎn)物為膠凝狀，填充了內(nèi)部孔隙，使混凝土更加致密，提高混凝土后期強(qiáng)度[5]。當(dāng)含量達(dá)到30%后強(qiáng)度反而降低，這是由于隨著粉煤灰含量的增多，超過(guò)水化所需的水，在混凝土中形成較大空隙，降低混凝土強(qiáng)度，并且由于水泥膠凝材料逐漸減少，導(dǎo)致混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度不夠，混凝土整體密實(shí)性降低，抗壓強(qiáng)度下降。3d、7d早期強(qiáng)度降低，是因?yàn)榉勖夯胰〈嗪笈c水泥一同發(fā)生水化反應(yīng)，粉煤灰水化速度小于水泥，所以粉煤灰含量越多，早期強(qiáng)度反而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

隨著粉煤灰含量的增加，28d抗壓強(qiáng)度先增大后減小，這是由于混凝土中的微小孔隙被粉煤灰填充，改善了膠凝材料的流動(dòng)性，使水化更加充分，提高了混凝土的抗折強(qiáng)度[5]，但粉煤灰含量超過(guò)20%后，導(dǎo)致水泥膠凝材料減少，粘結(jié)強(qiáng)度不夠，抗折強(qiáng)度反而下降。

2.4.3 不同石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土性能影響

表8是不同石粉含量40%機(jī)制砂、20%粉煤灰取代水泥膠凝材料混凝土性能分析，石粉含量過(guò)大時(shí)，導(dǎo)致坍落度過(guò)小，這是由于混凝土水灰比不變，石粉含量增多導(dǎo)致用水量不足，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土坍落度降低。

根據(jù)表8中數(shù)據(jù)可知，坍落度與機(jī)制砂含量呈現(xiàn)反比例關(guān)系，這一方面是因?yàn)槭劬哂形裕酆康脑黾訒?huì)加大混凝土的需水量[6]，另一方面是由于石粉比表面積較大，隨著石粉的增多，細(xì)集料比表面增大，導(dǎo)致了用水量不足，因此當(dāng)水膠比和膠凝材料不變的條件下，坍落度會(huì)隨著石粉含量增加而降低[7];

隨著石粉含量的增加，混凝土的3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度先增強(qiáng)后減弱，當(dāng)含量在13%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，這一方面是因?yàn)槭刍钚缘?，顆粒比水泥顆粒更小，所以對(duì)材料之間的微小孔隙起到了填充作用，石粉的加入正好能彌補(bǔ)機(jī)制砂表面粗糙、孔隙率較大問(wèn)題，把混凝土內(nèi)部懸空骨架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為密實(shí)結(jié)構(gòu)，可以提高混凝土的密實(shí)性和耐久性能;另一方面是因?yàn)樵谒^(guò)程中具有晶核效應(yīng)，可以加速水化產(chǎn)物的產(chǎn)生，提高水泥漿體的粘結(jié)強(qiáng)度[8]。而過(guò)多的石粉會(huì)導(dǎo)致混凝土粗細(xì)骨料級(jí)配不合理，對(duì)混凝土內(nèi)部骨架造成影響，反而使密實(shí)度降低，進(jìn)而降低抗壓強(qiáng)度[9]。

隨著石粉含量的增加，28d抗折強(qiáng)度先增大后降低，因?yàn)檫m量的石粉可以使拌合物具有一定的稠度，增大混凝土的粘聚性，可以使其強(qiáng)度提高，但石粉含量不能過(guò)多，否則會(huì)削弱混凝土的粘結(jié)性，進(jìn)而降低它的抗折強(qiáng)度。

綜上所述，當(dāng)選用機(jī)制砂取代河砂時(shí)，可采用機(jī)制砂取代河砂量40%、粉煤灰含量為水泥膠凝材料的20%及機(jī)制砂石粉含量13%，此摻量下的C30機(jī)制砂混凝土的性能發(fā)展較好。

3 結(jié)論

（1）隨著機(jī)制砂含量的增加，新拌混凝土的坍落度逐漸降低，需水量隨之增大;抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)為先增加后減小，當(dāng)含量為40%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度最大。

（2）隨著粉煤灰含量的增加，改善了新拌混凝土坍落度，抗壓強(qiáng)度先增加后降低，含量達(dá)到20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最好，說(shuō)明粉煤灰提高流動(dòng)性，填充內(nèi)部空隙，混凝土更加致密，提高強(qiáng)度。

（3）適量的石粉可以在一定程度上改善混凝土的工作性能，增大其抗壓強(qiáng)度，當(dāng)石粉含量在大約13%時(shí)，混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度達(dá)到最好;當(dāng)石粉含量高于13%，降低混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度。因此，當(dāng)機(jī)制砂摻入為40%，粉煤灰為20%和石粉含量為13%時(shí)，C30混凝土的抗壓強(qiáng)度最高。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓棟宇.機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用技術(shù)研究[J].四川建材，2019，45（10）：1-2.

[2]林基泳，蔣勇，吳興顏，等.石粉對(duì)混凝土性能影響的研究現(xiàn)狀[J].硅酸鹽通報(bào)，2018，37（12）：3842-3848.

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50080-2016）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.

[4]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（CB/T50081-2002）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[5]馬艷平，朱衛(wèi)華.粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2012（21）.

[6]鄧文明.機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土性能的影響[J].四川水泥，2018（09）：327-328.

[7]張仰源.機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土性能的影響[J].住宅與房地產(chǎn)，2018（22）：88-89.

[8]李家和，張保生，王云東，等.石灰?guī)r高石粉含量機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2018，37（11）：3641-3645+3651.

[9]何小清.石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土性能影響的研究[J].江西建材，2018（06）：19-20.