機(jī)制砂替代天然河砂在實(shí)際應(yīng)用中的性能分析

王 濤,李長吉,張學(xué)治

(1.河北環(huán)境工程學(xué)院,河北 秦皇島 066102;2.中交一航局五公司檢測中心,河北 秦皇島066002)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,一些大型基建項(xiàng)目如港珠澳大橋、秦嶺隧道以及房地產(chǎn)事業(yè)呈蓬勃發(fā)展態(tài)勢,在這些建筑工程中混凝土被大量使用,而生產(chǎn)混凝土原材料中的河砂資源逐漸呈現(xiàn)枯竭態(tài)勢,河砂被過度采伐會(huì)導(dǎo)致河床蓄水層被破壞、河床產(chǎn)生松動(dòng)及地表河水大量滲漏。在環(huán)境保護(hù)政策的要求下,建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系,推進(jìn)資源節(jié)約和循環(huán)利用,以石材、城市垃圾、尾礦庫、煤矸石磚等固體廢物為原料的機(jī)制砂取代天然河砂成了混凝土行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。但是近年來隨著機(jī)制砂應(yīng)用的增多,也出現(xiàn)了一些新的問題,特別是機(jī)制砂中石粉對(duì)混凝土性能的影響。因此為了機(jī)制砂替代天然河砂的應(yīng)用,本研究重點(diǎn)從機(jī)制砂石粉含量對(duì)高強(qiáng)度砼物理力學(xué)指標(biāo)和耐久性能的影響方面進(jìn)行深入的研究,以解決機(jī)制砂替代天然河砂所存在的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 機(jī)制砂綠色替代河砂性能研究

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1水泥

采用華潤P.O42.5R水泥,3 d抗折強(qiáng)度為5.6 MPa,28 d抗折強(qiáng)度為8.2 MPa,3 d抗壓強(qiáng)度為26.7 MPa,28 d抗壓強(qiáng)度為56.4 MPa,燒失量為1.3%,比表面積為390 m2/kg。

1.1.2 細(xì)骨料

廣西桂平地區(qū)機(jī)制砂,級(jí)配屬于Ⅱ區(qū),細(xì)度模數(shù)2.72,表觀密度2 735 kg/m3,堆積密度1 480kg/m3,壓碎指標(biāo)18.5%,泥塊含量0.2%,石粉含量5.7%,MB值1.0,壓碎指標(biāo)9%。通過水洗外摻石粉的方法來控制機(jī)制砂中石粉含量。

1.1.3 粗骨料

廣西玉林地區(qū)5～25 mm石灰?guī)r碎石,含泥量0.7%,泥塊含量0.2%,針片狀顆粒含量4.6%,壓碎值7.7%,表觀密度2 702 kg/m3,堆積密度1 500 kg/m3。

1.1.4 外加劑

山西黃騰聚羧酸減水劑,減水率27%,7 d抗壓強(qiáng)度比126%,28 d抗壓強(qiáng)度比123%。

1.1.5 水

自來水。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)試驗(yàn)方案的要求,并根據(jù)原材料的特點(diǎn)以及現(xiàn)場施工條件的影響因素選定混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、C40、C50、C60,石粉含量分別為3%,5%,10%,15%,20%,試驗(yàn)過程中保持配合比中水膠比和單方用水量不變。按照文獻(xiàn)[1-3]的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)的檢測。

2 機(jī)制砂替代天然河砂性能可行性研究

通過控制機(jī)制砂的石粉含量,對(duì)C30～C60砼主要性能進(jìn)行試驗(yàn),使之滿足使用需要。

2.1. 混凝土拌合物工作性隨石粉含量的變化

通過控制機(jī)制砂內(nèi)石粉含量,對(duì)工民建施工中常用到的四種型號(hào)混凝土進(jìn)行工作性能測試。試驗(yàn)條件:溫度(20±2)℃、濕度>50%。主要試驗(yàn)設(shè)備:混凝土攪拌機(jī)HJW-60、數(shù)控磁力振動(dòng)臺(tái)(1×1) m2、坍落度筒100 mm×200 mm×300 mm。

2.1.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過固定每種混凝土配合比,只調(diào)整機(jī)制砂中的石粉含量,拌合物工作性試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 拌合物工作性試驗(yàn)結(jié)果

(1)由A組結(jié)果可知,隨著機(jī)制砂石粉含量的增加坍落度曲線先升高后降低,當(dāng)石粉含量為15%時(shí)值最大,當(dāng)機(jī)制砂石粉含量為3%～5%時(shí),拌合物工作性較差,存在離析、泌水現(xiàn)象,特別是當(dāng)石粉含量為3%時(shí),泌水較嚴(yán)重。

(2)由B組結(jié)果可知,當(dāng)石粉含量為3%時(shí),拌合物存在輕微的離析和泌水現(xiàn)象,隨著石粉含量的增加坍落度曲線先升高后降低,當(dāng)石粉含量為10%時(shí)值最大。

(3)由C組結(jié)果可知,隨著石粉含量的增加,混凝土的粘聚性變好,當(dāng)石粉含量大于5%時(shí),混凝土拌合物的坍落度逐漸減小,但降低幅度不大。

(4)在D組C60混凝土中,隨著石粉含量的增加混凝土拌合物坍落度逐漸減小,但降低幅度不大。同時(shí)隨著石粉含量的增加混凝土拌合物的黏度逐漸增大。

2.1.2 原因分析

(1) 在C30、C40混凝土中,在一定的石粉含量范圍內(nèi)混凝土拌合物的粘聚性隨著石粉含量的增加而增大,離析、泌水現(xiàn)象也隨著石粉含量的增加有了明顯改善,這是由于機(jī)制砂中石粉的存在變相增加了混凝土拌合物中粉體的體積,石粉顆粒的粒徑與水泥接近,大大提高了細(xì)顆粒的比表面積,從而使混凝土拌合物的保水性和粘聚性提高,改善了混凝土拌合物的工作性[4]。同時(shí)石粉的存在彌補(bǔ)了機(jī)制砂空隙率大、表面粗糙等混凝土流動(dòng)性的不利因素,在混凝土漿體體系中石粉還能起到一定的微滾珠作用,這在一定程度上對(duì)混凝土的工作性都能起到積極的作用。隨著石粉含量逐漸增大,石粉也需要吸收混凝土內(nèi)一部分的水分,這樣在用水量不變的條件下混凝土就會(huì)變得過于黏稠從而導(dǎo)致拌合物的坍落度降低[4]。

(2)在C50、C60混凝土中,由于混凝土強(qiáng)度高、水膠比較低,所用膠凝材料較多,而高強(qiáng)混凝土的單方用水量往往也較低,因此混凝土往往比較黏稠。而石粉的加入必然會(huì)消耗一部分水分,造成漿體的黏度增大,從而導(dǎo)致拌合物坍落度的降低。

2.2 石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響分析

通過控制機(jī)制砂內(nèi)石粉含量,對(duì)施工中常用的四種類型混凝土強(qiáng)度進(jìn)行抗壓強(qiáng)度影響測試。試驗(yàn)條件:溫度(20±2)℃、濕度>50%。主要試驗(yàn)設(shè)備:混凝土攪拌機(jī)HJW-60、數(shù)控磁力振動(dòng)臺(tái)(1×1)m2、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室WSM-Ⅲ(20±2)℃、≥95%RH、液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)YA-2000C、坍落度筒100 mm×200 mm×300 mm 。

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過固定每種混凝土配合比,只調(diào)整機(jī)制砂中的石粉含量,拌合物工作性試驗(yàn)結(jié)果如表2所示:

表2 7 d、28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表2中試驗(yàn)結(jié)果顯示:對(duì)于C30、C40和C50混凝土,在一定的石粉含量范圍內(nèi),混凝土的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度隨著石粉含量的增加而增大,超過一定范圍后混凝土的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度都有所降低。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,C30的最佳石粉含量為15%,C40的最佳石粉含量為10%,C50的最佳石粉含量為5%,大于或小于最佳石粉含量,混凝土的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度都會(huì)降低。對(duì)于C60高強(qiáng)混凝土,其7 d和28 d強(qiáng)度都會(huì)隨著石粉含量的增加而有所降低。

2.2.2 原因分析

石粉在混凝土中的作用有以下幾個(gè)方面:(1)微集料效應(yīng):石粉顆粒能夠填充混凝土內(nèi)部孔隙,增加密實(shí)程度,改善“次中心區(qū)過渡層”的結(jié)構(gòu),有利于混凝土強(qiáng)度的提高[5]。(2)晶核作用:石粉顆?？梢源龠M(jìn)水泥中硅酸三鈣和鋁酸三鈣的水化,使水化產(chǎn)物增多而提高強(qiáng)度。(3)水化增強(qiáng)作用:石粉中的碳酸鈣能夠與鋁酸三鈣發(fā)生反應(yīng),阻止鈣礬石向單硫型水化硫鋁酸鈣轉(zhuǎn)化,促進(jìn)了水泥水化產(chǎn)物之間相互連接,使水泥石結(jié)構(gòu)更加致密,從而提高混凝土的強(qiáng)度。但是當(dāng)石粉含量超過一定范圍時(shí),石粉顆粒會(huì)對(duì)混凝土的微觀結(jié)構(gòu)造成破壞,或使混凝土膠骨比偏離最佳值,從而造成強(qiáng)度的降低?；炷林心z凝材料和石粉的比例決定了石粉的哪種效應(yīng)發(fā)揮主要作用。這就會(huì)導(dǎo)致不同混凝土配合比的最佳石粉含量會(huì)隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而逐漸降低。而對(duì)于C60高強(qiáng)混凝土而言,由于其膠凝材料較多,且為了保證其強(qiáng)度,已經(jīng)將混凝土中的各組分按最佳密實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了充分設(shè)計(jì),石粉的加入破壞了混凝土的密實(shí)結(jié)構(gòu),因而對(duì)于高強(qiáng)混凝土,其抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著石粉含量的增加而逐漸降低。

2.3 混凝土電通量隨石粉含量的變化規(guī)律

機(jī)制砂對(duì)混凝土耐久性研究。試驗(yàn)條件:溫度(20±2)℃、濕度>50%。主要試驗(yàn)設(shè)備:混凝土真空抽氣飽水機(jī)NJ-BSJ、氣壓直讀式混凝土含氣量測定儀CA-3、氯離子含量快速測定儀NJCL-B。

2.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

采用試驗(yàn)分析C30、C40、C50、C60機(jī)制砂混凝土中,機(jī)制砂中不同石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土耐久性的影響,試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出:石粉含量不同時(shí),C30和C40電通量隨著石粉含量的增加先減小后增大,當(dāng)機(jī)制砂石粉含量為15%時(shí),C30混凝土電通量最低;當(dāng)機(jī)制砂石粉含量為10%時(shí),C40混凝土電通量最低,即混凝土的抗氯離子滲透性能最好。對(duì)于C50和C60混凝土,隨著機(jī)制砂石粉含量的增加,混凝土電通量波動(dòng)范圍較小。對(duì)于C50混凝土,當(dāng)機(jī)制砂石粉含量為5%時(shí),混凝土電通量最低,抗氯離子滲透性最好;對(duì)于C60混凝土,隨著石粉含量的增大,混凝土電通量略微降低。

表3 混凝土電通量試驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 原因分析

強(qiáng)度較低的混凝土其水膠比大,膠凝材料用量較少,造成水泥水化后混凝土內(nèi)部存在較多的微小孔隙,使混凝土的滲透性增大。石粉含量的增加,使混凝土中漿體體積增大,使得混凝土內(nèi)部孔隙得到填充,細(xì)化了砼內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),使混凝土的堆積密度得到提高,從而提高了混凝土的抗?jié)B透性能。混凝土各組分存在一個(gè)最優(yōu)漿骨比,使得混凝土達(dá)到最密實(shí)結(jié)構(gòu),石粉含量超過一定范圍會(huì)造成混凝土漿體體積過大,破壞了其密實(shí)結(jié)構(gòu),從而造成砼抗氯離子滲透性能降低。對(duì)于高強(qiáng)度混凝土而言,由于其膠凝材料占比高,水膠比低,混凝土中本身連通的毛細(xì)孔隙較少,混凝土中的各組分之間能夠相互填充,使混凝土結(jié)構(gòu)處于致密狀態(tài),石粉含量的增加,一定程度上破壞了內(nèi)部良好的結(jié)構(gòu),因此混凝土抗氯離子滲透性能會(huì)有一定幅度的降低。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

(1)機(jī)制砂的亞甲藍(lán)值MB<1.4,同時(shí)在控制泥塊含量的前提下,石粉在一定的范圍內(nèi)對(duì)混凝土的性能提升是有利的。對(duì)于C30混凝土,機(jī)制砂中的最佳石粉含量為15%,C40混凝土最佳石粉含量為10%,C50混凝土最佳石粉含量為5%時(shí)混凝土流動(dòng)性最好。當(dāng)石粉含量超過一定范圍會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性的降低,為保證混凝土的流動(dòng)性必然增加減水劑摻量,從而導(dǎo)致混凝土單方成本的增加,因此使用過程中要綜合考慮機(jī)制砂質(zhì)量和減水劑對(duì)混凝土成本的影響。

(2)在混凝土中石粉可以發(fā)揮微集料填充效應(yīng),增加水泥石的密實(shí)度,改善“次中心區(qū)過渡層”的結(jié)構(gòu),有利于混凝土強(qiáng)度的提高。對(duì)于不同強(qiáng)度等級(jí),混凝土存在一個(gè)最優(yōu)石粉含量。對(duì)于C60高強(qiáng)混凝土其抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著石粉含量的增加而逐漸降低。

(3)對(duì)于低強(qiáng)度混凝土,適量含量的石粉可以改善混凝土硬化后的孔隙結(jié)構(gòu),從而提高混凝土的密實(shí)性,提高混凝土的抗氯離子滲透性能。對(duì)于高強(qiáng)混凝土,石粉含量的增加會(huì)造成混凝土抗氯離子滲透性能輕微的降低。

(4)機(jī)制砂在實(shí)際生產(chǎn)過程中不可避免地會(huì)引入泥塊和泥粉,因此在實(shí)際應(yīng)用過程中對(duì)于綠色替代C30及以下的混凝土石粉含量應(yīng)控制在3%～15%,對(duì)于綠色替代C50及以下混凝土石粉含量應(yīng)控制在3%～10%,對(duì)于綠色替代C60及以上高強(qiáng)混凝土石粉含量應(yīng)控制在5%以下。

(5)以本研究混凝土配合比綜合砂率在40%為例,在我國東南沿海一帶,天然河沙單價(jià)在180元/t左右,機(jī)制砂單價(jià)在120元/t左右,機(jī)制砂替代天然河沙一方混凝土節(jié)約成本40元/t,僅2019年一年內(nèi)我國生產(chǎn)使用混凝土20多億立方,所以全面推廣機(jī)制砂的應(yīng)用有著廣闊的市場。

3 結(jié)論

通過上述試驗(yàn)研究,針對(duì)不同性能混凝土,使機(jī)制砂石粉含量控制在一定范圍內(nèi),機(jī)制砂可以完全替代天然河砂,制成綠色混凝土,并應(yīng)用到建筑實(shí)體當(dāng)中。這不僅可以解決部分建筑廢料循環(huán)利用的問題,同時(shí)也可以減少運(yùn)輸量和天然砂使用量,達(dá)到節(jié)能減排的目的。

混凝土行業(yè)向循環(huán)利用綠色化發(fā)展已經(jīng)是一種共識(shí)。為了使混凝土生產(chǎn)向綠色化轉(zhuǎn)變,要堅(jiān)持綠色升級(jí)發(fā)展理念,以科學(xué)技術(shù)為核心推動(dòng)力,通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理在綠色環(huán)保的路徑上形成突破;要加快落后產(chǎn)能的更新?lián)Q代,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)行業(yè)創(chuàng)新活力,實(shí)現(xiàn)整體混凝土行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級(jí),建設(shè)綠色商品砼攪拌站,并樹立綠色節(jié)能生產(chǎn)形象。