機(jī)制砂-石屑復(fù)合細(xì)集料對不同強(qiáng)度等級混凝土性能的影響

童小根，張凱峰，孟 剛，羅作球，胡宇博，王佳敏，王 博，王國峰

(中建西部建設(shè)北方有限公司，西安 710065)

0 引 言

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，大規(guī)?；?xiàng)目開工建設(shè)使得混凝土需求不斷增加。細(xì)集料作為混凝土重要的組成部分之一，其品質(zhì)對混凝土拌合物的工作性和硬化混凝土的力學(xué)性能均具有重要影響[1]。而天然河砂作為一種優(yōu)質(zhì)的混凝土細(xì)集料被大量開采已接近枯竭，再加之國家環(huán)保政策趨嚴(yán)限制開采，市場出現(xiàn)了嚴(yán)重的供不應(yīng)求現(xiàn)象，使得河砂價格飛漲，這給用砂大戶——預(yù)拌混凝土和砂漿企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營帶來了巨大壓力[2]。在此種形勢背景下，混凝土生產(chǎn)企業(yè)開始使用機(jī)制砂、石屑逐步替代天然河砂。但是，石屑和機(jī)制砂都存在粒形差、級配不合理等缺陷，單獨(dú)使用所配制的混凝土易出現(xiàn)泌水離析，很難滿足泵送要求[3-6]。若將二者進(jìn)行合理搭配，即可發(fā)揮出互補(bǔ)效應(yīng)，使得骨料級配更趨合理,空隙率減小，不僅有利于混凝土質(zhì)量的控制并降低生產(chǎn)成本，還可實(shí)現(xiàn)固廢資源的循環(huán)再利用[7-8]。鑒于此，本文通過分析不同品種與產(chǎn)地機(jī)制砂、石屑的顆粒級配，并按照不同比例搭配,篩選出滿足II區(qū)中砂級配要求及石屑摻比較大的復(fù)合砂，利用優(yōu)選出來的復(fù)合砂開展不同強(qiáng)度等級C30～C50混凝土的性能對比試驗(yàn)，從而找出最佳搭配比例的復(fù)合砂，為石屑與機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

(1)水泥：采用冀東P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能如表1所示。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

(2)粉煤灰：Ⅱ級，生產(chǎn)廠家華能，其性能檢測指標(biāo)如表2所示。

表2 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)

(3)礦粉：S95級，生產(chǎn)廠家寶格，其性能檢測指標(biāo)如表3所示。

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)

(4)粗集料：卵破，產(chǎn)地寶雞；碎石，產(chǎn)地寧強(qiáng)。根據(jù)《建筑用卵石、碎石》(GB 14685—2001)選用級配合格的骨料，其性能指標(biāo)如表4所示。

表4 粗集料性能指標(biāo)

(5)細(xì)集料：水洗機(jī)制砂J1、J2，產(chǎn)地分別為洋縣、靈寶；石屑S，產(chǎn)地為扶風(fēng)。其各項(xiàng)性能檢測指標(biāo)如表5所示。

表5 細(xì)集料性能指標(biāo)

(6)外加劑：選用中建聚羧酸減水劑，其性能指標(biāo)見表6。

表6 外加劑技術(shù)指標(biāo)

1.2 方 法

1.2.1 復(fù)合砂組成設(shè)計

通過對不同來源地與品質(zhì)的水洗機(jī)制砂J1、J2與石屑S分別進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)檢測，其中對滿足質(zhì)量指標(biāo)要求的機(jī)制砂J、石屑S采用砂標(biāo)準(zhǔn)篩按不同篩號全部篩分。其篩分結(jié)果見表7。

表7 不同品種石屑篩分析

將篩選出的兩種水洗機(jī)制砂J1、J2與石屑S分別按照不同組合比例8 ∶2、7 ∶3、6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6(質(zhì)量比，下同)正交搭配，根據(jù)《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2001)[9]中對機(jī)制砂II區(qū)顆粒級配區(qū)間的要求，通過合理調(diào)配機(jī)制砂J1或J2與石屑S二者間的復(fù)配比例大小，從而改善混合細(xì)集料顆粒之間的級配情況。采用級配合成計算的方法得到混合細(xì)集料不同篩孔所對應(yīng)的累計篩余百分值，并按照《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 10—2011)[10]中提供的最佳級配區(qū)間上、下限范圍來選取，得到滿足II區(qū)級配區(qū)間范圍不同搭配比例的復(fù)合砂，其級配曲線如圖1、圖2所示。在滿足使用要求的前提下，為了最大程度地使用石屑，減少固體廢棄物尾礦的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)再生利用，最終篩選出兩種機(jī)制砂J1、J2與石屑S分別按質(zhì)量比6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6復(fù)配成的，滿足II區(qū)級配區(qū)間且石屑摻比不低于40%的6種復(fù)合砂。

圖1 J1與S復(fù)合砂級配曲線

圖2 J2與S復(fù)合砂級配曲線

表8為復(fù)合砂的松散堆積密度及空隙率情況，從表中數(shù)據(jù)可看出，J1、J2分別與S按照6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6搭配的混合砂，其松散堆積空隙率具有相同的變化規(guī)律。其中兩者搭配比例在6 ∶4時混合砂松散堆積空隙率值最小，另外，在搭配比例分別為6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6時，J1與S組成的混合砂松散堆積空隙率值均要高于J2與S組成的混合砂。這也反映出在同樣是Ⅱ區(qū)中砂的條件下，其顆粒之間的級配組成并不是完全相同，因此將其作為細(xì)集料制備的混凝土在性能上也會存在些許差異。

表8 不同搭配比例復(fù)合砂空隙率情況

1.2.2 配合比設(shè)計

以篩選出的6種復(fù)合砂分別作為C30～C50混凝土配合比中的細(xì)集料開展試配驗(yàn)證，不同級配復(fù)合砂制備不同強(qiáng)度等級混凝土共18組，試驗(yàn)配比如表9所示。外加劑按照3.0%比例添加，根據(jù)具體狀態(tài)適當(dāng)調(diào)整。此外，C30和C40應(yīng)用的石子為卵破，C50應(yīng)用的石子為碎石。

表9 不同搭配比例復(fù)合砂混凝土試驗(yàn)配合比

1.2.3 性能測試方法

混凝土拌合物的坍落度、擴(kuò)展度評價標(biāo)準(zhǔn)，參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)進(jìn)行測試。硬化混凝土不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度，參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)進(jìn)行測試?；炷量顾疂B透、抗氯離子滲透等耐久性能，參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50082—2009)進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合砂對混凝土工作性能影響分析

圖3 C30新拌復(fù)合砂混凝土工作性

不同級配組成的復(fù)合砂所制備C30～C50混凝土坍落度與擴(kuò)展度測試結(jié)果如圖3～圖5所示。由圖中坍落度與擴(kuò)展度數(shù)值變化規(guī)律可看出，在相同配合比下，J2與S搭配的復(fù)合砂混凝土坍落度與擴(kuò)展度指標(biāo)均要優(yōu)于J1與S搭配的復(fù)合砂混凝土。這主要是由于J2中所含石粉含量低于J1，石粉含量越多使得水泥水化需水量增加，單位時間內(nèi)水分的損耗速度加快，增大了混凝土漿體的黏滯性。在相同配比下，機(jī)制砂與石屑質(zhì)量比為6 ∶4、5 ∶5時混凝土拌合物和易性良好，坍落擴(kuò)展度測試指標(biāo)均可滿足混凝土實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的要求。其中復(fù)合砂搭配比例為6 ∶4時坍落度、擴(kuò)展度指標(biāo)要略高于搭配比例5 ∶5，這是因?yàn)樵? ∶4時骨料空隙率小，填充骨料之間間隙的膠凝材料用量也相應(yīng)減少，使得更多節(jié)余的水泥膠漿在骨料之間起到潤滑作用，從而改善了新拌混凝土的工作性。當(dāng)機(jī)制砂與石屑搭配比例為4 ∶6時，滿足相應(yīng)工作性要求下所需外加劑摻量增大，經(jīng)測試混凝土初始坍落度、擴(kuò)展度均可滿足使用要求，但坍落度經(jīng)時損失較快。這是因?yàn)槭紦奖瘸^50%后，帶入了過多石粉，使得集料比表面積大幅增加對水和外加劑吸附能力增強(qiáng)[11]。

圖4 C40新拌復(fù)合砂混凝土工作性

圖5 C50新拌復(fù)合砂混凝土工作性

2.2 復(fù)合砂對混凝土力學(xué)性能影響分析

混凝土力學(xué)性能的優(yōu)劣往往通過抗壓強(qiáng)度作為評價指標(biāo)。水洗機(jī)制砂與石屑不同搭配比例對復(fù)合砂的顆粒級配及空隙率有較大影響，而混合砂細(xì)集料的空隙率大小與混凝土強(qiáng)度之間有著必然聯(lián)系，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度增大或減小。

圖6～圖11為C30～C50混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度變化曲線，從圖中可以看出，兩種機(jī)制砂J1與J2分別與石屑S按不同比例6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6復(fù)配，其搭配組成的復(fù)合砂混凝土快測強(qiáng)度、7 d抗壓強(qiáng)度及28 d抗壓強(qiáng)度曲線變化趨勢基本一致，都是先降低后又略有升高，其中兩者復(fù)配比例為6 ∶4時，對應(yīng)的C30、C40、C50混凝土各齡期強(qiáng)度最高。由此可知，在相同配比下不同級配的細(xì)集料對混凝土強(qiáng)度有較大程度的影響，主要是不同搭配比例的復(fù)合砂空隙率大小不同所導(dǎo)致，在復(fù)配比例6 ∶4時具有最小的空隙率，內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，從而具有更高抵抗外部破壞的能力。而當(dāng)兩者比例在5 ∶5時空隙率變大，結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在更多孔洞缺陷使得密實(shí)性降低，在外力作用下更容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而造成強(qiáng)度損失較大。

同時，兩種機(jī)制砂J1與J2分別與石屑S按不同比例6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6組成的復(fù)合砂對應(yīng)的各標(biāo)號混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均可滿足設(shè)計值要求，并且J1、J2與S搭配的復(fù)合砂混凝土28 d強(qiáng)度平均富余值分別在10%、20%以上，也可間接表明機(jī)制砂J2與S復(fù)配對力學(xué)性能增強(qiáng)效果更加明顯。這是由于J1中石粉含量高于J2，使得相同質(zhì)量的復(fù)合砂中石粉含量占比增大,而吸附較多的聚羧酸減水劑在顆粒表面[12]，伴隨著混凝土強(qiáng)度發(fā)展過程,會帶來很多負(fù)面效應(yīng)，造成混凝土內(nèi)部缺陷增加,不利于強(qiáng)度增長，從而使得前者強(qiáng)度低于后者。

圖6 C30(J1)復(fù)合砂混凝土抗壓強(qiáng)度

圖7 C30(J2)復(fù)合砂混凝土抗壓強(qiáng)度

圖8 C40(J1)復(fù)合砂混凝土抗壓強(qiáng)度

圖9 C40(J2)復(fù)合砂混凝土抗壓強(qiáng)度

圖10 C50(J1)復(fù)合砂混凝土抗壓強(qiáng)度

圖11 C50(J2)復(fù)合砂混凝土抗壓強(qiáng)度

2.3 復(fù)合砂對混凝土耐久性能影響分析

試驗(yàn)選取品質(zhì)較優(yōu)的機(jī)制砂J2與石屑S按照不同搭配比例6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6組成的復(fù)合砂，分別研究其對所配制不同強(qiáng)度等級C30～C50復(fù)合砂混凝土抗水滲透與抗氯離子滲透耐久性能的影響。

圖12為不同組成復(fù)合砂混凝土滲水高度。由圖12可知，不同強(qiáng)度等級復(fù)合砂混凝土試件的滲透性先降低后升高，但滲水高度值均大于二者搭配比例為6 ∶4的復(fù)合砂混凝土。當(dāng)J2與S搭配比例為6 ∶4時配制的復(fù)合砂混凝土28 d滲水高度值最小，此時C30、C40、C50混凝土的滲水高度值分別為25 mm、17 mm、14 mm，當(dāng)二者搭配比例為5 ∶5時，其各強(qiáng)度等級復(fù)合砂混凝土滲水高度值分別增加了24.0%、35.3%、35.7%；而在二者搭配比例為4 ∶6時，其配制的各強(qiáng)度等級復(fù)合砂混凝土滲水高度值增幅分別降緩至8.0%、17.6%、14.3%。

混凝土的抗氯離子滲透性能以通過其電通量大小為衡量指標(biāo)，不同組成復(fù)合砂混凝土電通量如圖13所示。由圖13中數(shù)值變化規(guī)律可知，不同組成比例的復(fù)合砂配制出的各強(qiáng)度等級C30～C50混凝土28 d電通量均在1 000～2 000 C之間，抗氯離子滲透性能均為Q-III等級[13]。其中J2與S搭配比例為6 ∶4時配制的復(fù)合砂混凝土電通量值最小，隨著機(jī)制砂J2摻比的減少、石屑S摻比的增加，電通值均有不同程度的增大，而在二者搭配比例為5 ∶5時電通量值最大，所配制的各強(qiáng)度等級C30、C40、C50混凝土電通量值分別為1 871 C、1 619 C、1 547 C。

圖12 不同組成復(fù)合砂混凝土滲水高度

圖13 不同組成復(fù)合砂混凝土電通量

根據(jù)以上測試數(shù)據(jù)的不同變化規(guī)律，分析其可能的原因?yàn)闄C(jī)制砂J2與石屑S搭配比例在6 ∶4時，不同粒徑顆粒之間互為填充，形成嵌擠緊密堆積集料級配，使得混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)得到改善，孔隙率減小、結(jié)構(gòu)致密性增強(qiáng)，外界水分與有害離子難以滲透進(jìn)去，因此提高了混凝土自身抗水滲透與抗氯離子侵蝕性能。而隨著二者比值的降低，在5 ∶5和4 ∶6時，復(fù)合砂顆粒分布不均，未能形成連續(xù)級配，削弱了混凝土內(nèi)部密實(shí)堆積結(jié)構(gòu)，孔隙率變大、連通孔隙增多。另外，隨著石屑摻比提高，其中石粉含量增多，使得需水量增加；而在用水量不變的情況下，拌和物黏稠性逐漸增大，工作性變差，不利于混凝土成型密實(shí)，內(nèi)部存在較多孔隙缺陷，在壓力水作用下，一部分連通孔隙充當(dāng)了滲水通道，從而造成混凝土抗?jié)B耐久性能劣化。

3 復(fù)合砂對混凝土用砂成本影響分析

在保證混凝土各項(xiàng)基本性能滿足要求的前提下，使用機(jī)制砂與石屑搭配的復(fù)合砂替代混凝土中的天然河砂，不僅可有效緩解目前市場天然砂資源緊缺和砂價居高不下的局面，也是積極響應(yīng)國家環(huán)保政策號召，實(shí)現(xiàn)固廢資源的循環(huán)再生綜合利用。由于各地區(qū)細(xì)集料品質(zhì)和種類不同價格會有所差異，本文中僅以當(dāng)時試驗(yàn)階段市場原材料價格水平為例，在運(yùn)輸距離相同的情況下，成本按照河砂150元/t、水洗機(jī)制砂120元/t、石屑平均價格100元/t計算，按照表9中所列各強(qiáng)度等級配合比只考慮細(xì)集料用量的情況下，分別計算其復(fù)合砂替代天然河砂各自對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本，見表10。由表10可知，隨著混合砂中石屑摻入比例的提高，用砂成本不斷降低，在機(jī)制砂與石屑三種搭配比例4 ∶6、5 ∶5、6 ∶4中，每立方米混凝土中可節(jié)約用砂成本24～46元，若大量使用，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

表10 每立方米混凝土中復(fù)合砂替代水砂生產(chǎn)成本

續(xù)表

4 結(jié) 論

(1)通過兩種水洗機(jī)制砂J1與J2，分別與石屑S按質(zhì)量比為8 ∶2、7 ∶3、6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6兩兩正交搭配，根據(jù)滿足II區(qū)中砂級配區(qū)間且石屑摻比較大的復(fù)配要求，最終得到6種復(fù)合砂。當(dāng)機(jī)制砂與廢石屑兩者復(fù)配比例為6 ∶4時，復(fù)合砂具有最低的松散堆積空隙率。

(2)相同配比下，兩種機(jī)制砂J1、J2與石屑S分別按質(zhì)量比6 ∶4、5 ∶5搭配時混凝土拌合物坍落度、擴(kuò)展度測試指標(biāo)均可滿足使用要求。而當(dāng)兩者搭配比例為4 ∶6時，增大了石粉摻量，使得集料比表面積變大對水和外加劑吸附能力增強(qiáng),導(dǎo)致混凝土工作性變差。

(3)兩種機(jī)制砂J1與J2分別與石屑S按不同搭配比例6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6組成的混合砂所制備的C30～C50混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均可滿足設(shè)計值要求，尤其是在機(jī)制砂與石屑質(zhì)量比為6 ∶4時混凝土強(qiáng)度富余值達(dá)最大。

(4)機(jī)制砂J2與石屑S在二者搭配比例為6 ∶4時配制的C30～C50復(fù)合砂混凝土抗?jié)B耐久性能最優(yōu)，而在二者搭配比例為5 ∶5和4 ∶6時，隨著復(fù)合砂中石屑摻比的增加耐久性能逐步劣化。

(5)復(fù)合砂中機(jī)制砂與石屑的合理搭配，可使用砂成本不同程度的降低，當(dāng)機(jī)制砂與石屑搭配比例分別為4 ∶6、5 ∶5、6 ∶4時，每立方米混凝土中可節(jié)約用砂成本在24～46元之間，其中在機(jī)制砂與石屑質(zhì)量比為6 ∶4時經(jīng)濟(jì)效益更加明顯。