機(jī)制砂石粉含量對(duì)水工混凝土性能的影響研究

吳爭(zhēng)兵，李建強(qiáng)

（運(yùn)城市水利工程建設(shè)局有限公司，山西 運(yùn)城 044000）

混凝土具有可塑性良好、抗壓強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于水利工程建設(shè)中。砂作為混凝土中的細(xì)骨料，用量非常大?；炷僚渲浦屑?xì)骨料（砂）主要來源是天然砂和機(jī)制砂，隨著生態(tài)環(huán)境保護(hù)的不斷加強(qiáng)，機(jī)制砂在水工混凝土中的應(yīng)用將會(huì)不斷增加。機(jī)制砂在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生一定量的石粉，石粉含量是機(jī)制砂區(qū)別于天然砂的顯著質(zhì)量指標(biāo)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，基于生產(chǎn)工藝因素，機(jī)制砂的石粉含量變化范圍也比較大（一般在5%～22%），并且不同石粉含量的機(jī)制砂配制成的混凝土性能差異也比較明顯[1]。按照C30混凝土的配合比，用不同石粉含量的機(jī)制砂進(jìn)行試拌配制，選擇合理的配合比進(jìn)行C30混凝土試塊拌和，通過對(duì)7d和28d混凝土試塊進(jìn)行各項(xiàng)性能指標(biāo)檢測(cè)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析研究，得出不同石粉含量機(jī)制砂對(duì)水工C30混凝土性能的影響，為機(jī)制砂水工混凝土在水利工程建設(shè)中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)概況

為了分析不同石粉含量對(duì)水工混凝土的水膠比、抗壓強(qiáng)度、軸心抗拉、劈裂拉伸強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度及干縮性等性能的影響，結(jié)合山西省運(yùn)城市地方材料的實(shí)際情況，在運(yùn)城市潤(rùn)海工程檢測(cè)有限公司混凝土性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)不同石粉含量（8.9%、14.2%、20.5%）機(jī)制砂制成的水工混凝土進(jìn)行了立方體試塊配制、養(yǎng)護(hù)，每組試塊的數(shù)量、尺寸（150mm×150mm×150mm）、養(yǎng)護(hù)時(shí)間均符合相關(guān)規(guī)范要求。對(duì)不同石粉含量的混凝土試塊進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、彈性模量試驗(yàn)、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、軸向拉伸試驗(yàn)、干縮試驗(yàn)、抗?jié)B性試驗(yàn)、抗凍性試驗(yàn)、抗氯離子滲透性試驗(yàn)。試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL/T352-2020）及《水工混凝土施工規(guī)范》（SL677-2014）規(guī)范進(jìn)行。

1.2 原材料參數(shù)

（1）細(xì)骨料。試驗(yàn)所用機(jī)制砂（細(xì)骨料）采用山西省運(yùn)城市三路里鎮(zhèn)生產(chǎn)的人工砂Ⅱ區(qū)級(jí)配砂，細(xì)度模數(shù)為3.0～2.3，經(jīng)人工調(diào)配，制成石粉含量為6%～12%（9%左右）、12%～18%（15%左右）及18%～22%（20%左右）三種不同石粉含量的細(xì)骨料，檢測(cè)機(jī)制砂主要性能指標(biāo)見表1。

表1 機(jī)制砂（細(xì)骨料）主要性能指標(biāo)

由于在市場(chǎng)上采購(gòu)不到水利工程用的20～40mm粗骨料，故粗骨料選用運(yùn)城市三路里鎮(zhèn)生產(chǎn)的粒徑5～31.5mm的連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，檢測(cè)其主要性能指標(biāo)見表2。

表2 粗骨料主要性能指標(biāo)

（2）水泥。水泥是混凝土中最重要的組成材料，水泥的選擇直接關(guān)系到混凝土的耐久性和經(jīng)濟(jì)性。本次混凝土試塊選用威頓水泥集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)城分公司生產(chǎn)的P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，經(jīng)過檢驗(yàn)合格，試驗(yàn)所用水泥主要性能指標(biāo)見表3。

表3 水泥的主要性能指標(biāo)

（3）外加劑。粉煤灰選用伊敏電廠C類Ⅰ級(jí)粉煤灰，并經(jīng)檢測(cè)合格，粉煤灰主要性能見表4。外加劑選用中電建產(chǎn)“聚砼”牌聚羧酸高性能減水劑與引氣劑，并經(jīng)檢測(cè)合格。水為自來水。

表4 粉煤灰的主要性能指標(biāo)

1.3 配合比試拌方案

為了比對(duì)分析不同石粉含量的機(jī)制砂，對(duì)水工混凝土C30W6F200的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B強(qiáng)度、抗凍強(qiáng)度的影響，在排除其他因素的影響進(jìn)行混凝土拌和時(shí)，將不同石粉含量混凝土拌合物坍落度控制在90～110mm，粉煤灰摻量控制在20%，摻減水劑、引氣劑，將含氣量控制在5.5%±1.0%，抗?jié)B、抗凍均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。按絕對(duì)體積法計(jì)算各組成材料用量，按照水膠比為0.40、0.45、0.50、0.55設(shè)計(jì)四組試驗(yàn)，每組進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B強(qiáng)度、抗凍強(qiáng)度3個(gè)指標(biāo)測(cè)試。

1.4 配合比選擇

根據(jù)表5列的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)試配，得出不同石粉含量條件下的石灰石機(jī)制砂水工混凝土7d和28d抗壓強(qiáng)度與水膠比關(guān)系見圖1。

圖1 不同石粉含量下的混凝土抗壓強(qiáng)度與水膠比的關(guān)系

在分析試配試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，選擇出的不同石粉含量C30W6F200混凝土配合比見表5。

表5 C30W6F200混凝土配合比表

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 石粉含量對(duì)水工混凝土抗壓強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度的影響

圖2為不同水膠比條件下石粉含量對(duì)石灰石機(jī)制砂水工混凝土28d抗壓強(qiáng)度的影響。由圖中可看出，（1）對(duì)于不同水膠比的機(jī)制砂水工混凝土，隨石粉含量的增加，立方體混凝土抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)；當(dāng)石粉含量約為14.2%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。其主要原因是由于石粉粒徑≤0.075mm，可以對(duì)水工混凝土骨料間的空隙起到有效的填充作用，從而完善細(xì)骨料的級(jí)配，提高混凝土的密實(shí)性[2]；同時(shí)因?yàn)槭鄣牧捷^小，會(huì)在混凝土泥漿內(nèi)產(chǎn)生微集料效應(yīng)，使得其結(jié)構(gòu)變?yōu)闈{—集料界面結(jié)構(gòu)，其晶核效應(yīng)會(huì)促進(jìn)水泥的水化過程，從而提高混凝土的強(qiáng)度。雖然適量的石粉含量能夠增加機(jī)制砂的比表面積，改善混凝土的和易性，能吸附拌合物中的自由水，減少泌水。但是當(dāng)石粉含量超過一定值后，游離態(tài)的石粉含量增多，在水泥石或界面過渡區(qū)存在過多石粉，將不利于集料與水泥石的粘結(jié)[3]，會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度。（2）對(duì)于同一種石粉含量，混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增加而降低。

圖2 不同水膠比條件下石粉含量與石灰石機(jī)制砂水工混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖3為不同石粉含量對(duì)石灰石機(jī)制砂水工混凝土軸心抗拉強(qiáng)度的影響。由圖中可以看出，石粉含量在8.9%～14.2%時(shí)，混凝土軸心抗拉強(qiáng)度隨著石粉含量的增加而呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；石粉含量在14.2%～20.5%時(shí)，混凝土軸心抗拉強(qiáng)度隨著石粉含量的增加，呈降低趨勢(shì)。其主要原因是石粉顆粒粒徑較小，比表面積遠(yuǎn)大于機(jī)制砂顆粒，漿體的粘滯性會(huì)隨石粉含量增多而增加[4]，從而增加混凝土整體的粘聚性，增加水工混凝土軸心抗拉強(qiáng)度。但是當(dāng)石粉含量增加到某一臨界值時(shí)，由于游離態(tài)惰性石粉過多，降低凝膠材料的反應(yīng)活性，對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度發(fā)展有限制作用。

圖3 石粉含量與石灰石機(jī)制砂水工混凝土軸心抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

2.2 石粉含量對(duì)水工混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值的影響

圖4為不同石粉含量對(duì)石灰石機(jī)制砂C30水工混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。由圖中可知，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨著石粉含量的增加而降低。由于超量的石粉并未參與水泥的水化反應(yīng)，只是起到填充作用，而混凝土橫向剪切力在石粉填充部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)加速降低現(xiàn)象。圖5中石灰石機(jī)制砂C30水工混凝土的極限拉伸值隨著石粉含量的增加而降低，石粉含量從8.9%到20.5%，由于應(yīng)力集中導(dǎo)致極限拉伸值呈降低趨勢(shì)。

圖4 石粉含量與石灰石機(jī)制砂水工混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

圖5 石粉含量與石灰石機(jī)制砂水工混凝土極限拉伸值的關(guān)系

2.3 石粉含量對(duì)水工混凝土抗氯離子滲透的影響

圖6為不同石粉含量對(duì)石灰石機(jī)制砂水工混凝土抗氯離子滲透的影響。由圖中可知，機(jī)制砂石粉含量在8%～20%時(shí)，石灰石機(jī)制砂水工混凝土抗氯離子滲透性隨著石粉含量的增加呈增加趨勢(shì)。當(dāng)石粉適量加入時(shí)，混凝土的抗氯離子滲透能力增強(qiáng)?？孤入x子滲透性變化主要原因是一定量的石粉能夠?qū)炷凉橇祥g的空隙起到填充作用，使得混凝土結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，混凝土均勻性得以改善。

圖6 石粉含量與石灰石機(jī)制砂水工混凝土抗氯離子滲透的關(guān)系

2.4 石粉含量對(duì)水工混凝土干縮率的影響

圖7為不同石粉含量對(duì)石灰石機(jī)制砂水工混凝土干縮率的影響。從圖中可以看出：（1）對(duì)于同一齡期的混凝土試塊，石灰石機(jī)制砂水工混凝土干縮率隨著石粉含量的增加而增加?；炷潦湛s率變化主要原因是石粉比表面積較大，石粉摻入越多，對(duì)水泥漿的收縮約束就越小，從而導(dǎo)致混凝土的干縮率變大。（2）對(duì)于同一石粉含量條件下，隨著石灰石機(jī)制砂水工混凝土齡期延長(zhǎng)，石灰石機(jī)制砂水工混凝土齡期干縮率增大。

圖7 干縮率與石粉含量的關(guān)系

3 試驗(yàn)結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果分析表明，機(jī)制砂中石粉含量對(duì)石灰石機(jī)制砂水工混凝土性能有著明顯的影響：

（1）對(duì)于不同水膠比的石灰石機(jī)制砂水工混凝土，隨石粉含量的增加，立方體混凝土抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)；當(dāng)石粉含量約為14.2%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。

（2）石灰石機(jī)制砂水工混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值隨著石粉含量的增加呈降低趨勢(shì)。

（3）當(dāng)石粉含量在8.9%～14.2%時(shí)，石灰石機(jī)制砂混凝土軸心抗拉強(qiáng)度隨著石粉含量的增加而呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)石粉含量在14.2%～20.5%時(shí)，混凝土軸心抗拉強(qiáng)度隨著石粉含量的增加，呈降低趨勢(shì)。

（4）石灰石機(jī)制砂水工混凝土抗氯離子滲透性、干縮性能隨著石粉含量的增加呈增大趨勢(shì)。

（5）三種石粉含量配制的石灰石機(jī)制砂水工混凝土抗凍、抗?jié)B性能均能滿足要求。

4 結(jié)語

通過對(duì)不同石粉含量下石灰石機(jī)制砂水工混凝土試塊性能影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了石粉含量對(duì)石灰石機(jī)制砂水工混凝土性能的影響與機(jī)理，總結(jié)石粉含量對(duì)石灰石機(jī)制砂水工混凝土性能影響規(guī)律，為水利工程建設(shè)中提高混凝土質(zhì)量提供了技術(shù)參考，為緩解傳統(tǒng)天然砂不足的供需矛盾、保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境，更廣泛地推廣好、應(yīng)用好機(jī)制砂起到積極的促進(jìn)意義，具有一定的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與生態(tài)環(huán)境效益。