機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土性能影響研究

余澤文 袁飛飛 周孝軍 丁慶軍

【摘要】文章通過(guò)試驗(yàn)研究，探討了石粉含量對(duì)C40機(jī)制砂混凝土工作性能、力學(xué)性能、勻質(zhì)性與干燥收縮的影響。結(jié)果表明：石粉可提高機(jī)制砂混凝土拌合物的粘聚性與保水性、避免泌水離析，同時(shí)提高混凝土的抗折、劈拉與抗壓強(qiáng)度，且石粉含量在10 %～15 %范圍時(shí)，對(duì)混凝土工作性能與強(qiáng)度的提高作用最佳;隨石粉含量增加，混凝土勻質(zhì)性提升，而石粉含量超過(guò)10 %后，對(duì)勻質(zhì)性提升趨于穩(wěn)定;機(jī)制砂混凝土的早期干縮隨石粉含量增加而增加，而7 d后的干縮在石粉含量為10 %時(shí)最大。研究成果為高石粉含量機(jī)制砂在山區(qū)高速公路橋梁工程中應(yīng)用提供了技術(shù)支撐，為合理控制石粉含量提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)制砂; 石粉; 工作性能; 力學(xué)性能; 干燥收縮; 勻質(zhì)性。

【中國(guó)分類號(hào)】TU528【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

1 工程概況

石粉是在機(jī)制砂生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的粒徑小于75 μm的顆粒，其與機(jī)制砂的礦物組成、化學(xué)成分一致，與天然砂中泥粉有本質(zhì)區(qū)別[1-2]。國(guó)內(nèi)外大量研究表明[2-8]，機(jī)制砂并非“越干凈越好”，機(jī)制砂中適量的石粉有助于提升混凝土的性能。文獻(xiàn)[9]認(rèn)為C30～C60混凝土中機(jī)制砂石粉含量限值可控制在10 %;文獻(xiàn)[10]認(rèn)為C25～C45混凝土中機(jī)制砂石粉最佳含量在11 %～14 %之間，C60混凝土合理石粉含量在6 %～9 %之間;文獻(xiàn)[11]認(rèn)為C30機(jī)制砂混凝土的最佳石粉含量為9 %～12 %;文獻(xiàn)[12]認(rèn)為C35和C45機(jī)制砂混凝土的石粉合理含量為7 %～13 %和5 %～8 %?？傮w來(lái)看，大部分研究都表明機(jī)制砂石粉含量可以高于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的機(jī)制砂石粉含量限值差異較大，即使相同強(qiáng)度等級(jí)混凝土，石粉含量也沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文針對(duì)四川樂(lè)（山）西（昌）高速公路橋梁工程C40混凝土，采用工程現(xiàn)場(chǎng)原材料，通過(guò)試驗(yàn)研究，分析機(jī)制砂的石粉含量對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能、勻質(zhì)性與體積穩(wěn)定性的影響，為高石粉含量機(jī)制砂混凝土工程應(yīng)用提供支撐。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料

①水泥：拉法基P.O 42.5水泥，3 d抗壓強(qiáng)度28.7 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度51.9 MPa;②粉煤灰：習(xí)水Ⅱ級(jí)粉煤灰，燒失量7.3 %，需水量比100 %，28 d活性指數(shù)74.0 %;③機(jī)制砂：瀘州石板灘石灰?guī)r機(jī)制砂，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1;④石：瀘州石板灘碎石，粒徑5～25 mm，壓碎值7.4 %，針片狀含量4.5 %;⑤石粉：由石板灘機(jī)制砂生產(chǎn)過(guò)程中風(fēng)選而得，其成分與機(jī)制砂一致;⑥外加劑：聚羧酸高性能減水劑;⑦水：自來(lái)水。

2.2 配合比

通過(guò)水洗、摻配石粉的方法，調(diào)整機(jī)制砂中石粉含量為0、5 %、10 %、15 %和20 %，以探討石粉含量對(duì)混凝土性能

的影響。按照DB 51/T 1995- 2015《機(jī)制砂橋梁高性能混凝土技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，調(diào)整用水量與外加劑摻量，以保持混凝土的坍落度基本一致，各組配合比如表2所示。

2.3 試驗(yàn)方法

①混凝土拌和物性能按GB /T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。②混凝土的力學(xué)性能依據(jù)GB /T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。③混凝土的干燥收縮按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。④根據(jù)GB/T 4340.1-2009《金屬維氏硬度試驗(yàn)方法》，采用HV-1000Z顯微硬度計(jì)測(cè)試混凝土試件28 d顯微硬度。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 對(duì)混凝土拌合物性能的影響

當(dāng)混凝土拌合物的坍落度基本相同時(shí)（200±10 mm），其擴(kuò)展度、含氣量與表觀狀態(tài)等見(jiàn)表3與圖1?？梢?jiàn)，石粉含量對(duì)混凝土拌合物工作狀態(tài)有較大影響。機(jī)制砂不含石粉時(shí)，混凝土拌合物較松散、包裹性差，出現(xiàn)泌水離析，表面有明顯大氣泡。石粉含量增加到5 %時(shí)，由于其微填充效應(yīng)，混凝土拌合物粘聚性與保水性提高，包裹性與泌水性能有所改善，表面大氣泡也減少;同時(shí)用水量減小，擴(kuò)展度增加，石粉的摻加表現(xiàn)出一定減水作用和潤(rùn)滑效應(yīng)。石粉含量增加到10 %時(shí)，混凝土粉體材料總量增多，比表面積加大，吸附水量增多，需增加用水量與外加劑摻量以到達(dá)一致的坍落度;另外，較多的粉體材料，也使得漿體富裕量與粘稠度增加，混凝土拌合物包裹性好，擴(kuò)展度達(dá)到510 mm，流動(dòng)性進(jìn)一步提升，但氣泡不宜排出，表面氣泡少且含氣量增加。石粉含量增加到15 %時(shí)，用水量與外加劑摻量持續(xù)增加，此時(shí)混凝土拌合物因粘稠度高，翻鏟稍吃力，擴(kuò)展度減小，流動(dòng)性下降，大氣泡較少，含氣量進(jìn)一步增加。當(dāng)石粉含量到達(dá)20 %時(shí)，混凝土拌合物過(guò)于黏稠，擴(kuò)展度下降至460 mm，流動(dòng)性明顯變差，翻鏟較吃力，含氣量增加至2.9 %，表面氣泡較少，排氣不暢，施工時(shí)易在模板壁富集而形成氣孔、麻面等缺陷。

3.2 對(duì)混凝土勻質(zhì)性的影響

混凝土勻質(zhì)性差時(shí)，表面顯微硬度差異明顯[13]。因此，通過(guò)硬化混凝土試件表面顯微硬度測(cè)試，研究石粉含量對(duì)混凝土勻質(zhì)性的影響，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2?？梢?jiàn)，適量的石粉可改善混凝土的整體勻質(zhì)性。當(dāng)機(jī)制砂不含石粉時(shí)，硬化混凝土試件上部的顯微硬度值最小，上下部位的顯微硬度差值最大，主要因混凝土拌合物包裹性差，出現(xiàn)泌水離析，且粉煤灰上浮，混凝土整體勻質(zhì)性較差。隨石粉含量增加，石粉的微集料效應(yīng)增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)性，改善泌水性能，試件上下部的顯微硬度差逐漸減小，混凝土的整體勻質(zhì)性改善明顯。當(dāng)石粉含量超過(guò)10%后，上下部顯微硬度差值的降幅也減緩，混凝土勻質(zhì)性改善趨于穩(wěn)定。但由于漿體過(guò)于粘稠，混凝土工作性能變差，排氣不暢，含氣量增加，試件上下部表面的顯微硬度均出現(xiàn)小幅下降。

3.3 對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

機(jī)制砂中不同石粉含量對(duì)C40混凝土抗折、劈裂抗拉與抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)表4。隨石粉含量增加，混凝土的強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。石粉含量達(dá)到10 %時(shí)，各項(xiàng)強(qiáng)度均達(dá)到最大值，7 d齡期時(shí)較不含石粉混凝土的抗折、劈裂抗拉與抗壓強(qiáng)度分別提高18.5 %、15.3 %與11.8 %，28 d齡期時(shí)則分別提高15.3 %、14.3 %與11.9 %。石粉含量增加到15 %后，混凝土強(qiáng)度開(kāi)始出現(xiàn)緩慢下降。當(dāng)石粉含量達(dá)到20 %時(shí)，混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)下降較明顯，幾乎與不含石粉時(shí)混凝土強(qiáng)度接近?？梢?jiàn)，石粉含量在10 %～15 %時(shí)，其對(duì)混凝土強(qiáng)度的增加作用較明顯。分析原因在于：一方面石粉粒徑小，具有微集料填充效應(yīng)，提高了混凝土拌合物的保水性與粘聚性，提升了混凝土的勻質(zhì)性以及混凝土微結(jié)構(gòu)的致密性[8];同時(shí)石粉對(duì)CH和C-S-H的形成起到晶核作用，加速水泥的水化，另外，石粉本身也可以與C3A反應(yīng)，形成水化碳鋁酸鈣[14-15]。但石粉含量達(dá)到一定程度時(shí)，過(guò)多的石粉反而破壞了混凝土中粉體材料的密實(shí)堆積結(jié)構(gòu)，且粉體材料比表面積增大，需水量與外加劑用量增多，漿體過(guò)于粘稠，拌合物工作性能差，排氣不暢，硬化混凝土微結(jié)構(gòu)密實(shí)度差，有害孔增多、凝膠孔減少[12]，從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

3.4 對(duì)混凝土干燥收縮的影響

圖3為不同石粉含量機(jī)制砂混凝土的干燥收縮率測(cè)試結(jié)果。總體來(lái)看，石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土干燥收縮的影響與齡期有關(guān)，這與文獻(xiàn)[9]的測(cè)試結(jié)果相似。在1～3 d齡期時(shí)，石粉的晶核效應(yīng)較明顯，加速了水泥的水化進(jìn)程，從而使得早期收縮增加，且隨石粉含量增加，混凝土的干縮增加。在7～360 d齡期段，各組試件均在7～60 d齡期的干縮發(fā)展較快，60 d齡期后干縮趨于穩(wěn)定，且在各齡期均表現(xiàn)為石粉含量為10 %的試件干縮最大，其次是石粉含量15 %的試件，然后依次是石粉含量20 %、5 %與0 %的試件。3 d后水分散失加快，石粉含量越高，因用水量增加，使得混凝土干縮增加。另外，大多數(shù)石粉不能參與水泥水化而且起到微集料的填充作用，特別是石粉含量到達(dá)一定程度時(shí)，微集料填充效應(yīng)較明顯，提升混凝土的致密性，改善毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)，增加毛細(xì)孔曲折程度，從而減小水分流失，降低混凝土干縮。

4 結(jié)論

（1）機(jī)制砂中的石粉能提高混凝土拌合物的粘聚性與保水性，避免泌水離析。石粉含量在10 %～15 %時(shí)，對(duì)混凝土工作性能提升作用最佳;石粉含量超過(guò)15 %后，混凝土工作性能下降、含氣量增加明顯，對(duì)混凝土的強(qiáng)度與耐久性不利。

（2）隨石粉含量增加，混凝土的勻質(zhì)性逐漸提升，當(dāng)石粉含量超過(guò)10 %后，混凝土試件表面上下部顯微硬度差值變化不大，對(duì)混凝土勻質(zhì)性的改善效果趨于穩(wěn)定。

（3）石粉具有微集料效應(yīng)與晶核作用，可提高機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度，石粉含量在10 %～15 %時(shí)，對(duì)機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度提升最佳。石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度增強(qiáng)作用最明顯，其次是劈裂抗拉強(qiáng)度，對(duì)抗壓強(qiáng)度提高相對(duì)最小。

（4）石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土的干燥收縮與齡期相關(guān)，1～3 d時(shí)的干縮隨石粉含量增加而增加，而7 d后的干縮在石粉含量為10 %時(shí)最大。

綜上所述，機(jī)制砂中含有適量的石粉有助于提升混凝土的性能，針對(duì)樂(lè)西高速橋梁工程應(yīng)用的C40機(jī)制砂混凝土，其機(jī)制砂中石粉含量可以放寬至10 %～15 %。

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