花崗巖機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土性能的影響*

李 林 張學(xué)峰 徐 斌 李 龍 李北星

(1.江西省交通工程集團(tuán)有限公司 南昌 330000; 2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

天然砂資源的日趨匱乏，我國(guó)混凝土用機(jī)制砂逐步替代河砂是大勢(shì)所趨[1]。機(jī)制砂是由巖石經(jīng)機(jī)械破碎、篩分制成，其區(qū)別于天然砂最顯著特點(diǎn)是其破碎生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生15%～20%的粒徑小于75μm的石粉[2]。正因如此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)石粉含量對(duì)新拌機(jī)制砂混凝土工作性、外加劑效能和硬化混凝土力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性和耐久性影響進(jìn)行了大量研究[3-5]，但不同研究者所得出的機(jī)制砂最佳石粉含量或提出的石粉含量限值并不一致，甚至存在爭(zhēng)議。鑒于機(jī)制砂中的石粉，尤其是石粉中有黏土存在時(shí)，會(huì)對(duì)機(jī)制砂混凝土的某一性能或綜合性能產(chǎn)生顯著影響，機(jī)制砂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)石粉含量進(jìn)行了限定。對(duì)于機(jī)制砂石粉含量限值，不同國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定存在較大差異，如印、英、澳和歐盟等國(guó)家及地區(qū)容許機(jī)制砂中石粉含量有更高的限值，而中、日、美等國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值較低。我國(guó)不同行業(yè)或地方標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定也不盡相同。許多研究表明[6-8]，機(jī)制砂中不含黏土的石粉是無(wú)害甚至是有益的，使用高石粉含量(10%～15%)機(jī)制砂也可以配制優(yōu)質(zhì)混凝土。因此，目前尚無(wú)一個(gè)廣泛認(rèn)可或可接受的最佳石粉含量，造成石粉含量限值存在爭(zhēng)議或分歧的根本原因是不同的研究者采用的機(jī)制砂或石粉品質(zhì)不一樣，包括機(jī)制砂母巖巖性、級(jí)配或粒形，石粉中的有害性黏土含量或石粉吸附性、石粉的活性或細(xì)度等。因此，針對(duì)不同地區(qū)、不同工程用的機(jī)制砂，其最佳石粉含量需要結(jié)合該地區(qū)母巖所加工的機(jī)制砂特性和工程用混凝土通過(guò)具體試驗(yàn)研究確定。

浙江景寧至文成高速公路第JWTJ-02標(biāo)段位于浙江省景寧縣內(nèi)山嶺重丘區(qū)，周邊碎石和天然河砂資源匱乏，但工程建設(shè)中隧道開(kāi)挖又產(chǎn)生大量花崗巖洞渣。按照“因地制宜、就地取材”的原則，該標(biāo)段C20～C50所有混凝土均采用隧道洞渣加工的機(jī)制砂和碎石集料配制。鑒于目前工程建設(shè)中常用的機(jī)制砂多為石灰?guī)r，對(duì)花崗巖機(jī)制砂的研究與應(yīng)用較少[9]。本文以隧道洞渣自制的花崗巖機(jī)制砂石為集料配制C20～C50混凝土，著重研究花崗巖機(jī)制砂石粉含量對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的工作性能、強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能的影響，以獲得該花崗巖機(jī)制砂混凝土適宜的石粉含量。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1) 水泥。采用衢州南方水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

2) 粉煤灰。采用浙江?？乒こ滩牧嫌邢薰旧a(chǎn)的F類II級(jí)粉煤灰，其主要性能指標(biāo)表見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰的主要性能指標(biāo)

3) 碎石。由景文高速公路二標(biāo)隧道開(kāi)挖的花崗巖洞渣自加工所得。工藝流程為：洞渣塊石→帶篩形條振動(dòng)給料機(jī)→鄂破→圓錐破→整形機(jī)→篩分→級(jí)配碎石。試驗(yàn)用碎石分為3個(gè)粒級(jí)：4.75～9.5 mm(小石)、9.5～19 mm(中石)和16～31.5 mm(大石)，三級(jí)配合成質(zhì)量比為：小石∶中石∶大石=2∶4∶4，用于C50以下混凝土配制；二級(jí)配合成質(zhì)量比為：小石∶中石=2∶8，用于C50混凝土配制；3種粒級(jí)碎石主要技術(shù)指標(biāo)表見(jiàn)表3。

表3 碎石的主要性能指標(biāo)

由表3可見(jiàn)，該花崗巖洞渣碎石符合JTG/T 3650-2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》II類碎石規(guī)定。

4) 機(jī)制砂。由100 t/h樓式機(jī)制砂生產(chǎn)線自加工所得，其中制砂機(jī)為石打石立軸沖擊式破碎制砂機(jī)，入機(jī)原料為上述9.5～19 mm花崗巖碎石。試驗(yàn)用機(jī)制砂的級(jí)配曲線圖見(jiàn)圖1，其主要技術(shù)指標(biāo)表見(jiàn)表4。

圖1 機(jī)制砂級(jí)配曲線

表4 機(jī)制砂主要性能指標(biāo)

由圖1和表4可見(jiàn)，該機(jī)制砂屬于2區(qū)級(jí)配，各項(xiàng)指標(biāo)均符合JTG/T 3650-2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》II類砂規(guī)定。

5) 石粉。來(lái)源于制砂系統(tǒng)廢石粉處理系統(tǒng)，為除塵器回收的石粉。石粉的主要化學(xué)組成見(jiàn)表5，實(shí)測(cè)比表面積為326.3 m2/kg。按T/CECS 645-2019《石粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》對(duì)石粉進(jìn)行檢驗(yàn)，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表6。

表5 石粉的化學(xué)組成

表6 石粉的主要性能指標(biāo)

6) 外加劑。采用江西某公司生產(chǎn)的TS-HPC緩凝型聚羧酸高性能減水劑，其含固量為16.5%，減水率為27%。

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土坍落度、擴(kuò)展度按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)行試驗(yàn)；抗壓強(qiáng)度按GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm；抗氯離子滲透性能按GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的電通量法進(jìn)行測(cè)試，試件直徑為(100±1) mm、高度為(50±2) mm，養(yǎng)護(hù)齡期為56 d。

1.3 試驗(yàn)方案及配合比

選用在高速公路工程建設(shè)中常用的C20、C25、C30、C40、C50 5個(gè)強(qiáng)度等級(jí)混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)水膠比為0.58，0.51，0.44，0.38，0.32。機(jī)制砂石粉含量設(shè)定為5%，7%，10%，14%，通過(guò)將石粉與原狀機(jī)制砂進(jìn)行復(fù)配制得。經(jīng)過(guò)試拌調(diào)整后的機(jī)制砂混凝土配合比見(jiàn)表7。

表7 機(jī)制砂混凝土配合比及工作性能

為了凸顯機(jī)制砂中石粉含量變化對(duì)混凝土性能的影響，試驗(yàn)采用單因素變量法，同一強(qiáng)度等級(jí)機(jī)制砂混凝土配合比中膠凝材料用量及粉煤灰摻量、單方用水量和砂率等配合比參數(shù)均不變，而石粉含量增加引起的混凝土流動(dòng)性變化通過(guò)外加劑用量的調(diào)整，以使所有混凝土流動(dòng)性基本保持一致，即坍落度達(dá)到200～220 mm，擴(kuò)展度達(dá)到500～530 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 石粉含量對(duì)混凝土工作性的影響

由表7可以看出，在5%～7%的石粉含量范圍內(nèi)，混凝土達(dá)到相同或相近的坍落度和擴(kuò)展度所需要的減水劑用量保持不變；在7%～14%的石粉含量范圍內(nèi)，隨著石粉含量的增加，混凝土達(dá)到相同或相近的坍落度和擴(kuò)展度所需要的減水劑用量也逐漸增多，對(duì)于C20、C25、C30、C40混凝土，石粉含量14%較石粉含量7%機(jī)制砂配制的混凝土其減水劑摻量提高了0.2%，對(duì)于C50混凝土，石粉含量14%較石粉含量7%機(jī)制砂配制的混凝土其減水劑摻量提高了0.15%。

在機(jī)制砂混凝土中，石粉含量從5%提高到7%，并未降低混凝土的工作性，其原因主要有：①石粉的細(xì)度與水泥的細(xì)度相差不大，此時(shí)石粉彌補(bǔ)了機(jī)制砂混凝土中膠凝材料不足的缺點(diǎn)，這點(diǎn)在低強(qiáng)度混凝土中作用更加明顯；②機(jī)制砂表面較為粗糙，而石粉在混凝土中形成粉體漿體可以起到潤(rùn)滑作用，有利于減少機(jī)制砂與粗集料之間的摩擦，改善機(jī)制砂混凝土拌合物的和易性；③石粉填充于骨料搭接產(chǎn)生的空隙中，將混凝土體系中原本起填充作用的填充水置換出來(lái)成為自由水，自由水增加，拌合物漿體的流動(dòng)性能變大[10]。上述是石粉的正作用，然而，隨著機(jī)制砂中石粉含量的提高，導(dǎo)致包裹其所需的用水量愈多，同時(shí)，石粉對(duì)減水劑存在一定的吸附作用[11]，這是石粉的副作用。當(dāng)正作用大于副作用時(shí)，宏觀上混凝土的工作性有所提升，反之，則需要額外加入更多減水劑來(lái)達(dá)到相同的工作性。

2.2 石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

石粉含量對(duì)C20～C50機(jī)制砂混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)制砂石粉含量對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可見(jiàn)，隨著石粉含量的增加，C20、C25、C30混凝土的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，7 d時(shí)其石粉含量為14%較石粉含量為5%的抗壓強(qiáng)度分別提高了14.3%，12.5%，10.1%，28d時(shí)其石粉含量為14%較石粉含量為5%的抗壓強(qiáng)度分別提高了10.6%，11.6%，12.4%；C40、C50混凝土的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度則隨著石粉含量的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且在石粉含量為10%時(shí)達(dá)到最大值，7 d時(shí)C40、C50混凝土抗壓強(qiáng)度的最大值分別為45.9，55.2 MPa，較石粉含量為5%時(shí)分別提高了16.8%，11.3%，28 d時(shí)C40、C50混凝土抗壓強(qiáng)度的最大值分別為53.8，66.2 MPa，較石粉含量為5%時(shí)分別提高了10.2%，8.9%。

在機(jī)制砂混凝土中，石粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響主要有：①合理的摻量可以加速水泥水化的作用，有利于混凝土早期強(qiáng)度的改進(jìn)；②石粉通過(guò)微集料填充效應(yīng)來(lái)填補(bǔ)混凝土中的有害空隙，使混凝土更加密實(shí)，強(qiáng)度增加[12]，因此，C20～C50混凝土在石粉含量為5%～10%時(shí)，隨著石粉含量的增加其抗壓強(qiáng)度增大。但當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)較高時(shí)，混凝土體系中膠凝材料較多，為提高其強(qiáng)度，已將體系中膠凝材料進(jìn)行了充分設(shè)計(jì)，使混凝土具有良好的密實(shí)堆積結(jié)構(gòu)，此時(shí)過(guò)量石粉的引入會(huì)破壞這種密實(shí)堆積結(jié)構(gòu)，使混凝土強(qiáng)度降低[13]，所以C40、C50混凝土在石粉含量為10%～14%時(shí)，隨著石粉含量的增加其抗壓強(qiáng)度降低。

2.3 石粉含量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響

石粉含量對(duì)C20～C50機(jī)制砂混凝土56 d電通量影響的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。電通量用于評(píng)價(jià)混凝土抵抗水、腐蝕離子等介質(zhì)向內(nèi)滲透的能力，一定程度上反映了混凝土密實(shí)性的高低。圖3結(jié)果表明，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，電通量越低，混凝土密實(shí)性越高，抗?jié)B透能力越強(qiáng)。隨著機(jī)制砂石粉含量的增加，C20、C25、C30混凝土的電通量逐步減小，分別從石粉含量為5%時(shí)的3 096，2 516，1 980減少到石粉含量為14%時(shí)的2 686，2 186，1 702；而C40、C50混凝土的電通量呈先減小后增大趨勢(shì)，當(dāng)石粉含量為10%時(shí)，混凝土電通量最小，分別為1 186，780 C?？梢?jiàn)，對(duì)于膠凝材料用量較低的C20～C30混凝土，機(jī)制砂中石粉含量的增大，增強(qiáng)了混凝土的抗?jié)B透性，而對(duì)于膠凝材料用量較高的C40～C50混凝土，石粉含量不宜過(guò)高，本試驗(yàn)最佳值為10%。

圖3 機(jī)制砂石粉含量對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土56 d電通量影響

究其原因，主要是石粉通過(guò)微集料填充效應(yīng)來(lái)填補(bǔ)混凝土中的有害空隙，使混凝土更加密實(shí)，從而阻塞氯離子擴(kuò)散通道，其電通量降低，抗氯離子滲透能力增強(qiáng)；但對(duì)于C40、C50混凝土而言，混凝土中膠凝材料用量較高，水膠比較低，混凝土本身具有良好的密實(shí)堆積結(jié)構(gòu)，此時(shí)過(guò)量石粉的加入，則在一定程度上破壞了這種堆積效果，降低混凝土的密實(shí)性，導(dǎo)致混凝土的電通量提高，抗氯離子滲透能力減弱。

3 結(jié)論

1) 機(jī)制砂石粉含量在5%～7%的范圍內(nèi)，石粉含量的增加對(duì)C20～C50混凝土的工作性能沒(méi)有明顯影響；當(dāng)石粉含量在7%～14%的范圍內(nèi)，隨著石粉含量的增加，C20～C50混凝土達(dá)到相同工作性所需減水劑摻量增加。

2) 機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土強(qiáng)度有顯著影響。在石粉含量為5%～14%的范圍內(nèi)，C20、C25、C30混凝土的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度隨著石粉含量的增加隨之增大，而C40、C50混凝土的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度則隨著石粉含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)石粉含量為10%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值。

3) 混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，電通量越低，抗氯離子滲透能力越強(qiáng)。相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，電通量隨機(jī)制砂石粉含量的增加而變化，在石粉含量為5%～14%的范圍內(nèi)，隨石粉含量增加，C20、C25、C30混凝土的電通量逐步減小，而C40、C50混凝土的電通量呈先減小后增大趨勢(shì)，且當(dāng)石粉含量為10%時(shí)，混凝土電通量最小。

4) 綜合考量石粉含量對(duì)C20～C50混凝土各項(xiàng)性能的影響，在景文高速公路二標(biāo)建設(shè)中，C20、C25、C30機(jī)制砂混凝土中適宜石粉含量為10%～14%，而C40、C50混凝土為10%。