機(jī)制砂中不同因素對混凝土性能影響研究

牟曉磊

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

作為連接膠凝材料和粗骨料的媒介，砂的摻入對混凝土強(qiáng)度、耐久性等起著至關(guān)重要的作用。利用機(jī)制砂替代河砂配制混凝土，石粉含量、泥含量以及砂率的選擇是當(dāng)前面臨的主要問題，機(jī)制砂石粉含量一般10%～20%，我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)對機(jī)制砂石粉含量限值做出了嚴(yán)格的制約，因此一定程度上制約了機(jī)制砂的應(yīng)用。相關(guān)研究和機(jī)制砂標(biāo)準(zhǔn)制訂時(shí)均將含粉量作為重要內(nèi)容來對待[1-2]，研究人員就石粉含量對混凝土性能影響開展了大量相關(guān)研究，結(jié)果如下：①石粉作用機(jī)理。石粉作用于混凝土增加了水泥漿體含量，同時(shí)提高了混凝土的流動(dòng)性，石粉顆粒較小還可起到微滾珠作用，改善混凝土和易性，石粉的微集料堆積作用填充于混凝土中的內(nèi)部空隙，增大了拌合物的密實(shí)，后期石粉以及其他膠凝材料的水化產(chǎn)物相互搭接作用使混凝土硬化漿體的抗壓強(qiáng)度增大。②石粉摻量。機(jī)制砂中石粉含量為8% ～12%時(shí)，混凝土和易性較好，且滿足施工需要； 超過15%以上時(shí)，混凝土和易性雖然滿足施工要求，但較為黏稠，在攪拌和泵送過程中需要較大的阻力。③抗壓強(qiáng)度。隨著石粉含量的增加，機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度呈上升趨勢，石粉含量為15% 時(shí)達(dá)到最大值，繼續(xù)增加石粉含量會降低抗壓強(qiáng)度。④抗凍性能。石粉的摻入可以改善機(jī)制砂混凝土的抗凍性，石粉含量為5%～10%時(shí)，在200 次凍融循環(huán)后，隨著石粉含量的增加，混凝土的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失均減小，超過了10%，混凝土抗凍性下降。

相關(guān)研究工作局限于機(jī)制砂石粉含量，但機(jī)制砂在破碎、堆放、運(yùn)輸過程中不僅產(chǎn)生大量石粉，含泥量也隨之增大，同時(shí)石粉的粒徑制約著新拌混凝土的和易性，系統(tǒng)開展機(jī)制砂中不同因素對混凝土性能的影響研究非常重要。本文立足于三因素三水平正交試驗(yàn)，通過探究機(jī)制砂石粉含量、泥含量以及砂率的影響程度，展開混凝土強(qiáng)度以及凍融試驗(yàn)，旨在發(fā)現(xiàn)相關(guān)規(guī)律以提高機(jī)制砂在混凝土施工過程中的利用水平。

1 正交試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

本研究采用的原材料如下：水泥：P.O 42.5，淮北相山水泥廠；機(jī)制砂：石灰石制機(jī)制砂，各項(xiàng)指標(biāo)見表1，其細(xì)度模數(shù)2.8%，石粉含量7.0%，堆積密度1 538 kg/m3。石粉：與機(jī)制砂同石料，化學(xué)組成見表2；粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，化學(xué)組成見表2，永城裕東粉煤灰廠生產(chǎn)；混凝土外加劑：高性能聚羧酸減水劑，摻量為水泥質(zhì)量的0.5%。

表1 機(jī)制砂級配

1.2 配合比確定

表2 水泥、粉煤灰及石粉的組成%

材料CaOSiO2MgOFe2O3Al2O3SO3TiO2石粉49.337.031.320.582.270.230.20水泥65.221.41.123.355.082.220.57粉煤灰26.7843.051.754.6519.322.330.34

選取的機(jī)制砂為沖洗干凈顆粒，并收集生產(chǎn)過程中被水沖洗掉的石粉，添加到無石粉的機(jī)制砂中，配制出不同石粉含量的機(jī)制砂，不同石粉含量、泥含量、砂率的機(jī)制砂配制混凝土配合比保持一致，即水膠比(0.45)、外加劑摻量(0.5%)相等，粉煤灰摻量(20%)保持一致。

1.3 試驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)一個(gè)三因素三水平正交試驗(yàn)表見表3。

表3 試驗(yàn)考察的因素和水平

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

對制約混凝土抗壓強(qiáng)度的影響因素和水平進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，計(jì)算出極差和方差，結(jié)果見表4和表5。

表4 L9(34)正交分析的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及部分結(jié)果

表5 正交分析試驗(yàn)結(jié)果MPa

1石粉含量/%2泥含量/%3砂率/%Ⅰ/1水平總和161.7160.2158.4Ⅱ/2水平總和163.8162.6164.1Ⅲ/3水平總和156.6159.3159.6Ⅰ平均值53.953.452.8Ⅱ平均值54.654.254.7Ⅲ平均值52.253.153.2極差2.41.11.9

極差的大小可以得出試驗(yàn)因素對混凝土強(qiáng)度的影響情況，石粉含量的變化對混凝土強(qiáng)度影響差到2.4 MPa，而泥含量的變化對強(qiáng)度的影響差僅僅只有1.1 MPa，可見石粉含量水平比泥含量水平重要多一些。由此可以得出結(jié)論：

(1) 石粉含量對混凝土強(qiáng)度的影響最大，其次是砂率，再次是泥含量。

(2) 石粉含量為12%、砂率為42%、泥含量為2.5%時(shí)混凝土強(qiáng)度好。

2.2 強(qiáng)度發(fā)展趨勢分析

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土硬化漿體28 d 抗壓強(qiáng)度隨石粉含量、泥含量、砂率變化如表6所示，綜合分析不同石粉含量試件A1、A2、A3的強(qiáng)度可知，隨著石粉含量的增加強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，石粉含量為12%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值，A1、A3相較于A2分別為98.07%、93.85%；不同泥含量的強(qiáng)度發(fā)展趨勢如B1、B2、B3所示，隨著泥含量的增加強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后降發(fā)展，泥含量為2.5%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值，B1、B3相較于B2分別為98.59%、97.36%；C1、C2、C3為不同砂率下強(qiáng)度發(fā)展趨勢，砂率的增加使得強(qiáng)度先增大后減小，砂率為42%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到峰值，C1、C3相較于C2分別為95.78%、95.25%。

表6 三因素三水平作用下混凝土硬化漿體發(fā)展情況

A2、B2、C2均為同一配合比，且為最高強(qiáng)度，A、B、C中強(qiáng)度的極差值呈A(3.5 MPa)>C(2.7 MPa)>B(1.5 MPa)，即改變石粉含量強(qiáng)度發(fā)生變化的趨勢大于砂率的變化，砂率的變化趨勢大于泥含量的變化趨勢，與正交試驗(yàn)的分析結(jié)果相同。其主要原因如下：①石粉的主要成分是CaO，作用于水泥膠凝材料中發(fā)生水化反應(yīng)主要水化產(chǎn)物為Ca(OH)2，與水泥早期的水化產(chǎn)物相同，硬化漿體的水化結(jié)晶增多且彼此相互搭接形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度得以提升，未參與水化的惰性石粉微粒依據(jù)自身微集料填充作用，增加混凝土密實(shí)度，但隨著石粉含量的增加膠凝漿體的需水量增大，相同流動(dòng)度的情況下勢必提高水的用量，水的加入增大了原有配合比中的水膠比，微結(jié)構(gòu)下形成水化結(jié)晶相互搭接形成的網(wǎng)絡(luò)狀密實(shí)度下降，最終導(dǎo)致強(qiáng)度降低。②砂率是調(diào)節(jié)混凝土和易性的主要參考指標(biāo)，砂作為膠凝材料和粗集料結(jié)合的橋梁，依據(jù)自身優(yōu)良的級配填充于混凝土硬化過程中形成的大尺寸空隙，降低硬化混凝土的空隙率，從而提高強(qiáng)度，隨著砂率的提高，砂的用量逐漸增大，需要包裹砂的漿體量也逐漸增大，相同膠凝漿體下不足以包裹增多的砂量，致使硬化混凝土中相對游離的砂量增多，與粗骨料膠結(jié)性下降，終使強(qiáng)度降低。③泥的粒徑尺寸較小，攪拌過程中摻入混凝土中可以降低混凝土的空隙率，一定范圍內(nèi)隨著集料中泥含量的增加，混凝土硬化強(qiáng)度隨之增大，但泥的絡(luò)合性較差，幾乎不具備膠凝特性，隨著摻量的增大勢必會降低砂子與膠凝材料的粘結(jié)性，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降。

2.3 凍融性能影響

依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2008)對混凝土進(jìn)行200 次凍融循環(huán)，質(zhì)量損失率結(jié)果如表6所示。對比不同石粉含量A1、A2、A3質(zhì)量損失率，隨著石粉含量的增加質(zhì)量損失率呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，石粉含量為12%時(shí)，質(zhì)量損失率最小，A1、A3分別為 A2的108.42%、216.84%；不同泥含量、砂率發(fā)展趨勢與不同石粉含量的混凝土凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率一致，泥含量為2.5%質(zhì)量損失率最小，B1、B3相較于B2分別為 106.31%、116.31%；砂率為42%時(shí)質(zhì)量損失率達(dá)到最小值，C1、C3相較于C2分別為 191.58%、207.37%。

A2、B2、C2質(zhì)量損失率相同，A、B、C中質(zhì)量損失率的極差值呈A(1.11%)>C(1.02%)>B(0.63%)，即石粉的影響因素最大，其次是砂率，再次是泥含量。凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率變化一定程度上體現(xiàn)了混凝土強(qiáng)度的發(fā)展趨勢，混凝土凝結(jié)硬化后其強(qiáng)度增大，空隙率較低，微結(jié)構(gòu)密實(shí)度增大，經(jīng)凍融循環(huán)后，強(qiáng)度較高的硬化漿體表面剝蝕率較低。

2.4 工作性影響

新拌混凝土工作性發(fā)展情況如表7所示，對比不同石粉摻量(A1、A2、A3)、不同泥含量(B1、B2、B3)、不同砂率(C1、C2、C3)下新拌混凝土坍落度發(fā)展變化，不同石粉摻量新拌混凝土2 h坍落度的損失百分比高于不同含泥量和不同砂率，即石粉含量制約坍落度變化的因素最為突出，其次是含泥量，最后是砂率。

表7 三因素三水平作用下混凝土工作性發(fā)展趨勢

3 結(jié)論

(1) 石粉含量對混凝土強(qiáng)度的影響最大，其次是砂率，再次是泥含量，對應(yīng)的高強(qiáng)度的條件是石粉含量為12%、砂率為42%、泥含量為2.5%，最佳度條件下，混凝土強(qiáng)度達(dá)到56.9 MPa。

(2) 凍融性研究表明：適量的石粉、泥含量、砂率可以優(yōu)化硬化混凝土的孔結(jié)構(gòu)和空隙率，有利于混凝土強(qiáng)度及抗凍性能的提高。