機(jī)制砂巖性及石粉含量對混凝土性能影響研究

宋德洲，范遠(yuǎn)林，何建國

(浙江交工金筑交通建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310017)

0 前 言

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模巨大，資源和環(huán)境壓力日益增大。作為自然資源的建筑用河砂，由于資源短缺和河道禁采禁挖，正在被機(jī)制砂迅速替代[1]。與天然砂相比，機(jī)制砂含有大量石粉[2]。天然砂級配較均勻且堆積密度較大，而機(jī)制砂級配不合理[3]；天然砂成分多為SiO2，機(jī)制砂成分隨母巖變化，鈣質(zhì)砂或硅質(zhì)砂皆存在。

機(jī)制砂的不規(guī)則形狀和粗糙表面對混凝土有著正反兩個效應(yīng)：一方面，多棱角和粗糙表面導(dǎo)致機(jī)制砂與漿體粘結(jié)更緊密，且顆粒間增加了機(jī)械咬合力，提高了混凝土強(qiáng)度[4-6]；另一方面，較大的比表面積增加了對水的消耗，若用水量相同，則機(jī)制砂拌合物更為干硬，工作性差[2](在實際施工中，工作性較差的混凝土拌合物將直接影響到成品強(qiáng)度)。機(jī)制砂所含石粉一方面可以填充空隙，提高混凝土密實度，增加漿體體積[6-8]，對混凝土的強(qiáng)度、工作性、抗?jié)B性等均有正面效應(yīng)；另一方面，石粉顆粒細(xì)小，擁有巨大的比表面積，會增加用水量，且根據(jù)巖性與細(xì)度不同對減水劑等化學(xué)外加劑存在或多或少的吸附作用[9]，對強(qiáng)度和工作性不利。由于強(qiáng)度及工作性皆與配合比密切相關(guān)，因此上述兩種效應(yīng)哪一方占主導(dǎo)地位應(yīng)與石粉含量及砂率有關(guān)[10]。另外，某些巖性及細(xì)度的石粉具有火山灰活性或堿激發(fā)活性[11-12]，對混凝土的凝結(jié)特性、強(qiáng)度發(fā)展曲線、體積穩(wěn)定性[13]、抗?jié)B性[14]等有著復(fù)雜而重要的影響。

針對以上問題，本文制作了一系列混凝土試件與膠砂試件，在配合比大致相同的情況下，替換部分水泥為石粉，或以機(jī)制砂代替河砂作為細(xì)骨料，或改變石粉摻量，評價其工作性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性，以期得到石粉巖性、機(jī)制砂巖性、石粉摻量等參數(shù)對上述特性的影響。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗原材料

水泥：P·O42.5水泥，性能指標(biāo)見表1；粉煤灰：II級，產(chǎn)地河北，主要性能指標(biāo)如表2所示；細(xì)骨料：河砂和機(jī)制砂(巖性包括凝灰?guī)r、石灰?guī)r、花崗巖和玄武巖四種)，細(xì)度模數(shù)為2.5～2.6；粗骨料：級配碎石，5～10 mm顆粒占比33%，10～25 mm顆粒占比67%，堆積密度1 650 kg/m3；減水劑：廊坊雙森科技有限公司生產(chǎn)的PCA I型聚羧酸減水劑和FDN-C型萘系減水劑；石粉：將礦渣、粉煤灰、凝灰?guī)r、石灰?guī)r和花崗巖分別經(jīng)破碎、粉磨，篩除粒徑大于75μm顆粒，且比表面積不大于250 m2/kg；水：自來水。

表1 水泥主要物理和力學(xué)指標(biāo)

表2 粉煤灰主要性能指標(biāo)

1.2 試驗方案

本課題共設(shè)計了6個系列試驗，具體如下。

試驗一配合比為480 kg/m3水泥，或用72 kg/m3石粉替換等量水泥，165 kg/m3水，735 kg/m3天然砂，1 070 kg/m3碎石，4.8 kg/m3萘系外加劑或2.88 kg/m3聚羧酸系外加劑，以不添加石粉組為參照，用于研究粉煤灰、凝灰?guī)r、石灰?guī)r和花崗巖這4種石粉巖性對萘系或聚羧酸系外加劑效應(yīng)的影響。

試驗二配合比為480 kg/m3水泥，160 kg/m3水，740 kg/m3天然砂或機(jī)制砂，1 120 kg/m3碎石，11.25 kg/m3化學(xué)外加劑，以河砂組為參照，用于研究凝灰?guī)r、凝灰?guī)r、花崗巖和玄武巖這4種巖性對混凝土工作性及強(qiáng)度的影響。

試驗三用于研究不同巖性石粉對礦粉、粉煤灰摻和料效應(yīng)的影響，膠砂試件配合比見表3。

表3 試驗三配合比設(shè)計

試驗四配合比為480 kg/m3水泥，或用72 kg/m3石粉替換等量水泥，148 kg/m3水，720 kg/m3天然砂，1 152 kg/m3碎石，由試驗確定摻量的化學(xué)外加劑，以不添加石粉組為參照，用于研究石粉巖性對混凝土體積穩(wěn)定性的影響。

1.3 試驗方法

1)膠砂試驗：分別按照《礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 51003—2014)和《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法》(GB/T 17671—1999)測定膠砂的工作性能和強(qiáng)度，通過調(diào)整減水劑摻量，保證流動度達(dá)到145～150 mm。

2)混凝土試驗：分別按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2002)和《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)測定混凝土的工作性、強(qiáng)度。最后測試各混凝土試件的坍落度和擴(kuò)展度。

2 結(jié)果與討論

2.1 石粉巖性對減水劑效應(yīng)的影響

加入萘系外加劑時，不同石粉巖性條件下對混凝土坍落度和擴(kuò)展度的影響如圖1(a)、圖1(b)所示。從圖中可以看出，在加入萘系外加劑時，不同石粉巖性對混凝土坍落度和擴(kuò)展度的影響不同：在無摻合料時，坍落度為205 mm；加入凝灰?guī)r會使混凝土的坍落度減小；加入花崗巖會使混凝土的坍落度增大。但是總體來說，不同石粉巖性對坍落度的影響較小，并無明顯差距。相對于坍落度而言，不同石粉巖性對擴(kuò)展度的影響較大：無摻合料時混凝土的擴(kuò)展度為505 mm；加入粉煤灰時擴(kuò)展度增大至535 mm；加入凝灰?guī)r時擴(kuò)展度減小為500 mm；加入石灰?guī)r時擴(kuò)展度未發(fā)生改變；加入花崗巖時擴(kuò)展度為525 mm。

加入聚羧酸系外加劑時，不同石粉巖性條件下對混凝土坍落度和擴(kuò)展度的影響如圖1(c)、圖1(d)所示。從圖中可以看出，不同石粉巖性對混凝土坍落度和擴(kuò)展度的影響不同：在無摻合料時坍落度為210 mm；加入凝灰?guī)r和花崗巖時坍落度略有減?。患尤胧?guī)r時坍落度未發(fā)生變化；加入粉煤灰時坍落度略有增大。但是總體來說，不同石灰?guī)r性對坍落度的影響較小，并無明顯差距。相對坍落度而言，不同石粉巖性對擴(kuò)展度的影響較大：無摻合料時擴(kuò)展度為470 mm；加入粉煤灰時擴(kuò)展度增大至510 mm；加入凝灰?guī)r時擴(kuò)展度為495 mm；加入石灰?guī)r時擴(kuò)展度為480 mm；加入花崗巖時擴(kuò)展度為495 mm。

(a)加入萘系外加劑時混凝土坍落度

(b)加入萘系外加劑時混凝土擴(kuò)展度

(c)加入聚羧酸系外加劑時混凝土坍落度

(d)加入聚羧酸系外加劑時混凝土擴(kuò)展度

綜合以上數(shù)據(jù)可以看出，從坍落度的角度來看，石粉巖性對兩種減水劑(萘系外加劑和聚羧酸系外加劑)的效應(yīng)發(fā)揮影響不大。而從擴(kuò)展度的角度來看，石粉巖性對減水劑的效應(yīng)發(fā)揮影響較大，具體表現(xiàn)為粉煤灰石粉會顯著增大擴(kuò)展度，花崗巖石粉次之，凝灰?guī)r石粉對萘系外加劑無影響，而對聚羧酸系外加劑有增強(qiáng)作用，石灰?guī)r石粉對二者影響皆小，可忽略不計。

2.2 機(jī)制砂巖性對混凝土工作性及強(qiáng)度的影響

機(jī)制砂巖性不同時，混凝土試件坍落度和擴(kuò)展度如圖2所示。從圖中可以看出，機(jī)制砂巖性不同時，混凝土坍落度和擴(kuò)展度差距較大：細(xì)集料為河砂時坍落度為210 mm，擴(kuò)展度為535 mm；細(xì)集料為凝灰?guī)r時坍落度僅為165 mm(較河砂下降21%)，擴(kuò)展度僅為430 mm(較河砂下降20%)；細(xì)集料為石灰?guī)r或玄武巖時，坍落度和擴(kuò)展度也有不同程度的減小，其中玄武巖減幅大于石灰?guī)r；當(dāng)細(xì)集料為花崗巖時，坍落度略有減小，擴(kuò)展度反而略有增加(增減幅均不到5%，可忽略)。

(a)不同機(jī)制砂巖性混凝土坍落度

(b)不同機(jī)制砂巖性混凝土擴(kuò)展度

對比河砂與三種機(jī)制砂(凝灰?guī)r、石灰?guī)r和玄武巖)的試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)用機(jī)制砂替換河砂會導(dǎo)致混凝土工作性下降，這可能是因為機(jī)制砂表面織構(gòu)凹凸不平，顆粒比表面積較大，對減水劑和自由水的吸附面較大，造成用于流動的自由水減少，且凹凸的表面織構(gòu)也增加了顆粒之間的摩擦，能夠阻礙砂漿的流動。對比4種機(jī)制砂試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)機(jī)制砂總體上優(yōu)于硅質(zhì)機(jī)制砂，這可能是因為鈣質(zhì)機(jī)制砂石粉吸附性低，展現(xiàn)出良好的分散性。對比圖2與圖1，可以發(fā)現(xiàn)僅替換不同巖性的石粉對坍落度與擴(kuò)展度影響不大，而替換細(xì)骨料為機(jī)制砂則顯著影響這兩項參數(shù)，由此可知影響混凝土工作性的關(guān)鍵因素在于機(jī)制砂巖性，次要因素在于石粉巖性。

機(jī)制砂巖性不同時，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度如圖3所示。以河砂混凝土為參照(3 d的抗壓強(qiáng)度為41.7 MPa，28 d的抗壓強(qiáng)度為60.1 MPa)，玄武巖混凝土的抗壓強(qiáng)度最高(3 d的抗壓強(qiáng)度為48.7 MPa，28 d的抗壓強(qiáng)度為68.9 MPa，較河砂組分別提高了17%和15%)，其次為花崗巖(3 d的抗壓強(qiáng)度為47.6 MPa，28 d的抗壓強(qiáng)度為66.8 MPa，較河砂組分別提高了14%和11%)，凝灰?guī)r和石灰?guī)r強(qiáng)度最小(3 d的抗壓強(qiáng)度分別為43.3 MPa、42.1 MPa，28 d的抗壓強(qiáng)度分別為63.8 MPa、60.4 MPa，較河砂組提高幅度均不超過5%)。

(a)3 d抗壓強(qiáng)度

(b)28 d抗壓強(qiáng)度

綜合以上數(shù)據(jù)可知，機(jī)制砂巖性對混凝土抗壓強(qiáng)度存在提高的趨勢，這可能是因為機(jī)制砂較河砂表面織構(gòu)更為粗糙，提高了水泥漿體與細(xì)骨料之間的粘結(jié)力，且機(jī)制砂石粉含量大于河砂，可以充實空隙而提高密實度；此種提高程度與機(jī)制砂巖性有關(guān)，這可能是因為巖性不同的機(jī)制砂表面織構(gòu)、石粉吸附性不同，造成細(xì)骨料界面過渡區(qū)的堅實度不同；另外，巖石組成、風(fēng)化程度、雜質(zhì)的種類和含量、孔隙率和孔結(jié)構(gòu)也會影響到試驗結(jié)果。

2.3 石粉巖性對摻合料效應(yīng)的影響

3種不同巖性石粉對粉煤灰摻合料合礦粉摻合料效應(yīng)的影響如圖4所示。從圖4可以看出，在使用粉煤灰摻合料時，凝灰?guī)r試件組在3 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為14.4 MPa和37.7 MPa，石灰?guī)r試件組在3 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為17.4 MPa和43.4 MPa，花崗巖試件組在3 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為21.8 MPa和44.3 MPa；在使用礦粉摻合料時，凝灰?guī)r試件組在3 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為15.2 MPa和47.7 MPa(相較于同等情況的粉煤灰摻合料試件組提升了5%和26%)，石灰?guī)r試件組在3 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為19.4 MPa和62.1 MPa(相較于同等情況的粉煤灰摻合料試件組提升了11%和43%)，花崗巖試件組在3 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為22.5 MPa和56.0 MPa(相較于同等情況的粉煤灰摻合料試件組提升了3%和26%)。

從縱向來看，三種不同巖性機(jī)制砂所配膠砂的抗壓強(qiáng)度隨齡期變化規(guī)律基本一致。在同一幅圖中橫向比較則可以發(fā)現(xiàn)同齡期抗壓強(qiáng)度隨石粉巖性不同而變化，這可能是因為各巖性石粉特性不同而導(dǎo)致了界面過渡區(qū)的黏結(jié)強(qiáng)度及試塊勻質(zhì)性不同，其中鈣質(zhì)石粉好于硅質(zhì)石粉，這可能是因為前者吸附性低、分散性好而使得膠砂勻質(zhì)性好、缺陷較少。對比圖4(a)和圖4(b)，可以看出相對粉煤灰摻合料而言，礦粉摻合料對于石灰?guī)r膠砂更為敏感，即石灰?guī)r石粉能夠?qū)ΦV粉摻合料效果有明顯的促進(jìn)作用。

(a)使用粉煤灰摻合料的膠砂抗壓強(qiáng)度

(b)使用礦粉摻合料的膠砂抗壓強(qiáng)度

2.4 石粉巖性對混凝土體積穩(wěn)定性的影響

不同石粉巖性條件下的混凝土塑性開裂情況與干縮情況如圖5所示。從圖5(a)可以看出，混凝土試件第一條裂縫出現(xiàn)時間按順序排列分別為凝灰?guī)r(368 min)、石灰?guī)r(389 min)、礦粉(487 min)、花崗巖(532 min)、粉煤灰(995 min)試件組。這可能是因為粉煤灰參與水化反應(yīng)的速度和程度遠(yuǎn)低于水泥，促使化學(xué)收縮降低；且密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水泥，促使以塑性沉降為主的塑性收縮減??；另外，摻有粉煤灰石粉的水泥漿體臨界半徑以相對較緩速率遞減，毛細(xì)管負(fù)壓增加的速度和程度均減小，降低了塑性開裂的風(fēng)險。而凝灰?guī)r石粉火山灰活性較高，且密度較大，導(dǎo)致了與上述機(jī)理相反的效應(yīng)。

從圖5(b)可以看出，干縮率由低往高排列依次是粉煤灰、花崗巖、石灰?guī)r、凝灰?guī)r試件組。干縮現(xiàn)象是由于混凝土終凝后水分向環(huán)境蒸發(fā)散失或水泥繼續(xù)水化，使毛細(xì)管中液面變凹，毛細(xì)管張力增大而導(dǎo)致混凝土宏觀體積收縮。摻入粉煤灰后，一方面由于水化反應(yīng)慢，會減緩混凝土中相對濕度的下降速度，另一方面其火山灰效應(yīng)能產(chǎn)生更多C-S-H凝膠，減少凝膠水的散失，降低混凝土收縮變形。而凝灰?guī)r石粉的火山灰活性較強(qiáng)，會加速水分消耗，引起干縮。綜上所述，在混凝土中摻入一定比例的粉煤灰石粉能改善體積穩(wěn)定性；而摻入凝灰?guī)r石粉的混凝土體積穩(wěn)定性不佳。

(a)石粉巖性對混凝土塑性開裂影響

(b)石粉巖性對混凝土干燥收縮的影響

3 結(jié) 論

1)從坍落度的角度來看，石粉巖性對兩種減水劑(萘系外加劑和聚羧酸系外加劑)的效應(yīng)發(fā)揮影響不大；從擴(kuò)展度的角度來看，石粉巖性對減水劑的效應(yīng)發(fā)揮影響較大，具體表現(xiàn)為粉煤灰石粉會顯著增大擴(kuò)展度，花崗巖石粉次之，凝灰?guī)r石粉對萘系外加劑無影響，而對聚羧酸系外加劑有增強(qiáng)作用，石灰?guī)r石粉對二者影響皆小，可忽略不計。

2)用機(jī)制砂替換河砂會導(dǎo)致混凝土工作性下降。鈣質(zhì)機(jī)制砂總體上優(yōu)于硅質(zhì)機(jī)制砂。影響混凝土工作性的關(guān)鍵因素在于機(jī)制砂巖性，次要因素在于石粉巖性。機(jī)制砂巖性對混凝土抗壓強(qiáng)度存在提高的趨勢。

3)三種不同巖性機(jī)制砂所配膠砂的抗壓強(qiáng)度隨齡期變化規(guī)律基本一致。膠砂同齡期抗壓強(qiáng)度隨石粉巖性不同而變化，其中鈣質(zhì)石粉好于硅質(zhì)石粉。石灰?guī)r石粉能夠?qū)ΦV粉摻和料效果有明顯的促進(jìn)作用。

4)不同巖性石粉對混凝土體積穩(wěn)定性的改善效果順次排列為粉煤灰>花崗巖>石灰?guī)r>凝灰?guī)r。

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