石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土工作性能的影響研究

馬增琦，孫文晉，賴 雄

(1. 廣東云茂高速公路有限公司，廣東 廣州 510635；2. 湖南聯(lián)智科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200；3. 湖南省預(yù)應(yīng)力橋梁質(zhì)量控制工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410200)

原材料的配合比與混凝土工作性能的關(guān)系一直是研究的重點(diǎn)，特別是隨著以河沙為主的天然砂資源供應(yīng)逐漸短缺，機(jī)制砂混凝土得到了廣泛地應(yīng)用與發(fā)展[1-5]。其中，石粉是機(jī)制砂的重要組成部分，學(xué)者們圍繞石粉最佳含量的選取、不同石粉含量與其工作性能和抗壓強(qiáng)度的變化關(guān)系等開展了許多研究和討論。多數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明，與以河砂為主的傳統(tǒng)混凝土相比，選取合適的石粉含量，可提升機(jī)制砂混凝土的和易性、填充混凝土的骨料間隙、提高抗壓強(qiáng)度[6-8]，最佳石粉含量的選取與機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度等級(jí)相關(guān)，且略有不同[9-10]。

本文開展了以石粉等質(zhì)量取代其他原材料用量的機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)研究，對(duì)比分析了不同石粉含量與機(jī)制砂混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的變化關(guān)系，為機(jī)制砂混凝土在施工建設(shè)中的配合比設(shè)計(jì)提供參考。

1 原材料

各種材料性能見表1～表3。

表1 水泥的物理性能比表面積/(m2·kg-1)標(biāo)準(zhǔn)稠度/%凝結(jié)時(shí)間/min初凝終凝安定性抗折強(qiáng)/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa3 d28 d3 d28 d33625.4150193合格6.99.333.253.5

表2 機(jī)制砂主要性能指標(biāo)表觀密度/(kg·m-3)堆積密度/(kg·m-3)孔隙率/%細(xì)度模數(shù)總壓碎值/%石粉含量/%MB值泥塊含量/%2.7361.64639.83.0216.15.00.50

表3 粗集料主要性能指標(biāo)表觀密度/(kg·m-3)堆積密度/(kg·m-3)孔隙率/%壓碎值/%針片狀顆粒含/%含泥量/%泥塊含量/%2.7701.56044.01140.80

1)水泥。P· II 42.5硅酸鹽水泥。

2)細(xì)集料。石粉含量為5%的花崗巖機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.02。

3)粗集料?；◢弾r，比例為m(5～10 mm)∶m(10～20 mm)=20%∶80%。

4)外加劑。緩凝型聚羧酸高性能外加劑，減水率為27%。

5)石粉。機(jī)制砂生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)干法除粉設(shè)備收集到的石粉，其巖性跟母巖一致。

2 試驗(yàn)方法

2.1 石粉等質(zhì)量取代機(jī)制砂

固定一組混凝土配合比，用不同的石粉質(zhì)量等量取代機(jī)制砂，對(duì)比分析該配合比下機(jī)制砂混凝土中不同的石粉含量與其工作性能和抗壓強(qiáng)度的變化關(guān)系。選取的配合比為m水泥∶m機(jī)制砂∶m碎石(5～10 mm)∶m碎石(10～20 mm)∶m水=440∶702∶219∶878∶161。其中，機(jī)制砂混凝土的各項(xiàng)內(nèi)容均按《廣東省公路工程機(jī)制砂水泥混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GDJTG/TB01—2017)[11]進(jìn)行設(shè)計(jì)和配制。

2.2 石粉等質(zhì)量取代水泥

固定一組混凝土配合比，用石粉等質(zhì)量取代水泥，對(duì)比分析石粉等質(zhì)量取代水泥與機(jī)制砂混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度的變化關(guān)系。試驗(yàn)選取花崗巖機(jī)制砂，初始石粉含量為11%，細(xì)度模數(shù)2.91，配合比為m水泥∶m機(jī)制砂∶m碎石(5～10 mm)∶m碎石(10～20 mm)∶m水=440∶702∶219∶878∶161。

2.3 機(jī)制砂等質(zhì)量取代水泥

根據(jù)規(guī)范[11]中6.2.1配合比設(shè)計(jì)“基本要求”的條文說(shuō)明，“機(jī)制砂制備的混凝土中往往含有一定的石粉，在混凝土中可發(fā)揮填料的作用，對(duì)于高水灰比混凝土，可以大幅度降低滲透系數(shù)，如果采用機(jī)制砂制備混凝土，可采用最大水粉比來(lái)要求”。設(shè)置一組基準(zhǔn)配合比，保持單方混凝土中粉體含量、水粉比及用水量一致，水泥用量等于基準(zhǔn)配合比中的水泥用量減去機(jī)制砂中石粉含量超過(guò)4%的部分，對(duì)比分析機(jī)制砂中用于起膠凝作用的石粉等質(zhì)量取代水泥與混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的變化關(guān)系。選取的基準(zhǔn)配合比為m水泥∶m機(jī)制砂∶m碎石∶m水=380∶730∶1 143∶167。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 石粉用量等質(zhì)量取代機(jī)制砂

為了分析C40機(jī)制砂混凝土中不同石粉含量與其工作性能和抗壓強(qiáng)度的變化關(guān)系，按2.1節(jié)所示進(jìn)行配比，共配置4組C40機(jī)制砂混凝土進(jìn)行試驗(yàn)分析，具體數(shù)值如表4所示。其中，A-1為石粉含量5.0%的C40機(jī)制砂混凝土配比用量；通過(guò)使用等質(zhì)量的石粉取代機(jī)制砂用量，可得到石粉含量依次為7%、10%和12%的3組機(jī)制砂混凝土配比用量，分別記為A-2、A-3和A-4，其水泥、碎石用量及用水量均與A-1保持一致。對(duì)比分析4組機(jī)制砂混凝土的工作性能及7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。圖1為抗壓強(qiáng)度隨石粉含量變化折線圖。

表4 不同石粉含量的C40機(jī)制砂混凝土配合比試驗(yàn)編號(hào)機(jī)制砂中石粉含量/%原材料用量/(kg·m-3)水泥機(jī)制砂石粉取代機(jī)制砂質(zhì)量/kg碎石(5～10)mm碎石10～20 mm水外加劑A-1544070202198781613.96A-27440688142198781614.40A-310440667352198781615.28A-412440653492198781615.72

表5 不同石粉含量的機(jī)制砂對(duì)C40機(jī)制砂混凝土性能的影響混凝土配比坍落度/mm擴(kuò)展度/mm工作性能描述強(qiáng)度/MPa7 d28 dA-1160420包裹性差、離析、泌水、粘聚性差、流動(dòng)性差51.556.8A-2195490包裹性好、略泌水、粘聚性中、流動(dòng)性好52.457.3A-3185420包裹性好、粘聚性好、流動(dòng)性好53.962.1A-4200490包裹性好、黏稠、流速慢53.057.4

圖1 C40機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度隨石粉含量的變化

結(jié)合表4、表5和圖1，對(duì)4組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，在試驗(yàn)選取的相同機(jī)制砂混凝土配合比中，石粉含量的逐漸增大使C40機(jī)制砂混凝土的工作性能產(chǎn)生較大改變。如圖表所示，在該配合比下的石粉含量取值達(dá)到10%時(shí)，機(jī)制砂混凝土的工作性能與抗壓強(qiáng)度最好。當(dāng)石粉含量較低時(shí)，混凝土拌合物的稠度和粘聚性較差，提升石粉含量可使其逐漸增大，保水性也隨之加強(qiáng)，有效改善了離析現(xiàn)象和泌水現(xiàn)象。當(dāng)石粉含量偏高時(shí)，機(jī)制砂混凝土的工作性能表現(xiàn)為包裹性好、黏稠、流速慢，分析其原因，石粉含量不斷增加的同時(shí)，會(huì)使混凝土固體表面積增大，所需的用水量增加，導(dǎo)致混凝土拌合物的流動(dòng)性較差，工作性能下降。機(jī)制砂混凝土的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度也與石粉含量變化相關(guān)，石粉含量達(dá)10%時(shí),7 d強(qiáng)度達(dá)到53.9 MPa，28 d強(qiáng)度達(dá)到62.1 MPa；如石粉含量繼續(xù)增加，抗壓強(qiáng)度開始下降。說(shuō)明在此配合比下石粉含量為10%時(shí)該機(jī)制砂抗壓強(qiáng)度效果最好。

3.2 石粉等質(zhì)量取代水泥用量

為研究不同用量石粉等質(zhì)量取代水泥與C40機(jī)制砂混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的變化關(guān)系，以石粉含量為11.0%的C40機(jī)制砂混凝土為基礎(chǔ)，確定機(jī)制砂用量、碎石用量及用水量不變，通過(guò)采取石粉等質(zhì)量取代水泥的方式，開展對(duì)照試驗(yàn)。試驗(yàn)共配置4組C40機(jī)制砂混凝土進(jìn)行對(duì)比分析，第1組為正常配合比下的機(jī)制砂混凝土，后3組為石粉用量分別以2%、3.7%、5%等質(zhì)量取代水泥的機(jī)制砂混凝土，分別表示為C-1、C-2、C-3、C-4，具體試驗(yàn)數(shù)值如表6所示。表7為不同用量石粉等質(zhì)量替換水泥對(duì)C40機(jī)制砂混凝土性能的影響和7、28 d抗壓強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果。圖2為抗壓強(qiáng)度與石粉取代水泥量的關(guān)系。

圖2 抗壓強(qiáng)度與石粉取代水泥量的關(guān)系

結(jié)合表6、表7可知，石粉取代量的改變對(duì)機(jī)制砂混凝土流動(dòng)性的強(qiáng)弱影響較大。由于石粉的存在相當(dāng)于提供了微滾珠功能，使得混凝土內(nèi)部摩擦力減少，稠度逐步上升。對(duì)比表5可知，取代后的混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均比原配合下的強(qiáng)度低，分析其原因，取代后的機(jī)制砂混凝土中水泥用量減少，使得各集科間的粘聚力下降，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度偏低。

表6 不同石粉質(zhì)量等量取代水泥的C40機(jī)制砂混凝土配合比混凝土配比石粉取代水泥量/%原材料用量/(kg·m-3)水泥石粉機(jī)制砂碎石(5～10 mm)碎石(10～20 mm)水外加劑C-1044007022198781613.96C-22.043287022198781614.40C-33.7425157022198781615.28C-45.0420207022198781615.72

表7 石粉等量取代水泥對(duì)C40機(jī)制砂混凝土性能的影響混凝土配比坍落度/mm擴(kuò)展度/mm工作性能描述強(qiáng)度/MPa7 d28 dC-1190370包裹性好、粘聚性差、流動(dòng)性差50.855.9C-2210450包裹性好、粘聚性好、流動(dòng)性好、黏度適中51.957.3C-3200430包裹性好、粘聚性好、流動(dòng)性好、稍黏51.154.6C-4205410包裹性好、粘聚性好、流動(dòng)性差、黏稠50.053.7

3.3 機(jī)制砂用量等質(zhì)量取代水泥

將機(jī)制砂看成是細(xì)骨料和膠凝材料復(fù)合體系，其中機(jī)制砂石粉含量在4%以下部分看成是常規(guī)砂含量中的粉料，為砂的一部分，確?；炷恋暮鸵仔?；含量超出4%的部分則可當(dāng)成膠凝材料看待，起到降低混凝土中水泥漿孔隙、發(fā)揮膠凝作用。本試驗(yàn)以低水泥用量為目標(biāo)，充分利用機(jī)制砂中超出4%的那部分石粉，并將其看成是膠材體系中的摻合料，以此來(lái)處理高強(qiáng)度等級(jí)水泥配制低強(qiáng)度等級(jí)或大坍落度混凝土?xí)r，混凝土強(qiáng)度富余過(guò)大與和易性較差之間的矛盾。共配置5組C30機(jī)制砂混凝土進(jìn)行對(duì)比分析，第1組為基準(zhǔn)配合比下的機(jī)制砂混凝土，石粉含量為4%，另4組為石粉含量分別為6.1%、10%、12%和14%的機(jī)制砂用量取代水泥用量的機(jī)制砂混凝土。具體試驗(yàn)數(shù)值如表8、表9所示。圖3為抗壓強(qiáng)度與機(jī)制砂石粉含量的關(guān)系。

圖3 抗壓強(qiáng)度與石粉含量的關(guān)系

結(jié)合表8、表9可知，隨著機(jī)制砂等量替代水泥用量的增加，混凝土中石粉用量也隨之增加，機(jī)制砂混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度逐步增強(qiáng)。繼續(xù)增大機(jī)制砂石粉含量，機(jī)制砂超出4%的石粉質(zhì)量逐漸增大，機(jī)制砂替換量逐漸增大，水泥用量逐漸減少，粘聚性和流動(dòng)性變差，抗壓強(qiáng)度下降。

表8 石粉取代不同水泥用量C30機(jī)制砂混凝土配合比混凝土配比石粉取代水泥量/%機(jī)制砂石粉含量/%機(jī)制砂超出4%石粉質(zhì)量/kg水粉比原材料用量/(kg·m-3)水泥機(jī)制砂碎石水外加劑A-10400.443807301 1431673.51A-24.26.1160.443507601 1431673.74A-38.710330.443337771 1431673.80A-417.612670.443177931 1431673.88A-522.414850.442998111 1431673.96

表9 石粉取代不同水泥用量對(duì)C30機(jī)制砂混凝土性能的影響混凝土配比坍落度/mm擴(kuò)展度/mm工作性能描述強(qiáng)度/MPa7 d28 dA-1--離析、泌水36.743.3A-2140350包裹性好、粘聚性差、輕微泌水,流動(dòng)性差38.743.1A-3190430包裹性好、粘聚性好、流動(dòng)性好39.344.5A-4170380包裹性好、粘聚性好、流動(dòng)性良34.339.9A-5135330包裹性好、粘聚性差、流動(dòng)性差32.738.4

4 結(jié)論

采用石粉等質(zhì)量取代機(jī)制砂、水泥以及機(jī)制砂等質(zhì)量取代水泥等3種優(yōu)化方案，開展了機(jī)制砂混凝土工作性能的試驗(yàn)研究，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論，得出如下結(jié)論：

1) 在一定配合比下，當(dāng)石粉含量較低時(shí)，增大石粉含量可有效提高機(jī)制砂混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度，但當(dāng)超過(guò)某一最佳值時(shí) (文中石粉含量最佳值約為10%)，石粉含量若繼續(xù)增加會(huì)起負(fù)作用，降低混凝土的和易性和強(qiáng)度。

2) 用石粉部分替代水泥用量，可使機(jī)械砂混凝土的工作性能得到提升，雖然抗壓強(qiáng)度對(duì)比正常配合比有所下降，但仍能滿足強(qiáng)度要求，證明了該方法的可行性，具體的最佳取代量和最優(yōu)配合比需進(jìn)一步研究。