石粉含量對C50花崗巖機制砂混凝土性能的影響

張凌強，陳 倩，黃 興，李北星

(1.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070；2.湖北交投翻壩江北高速公路有限公司，宜昌 443000； 3.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司，大連 116033)

0 引 言

近年來，隨著基礎(chǔ)建設(shè)步伐逐漸加快，我國可供開采的河砂資源越來越少[1]。由于天然砂資源的日趨匱乏以及國家對環(huán)境保護(hù)的加強，應(yīng)用機制砂代替河砂配制混凝土勢在必行。機制砂是巖石經(jīng)過除土開采破碎而成的，機制砂特性取決于其母巖與加工工藝和設(shè)備。目前工程中應(yīng)用比較普遍的是石灰?guī)r機制砂，石灰?guī)r機制砂混凝土的研究比較深入且在工程中成功應(yīng)用的案例也很多[2]。我國花崗巖的儲量豐富，但對花崗巖機制砂混凝土的研究較少，工程中應(yīng)用也不多[3]。花崗巖屬于酸性巖漿巖中的侵入巖，其母巖強度高、脆性大。三峽翻壩江北高速公路位于湖北省宜昌市夷陵區(qū)境內(nèi)山嶺重丘區(qū)，周邊天然河砂和優(yōu)質(zhì)碎石資源匱乏，花崗巖豐富，工程建設(shè)中隧道開挖的洞渣為混凝土提供了大量的機制砂石資源。本文以隧道洞渣自制的花崗巖機制砂為原料配制了預(yù)應(yīng)力T梁C50混凝土，主要研究石粉含量對該花崗巖機制砂混凝土的工作性能、力學(xué)性能、干縮性能和抗?jié)B、抗凍耐久性能的影響，為花崗巖機制砂在三峽翻壩高速公路建設(shè)中的應(yīng)用提供有價值的參考依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原材料

(1)水泥為葛洲壩當(dāng)陽三峽牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，主要性能指標(biāo)見表1。粉煤灰為華能岳陽電廠F類Ⅰ級粉煤灰，主要性能指標(biāo)見表2。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indexes of cement

表2 粉煤灰的主要性能指標(biāo)Table 2 Main performance indexes of fly ash

(2)粗、細(xì)集料采用三峽翻壩江北高速公路二標(biāo)黃金灣料場的5～20 mm連續(xù)級配的花崗巖碎石和2區(qū)級配機制砂，其性能見表3，級配曲線如圖1和圖2所示。其中，碎石采用4.75～9.5 mm、9.5～19 mm二級配比，摻配比例為30%∶70%。

表3 粗、細(xì)集料主要性能指標(biāo)Table 3 Main performance indexes of coarse and fine aggregate

圖1 5～20 mm花崗巖碎石級配曲線Fig.1 Grading curves of 5-20 mm granite crushed stone

圖2 花崗巖機制砂級配曲線Fig.2 Grading curves of granite manufactured sand

(3)石粉為調(diào)整機制砂的石粉，將上述花崗巖機制砂用球磨機粉磨制得石粉，石粉比表面積326.4 m2/kg。石粉的主要化學(xué)組成見表4。

表4 花崗巖石粉的主要化學(xué)組成Table 4 Main chemical composition of granite stone powder /wt%

(4)外加劑為湖北天安聚羧酸高性能減水劑，含固量23%，減水率27%，含氣量3.1%。

1.2 試驗方法

混凝土工作性能測試參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行?；炷亮W(xué)性能試驗依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，其中抗壓強度、抗折強度試件尺寸分別為150 mm×150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×400 mm，每組3塊；彈性模量試驗試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm，每組6塊。

混凝土抗?jié)B性能、抗凍性和干燥收縮試驗依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行?？?jié)B性能采用快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM法)試驗，試件直徑φ=(100±1) mm，高度h=(50±2) mm，養(yǎng)護(hù)齡期28 d?？箖鲂栽囼灠凑湛靸龇ㄟM(jìn)行，試件為100 mm×100 mm×400 mm棱柱體，養(yǎng)護(hù)28 d后開始凍融試驗，每凍融循環(huán)50次測定一次試件的動彈性模量，凍融循環(huán)總次數(shù)為300次。干燥收縮試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm，試件成型1 d后脫模，然后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)2 d，再轉(zhuǎn)移至溫度(20±2) ℃、相對濕度(60±5)%的干燥養(yǎng)護(hù)室中并立即測定基準(zhǔn)長度，干燥收縮齡期分別為1 d、3 d、14 d、28 d、60 d、90 d、120 d、150 d。

2 結(jié)果與討論

2.1 石粉含量對花崗巖機制砂混凝土工作性能的影響

表5是石粉含量分別為3%、5%、7%、9%的花崗巖機制砂混凝土配合比。人工調(diào)整機制砂中石粉含量，并調(diào)整外加劑摻量，使混凝土坍落度達(dá)到(200±20) mm，擴展度達(dá)到(500±20) mm。

表5 機制砂混凝土配合比與工作性能Table 5 Mix proportion and workability of manufactured sand concrete

由表5可知，在用水量不變的情況下，隨著機制砂中石粉含量的增多，混凝土達(dá)到相同或相近的坍落度和擴展度所需要的減水劑用量逐漸增多，石粉含量9%機制砂較石粉含量3%機制砂配制的混凝土其減水劑摻量提高了0.3%。這主要是因為石粉的粒度小于0.075 mm，其比表面積遠(yuǎn)大于機制砂顆粒，隨著石粉替代機制砂數(shù)量的增多，會增加漿體的粘滯性，從而使混凝土拌和物的粘聚性增加，導(dǎo)致包裹其所需的用水量增加[4]，表現(xiàn)為“增粘效應(yīng)”。另外，有研究表明，隨著石粉含量的增加，石粉對減水劑存在一定的吸附作用，即“吸附效應(yīng)”，且隨石粉含量的增加外加劑吸附量增大[5]。

2.2 石粉含量對混凝土抗壓與抗折強度的影響

圖3為石粉含量對花崗巖機制砂混凝土抗壓與抗折強度的影響。由圖3(a)可以看出，隨石粉含量的增加，花崗巖機制砂混凝土7 d和28 d抗壓強度均呈遞增趨勢，石粉含量9%較石粉含量3%的機制砂混凝土7 d、28 d抗壓強度分別提高了8.9%和10.8%。說明石粉含量在9%以下時，提高了混凝土的抗壓強度。這主要有兩方面的原因：一是適量的石粉作為微細(xì)集料填補了混凝土中機制砂的空隙，使混凝土結(jié)構(gòu)更密實；二是在混凝土新拌階段，石粉會吸附一部分自由水，等同于減小了膠凝材料漿體的水膠比[6]。

從圖3(b)可以看出，混凝土7 d和28 d的抗折強度隨著石粉含量的增加呈先增大后減小趨勢，在石粉含量5%時混凝土抗折強度最大，石粉含量7%、9%時混凝土抗折強度反而低于石粉含量3%時。其主要原因是：石粉含量的適度增加，完善了機制砂的級配，降低了混凝土中自由水?dāng)?shù)量，減少了混凝土中富集粗集料表面的泌水，并且使得界面過渡區(qū)厚度減小，故石粉含量在5%以下時，混凝土的抗折強度隨石粉含量的增加而增大；但當(dāng)石粉含量超過一定量時，游離態(tài)的石粉會出現(xiàn)在界面過渡區(qū)或水泥石中，不利于集料與水泥石的粘結(jié)[7]，從而會降低混凝土抗折強度。

2.3 石粉含量對混凝土彈性模量的影響

圖4為石粉含量對機制砂混凝土彈性模量的影響。由圖可以看出，機制砂石粉含量在3%～9%范圍內(nèi)，隨石粉含量增加，混凝土的彈性模量也增大，9%石粉含量的機制砂混凝土7 d、28 d彈性模量較3%石粉含量時分別提高了13.2%和11.1%，表現(xiàn)出與抗壓強度隨石粉含量變化相似的趨勢。在同配合比條件下，石粉含量對混凝土彈性模量的影響取決于以下兩方面的因素：一是石粉對混凝土強度的提高作用有利于增大其彈性模量；二是石粉含量的增加使得漿體體積增多，增加了漿集體積比，將降低混凝土彈性模量[8]。本試驗中機制砂混凝土彈性模量隨石粉含量增加而增大，說明石粉含量在9%以內(nèi)對彈性模量的影響以增強的正作用為主。

圖4 石粉含量對機制砂混凝土彈性模量的影響Fig.4 Influence of stone powder content on the elastic modulus of manufactured sand concrete

2.4 石粉含量對混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響

圖5為石粉含量對機制砂混凝土28 d氯離子擴散系數(shù)的影響?？梢钥闯觯酆繛?%～9%的4組C50機制砂混凝土均具有較高的抗氯離子滲透性，28 d氯離子擴散系數(shù)均小于3.0×10-12m2/s，且隨著石粉含量的增加，混凝土抗氯離子滲透性能增強，石粉含量9%的機制砂較石粉含量3%的機制砂混凝土氯離子擴散系數(shù)減低22%。其主要原因是：石粉的物理填充效應(yīng)提高了混凝土的密實度，阻塞了氯離子擴散通道，在一定的范圍內(nèi)，石粉含量越高，混凝土滲透性越低[9]。

圖5 石粉含量對機制砂混凝土28 d氯離子擴散系數(shù)的影響Fig.5 Influence of stone powder content on chloride diffusion coefficient of manufactured sand concrete at 28 d

2.5 石粉含量對混凝土抗凍性的影響

表6為石粉含量對機制砂混凝土抗凍性能的影響。可以看出，四組不同石粉含量的機制砂混凝土經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，相對動彈性模量均大于60%，表明該C50花崗巖機制砂混凝土抗凍等級均大于F300級，具有很高的抗凍性。從四組石粉含量的機制砂混凝土凍融過程中相對動彈性模量變化規(guī)律來看，相互間差別很小，表明石粉含量在3%～9%范圍變化對C50機制砂混凝土抗凍性影響不大，主要是因為C50機制砂混凝土本身具有較低的水膠比，混凝土硬化后結(jié)構(gòu)密實，孔少。

表6 石粉含量對機制砂混凝土抗凍性能的影響Table 6 Influence of stone powder content on frost resistance of manufactured sand concrete

2.6 石粉含量對混凝土干燥收縮的影響

混凝土的干縮值隨石粉含量變化關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，石粉含量對混凝土干縮的影響隨干縮齡期不同而有不同的規(guī)律。早齡期1～7 d的干縮率隨著石粉含量的增加而逐步增大，7 d齡期以后的干縮率隨石粉含量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，干縮率值在石粉含量為7%時達(dá)到最高。其原因有兩方面：一方面，石粉含量的增加，使混凝土中漿體含量增加，從而增大了混凝土的收縮值；另一方面，石粉顆?？梢蕴畛浠炷恋目障?，使得混凝土孔結(jié)構(gòu)細(xì)化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加致密，一定程度上抑制了混凝土的收縮，因而混凝土干縮率下降[10]?；炷粮煽s率的變化趨勢取決于這兩方面的因素，當(dāng)前者作用占優(yōu)勢時，收縮值增大，當(dāng)后者作用效果占優(yōu)勢時，收縮值將降低，因此，對于機制砂混凝土而言，其收縮值隨石粉含量變化存在一個最大值。

圖6 石粉含量對機制砂混凝土干燥收縮的影響Fig.6 Influence of stone powder content on drying shrinkage of manufactured sand concrete

3 結(jié) 論

(1)在花崗巖機制砂石粉含量3%～9%的變化范圍內(nèi)，隨著石粉含量的增加，C50機制砂混凝土達(dá)到同等工作性所需的減水劑摻量逐漸增加，7 d和28 d抗壓強度和彈性模量逐漸增大，抗折強度呈先增后降的趨勢，石粉含量5%時最大。

(2)C50機制砂混凝土的抗氯離子滲透性隨著石粉含量的增加而增強，抗凍等級均超過F300，石粉含量對其抗凍性影響不大。

(3)隨著石粉含量從3%增加到9%，C50機制砂混凝土的早期干縮逐步增大，后期干縮呈先增后減的趨勢，石粉含量為7%的機制砂混凝土的后期干縮最大。