石粉含量對(duì)高性能混凝土性能的應(yīng)用研究

趙翔宇

(山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心(有限公司)，山西 太原 030006)

1 引 言

近年來(lái)隨著我國(guó)大基建不斷的發(fā)展，各種原材料資源出現(xiàn)了匱乏的局面，而且各地的價(jià)格不斷的創(chuàng)出新高，其中天然砂表現(xiàn)的尤為突出；而天然砂短缺的另外一個(gè)重要原因就是國(guó)家環(huán)保資源的保護(hù)所致；這樣使得機(jī)制砂的地位在近幾年得到了很大的提高；而石粉只有在確保機(jī)制砂優(yōu)質(zhì)的前提下才能夠更好的使用，在高性能混凝土、高強(qiáng)混凝土中對(duì)于機(jī)制砂的使用在行業(yè)及研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，重點(diǎn)就廣東懷陽(yáng)高速公路西江特大斜拉橋C55混凝土中不同石粉含量對(duì)混凝土的性能進(jìn)行研究。

2 高性能混凝土及石粉的定義和性能要求

2.1 高性能混凝土定義及性能

美國(guó)ACI與NIST最早提出高性能混凝土，對(duì)高性能混凝土提出是優(yōu)于普通混凝土，有穩(wěn)定的強(qiáng)度值，其性能高于普通混凝土且具普通混凝土不具有的性能。高性能混凝土從材料的選用及配合比的設(shè)計(jì)都要嚴(yán)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保其具有好的工作性能、便于施工振搗，同時(shí)高性能混凝土的早期強(qiáng)度要高，并具混凝土體積及性能的穩(wěn)定性；ACI對(duì)該定義所作的解釋是：“高性能混凝土是一種異于普通混凝土特性的拌合物”。針對(duì)此在高層建筑、大跨徑橋梁以及異常環(huán)境下的高性能混凝土其特性顯得尤為突出。

《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS 207：2006)中規(guī)定為：采用常規(guī)材料和工藝生在產(chǎn)，具有混凝土結(jié)構(gòu)所要求各項(xiàng)力學(xué)性能，具有高耐久性、高工作性和高體積穩(wěn)定性的混凝土[1]。其必須具有設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度等級(jí)，在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)必須滿足結(jié)構(gòu)承載和正常使用功能要求。

2.2 高性能混凝土應(yīng)滿足下列一種或幾種技術(shù)要求[1]

(1)水膠比宜取低值；

(2)早期強(qiáng)度(7 d)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的90%;

(3)300次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量大于80%；

(4)膠凝材料強(qiáng)度不得低于52.5。

2.3 機(jī)制砂及石粉定義及性能要求[2]

機(jī)制砂目前涉及的主要料源有花崗巖、玄武巖、正長(zhǎng)巖、片麻巖、石英巖、石灰?guī)r、白云巖、大理巖等十幾種。通過(guò)對(duì)機(jī)制砂的生產(chǎn)來(lái)進(jìn)一步生產(chǎn)石粉；其中機(jī)制砂混凝土施工規(guī)范部分主要參照中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程水泥混凝土用機(jī)制砂》(JT/T 819—2011)。另外也融合了機(jī)制砂研究的最新進(jìn)展，這些內(nèi)容由于尚沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可以參照，采用“在試驗(yàn)成功，建設(shè)方批準(zhǔn)的情況下可采用”的形式提出，旨在促進(jìn)機(jī)制砂的科學(xué)使用，避免資源浪費(fèi)，提高工程建設(shè)質(zhì)量。機(jī)制砂從粒徑來(lái)分析研究，目前規(guī)范及規(guī)程從公稱粒徑來(lái)區(qū)分，粒徑小于5 mm的顆粒。而石粉是在《人工砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 241—2011)中這樣定義，經(jīng)過(guò)人工對(duì)石料的再加工，其公稱粒徑小于80 μm的顆粒物質(zhì)，且該石粉的物理和化學(xué)成分均與破碎的母巖相同；機(jī)制砂中的石粉含量并不是越低越好，適量石粉在機(jī)制砂混凝土中對(duì)工作性、強(qiáng)度、耐磨、耐久性往往有良性作用，如果將石粉含量控制在較大的限值，并不是放低了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系中“地方標(biāo)準(zhǔn)不得低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)”并不違背。

(1)機(jī)制砂的吸水率不得大于3%；單級(jí)最大壓碎值指標(biāo)小于25%；

(2)機(jī)制砂的物理指標(biāo)應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法》(JGJ52—2006)之規(guī)定。

(3)機(jī)制砂混凝土應(yīng)選擇硅酸鹽水泥，水泥等級(jí)宜采用52.5級(jí)水泥；水泥入機(jī)溫度不得高于60 ℃。

(4)機(jī)制砂的顆粒級(jí)配除滿足規(guī)范規(guī)定外，除孔徑4.74 mm、600 μm累計(jì)篩余外，其余孔徑的累計(jì)篩余可以超出規(guī)范之規(guī)定，但不應(yīng)超出5%；

(5)用于加工機(jī)制砂的母巖應(yīng)不具有潛在堿活性，SO3含量必須符合規(guī)定。

2.4 石粉的作用機(jī)理

微集料填充作用。石粉在混凝土中優(yōu)先參與水化反應(yīng)，只有微顆粒與水分子充分吸收包裹，石粉顆粒才會(huì)進(jìn)行有效的運(yùn)動(dòng)；然后在混凝土骨架間隙中填充骨架孔隙，如何充分填充這就需要我們?cè)趯?shí)際施工中加強(qiáng)對(duì)混凝土成型的有效規(guī)范振搗，這樣使得結(jié)構(gòu)混凝土密實(shí)性得到有效提高，從而對(duì)提高強(qiáng)度有很高的作用。

保水增稠作用。石粉在混凝土中對(duì)水分子有一定的的吸附作用，使得混凝土單位用水量增加，混凝土的流動(dòng)性能增強(qiáng)，這樣混凝土的工作性可以提高便于施工；另一方面，混凝土在發(fā)生水化作用時(shí)，又會(huì)釋放水分子用于補(bǔ)償混凝土的收縮。

3 原材料及試驗(yàn)方法

3.1 原材料

(1)中材水泥：P.052.5R；

(2)機(jī)制砂：廣東省云浮市封開縣銀灘石場(chǎng)生產(chǎn)；

(3)碎石：5～20.5 mm的連續(xù)粒徑的花崗巖碎石；

(4)石粉：南中宜材石粉生產(chǎn)廠;

(5)外加劑：聚羧酸高效減水劑;

(6)水：自來(lái)水或者井水。

3.2 試驗(yàn)方法

(1)混凝土拌合物性能依據(jù)GB/T50080《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行，混凝土抗壓依據(jù)GB/T50081《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定執(zhí)行。試件采用標(biāo)準(zhǔn)試件150 mm×150 mm×150 mm，一組三塊試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下養(yǎng)生28 d，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件溫度20±2 ℃，濕度≥95%，試件達(dá)到齡期后及時(shí)從養(yǎng)護(hù)室取出，并把試件表面的水汽用軟布擦拭干凈，在2 000 N壓力機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于每一組試件強(qiáng)度的確定采用代表值進(jìn)行確定。

(2)混凝土拌合物干縮性試驗(yàn)：試驗(yàn)是指混凝土試件在標(biāo)準(zhǔn)溫度和濕度下，試件失水后導(dǎo)致試件在長(zhǎng)度方向上的變化。試件有一組三塊標(biāo)準(zhǔn)試件組成，試件用預(yù)埋測(cè)釘發(fā)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下帶釘養(yǎng)護(hù)1～2 d，試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下3 d，應(yīng)從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室取出立即放入干縮室內(nèi)，并及時(shí)量測(cè)試件軸向長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度，按照規(guī)程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)和計(jì)量。

(3)混凝土耐久性試驗(yàn)(電通量法)：試件采用φ=100±1 mm，高度50±2 mm的圓柱型試件；首先對(duì)于試件達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件(28)時(shí)，進(jìn)行試驗(yàn)如果試件摻大量的礦物摻合料試驗(yàn)齡期可以取56，本試驗(yàn)根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度要求未摻加礦物摻合料，齡期取標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件進(jìn)行試驗(yàn)；首先對(duì)表面進(jìn)行干燥處理；其次，在測(cè)試前應(yīng)進(jìn)行真空保水；然后注入化學(xué)溶液作為導(dǎo)電介質(zhì)；對(duì)于滿足試驗(yàn)條件的試件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)在20～5 ℃溫度下進(jìn)行；對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果按照試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行處理，原則上采用三個(gè)數(shù)值的算術(shù)平均值。

(4)混凝土抗?jié)B性試驗(yàn)；試驗(yàn)采用一組6個(gè)直徑為150 mmd的圓形試件，當(dāng)試件達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件齡期時(shí)按照規(guī)程要求進(jìn)行試驗(yàn)；首先對(duì)試驗(yàn)表面進(jìn)行處理，達(dá)到試驗(yàn)要求條件后對(duì)其側(cè)面涂層密封材料；其次對(duì)密封好的試件進(jìn)行逐級(jí)加壓，每個(gè)8 h增加一個(gè)單位0.1 Pa，觀測(cè)斷面滲水情況，直至達(dá)到試驗(yàn)規(guī)程停止加壓的標(biāo)準(zhǔn)后，停止試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)滲水等級(jí)進(jìn)行判定。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 C55混凝土配合比

配合比采用C55混凝土為研究對(duì)象，主要研究石粉含量對(duì)混凝土的工作性和強(qiáng)度的影響。對(duì)于混凝土配合比的控制，必須做好一下幾方面的工作來(lái)保證混凝土的施工質(zhì)量：(1)生產(chǎn)所用的原材料必須從源頭上管控好，建立健全材料的管理制度，其中特別是外加劑的使用要做好使用前適用性檢驗(yàn)；(2)拌合站計(jì)量準(zhǔn)確是保證高性能混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵，其中拌合站檢定周期不得大于1年；(3)在整個(gè)混凝土拌合管理過(guò)程中，協(xié)調(diào)好人、料、機(jī)的合理利用，確?；炷恋氖┕べ|(zhì)量，其中拌合時(shí)間要較普通混凝土延遲20～30 s，可以提高混凝土的工作性能；對(duì)于此混凝土配合比設(shè)計(jì)充分考慮結(jié)構(gòu)對(duì)于早期強(qiáng)度要求較高，因?yàn)榕浜媳仍O(shè)計(jì)對(duì)于礦物摻合料就進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，因其如果摻加了礦物摻合料勢(shì)必對(duì)于混凝土早期強(qiáng)度進(jìn)行了限制，影響結(jié)構(gòu)早期外加應(yīng)力的施作，而影響工程進(jìn)度，因此項(xiàng)目在混凝土設(shè)計(jì)前期就充分考慮了這一點(diǎn)，因此在石粉的使用比例也進(jìn)行了有效的設(shè)計(jì)。且機(jī)制砂中小于80 μm的顆粒含量要控制到一定范圍，這樣從另一方面技術(shù)要求可以確?；炷恋暮鸵仔詽M足施工質(zhì)量的需要。C55混凝土基準(zhǔn)配合比見(jiàn)表1。

表1 C55基準(zhǔn)配合比

4.2 石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度和工作性的影響

石粉采用2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%的含量進(jìn)行混凝土配制，計(jì)量嚴(yán)格按照預(yù)定比例進(jìn)行，在每一種摻配比例下，對(duì)混凝土進(jìn)行拌制，嚴(yán)格控制混凝土的摻配比例、用水量、拌合時(shí)間等等；記錄生產(chǎn)混凝土的工作性能及外觀質(zhì)量，然后對(duì)混泥土拌合物性能和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)建立其數(shù)學(xué)關(guān)系，并進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和圖1、圖2。

表2 石粉含量對(duì)混凝土的試驗(yàn)結(jié)果

圖1 石粉含量與強(qiáng)度圖

圖2 石粉含量與坍落度圖

從表2、圖1、圖2得出，C55混凝土在石粉含量在2%～14%之間，混凝土的工作性及粘聚性性能成向好趨勢(shì)，從圖中可以看出石粉含量與塌落度成反比例關(guān)系，從而說(shuō)明隨著其值增加，混凝土流動(dòng)性性能降低工作性能變差，這樣不利于混凝土的輸送及大方量澆筑。通過(guò)試驗(yàn)分析原因是石粉含量小的狀態(tài)下，其微小的吸水作用對(duì)混凝土的坍落度影響較小，當(dāng)石粉含量超過(guò)10%以后，坍落度下降趨勢(shì)明顯，從而印證石粉含量其微小吸水作用增大；石粉含量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，從表2及圖1看出，隨著石粉含量的增加混凝土成上升趨勢(shì)，但當(dāng)石粉含量達(dá)到一定量后，強(qiáng)度有減小的趨勢(shì)，當(dāng)石粉含量達(dá)到10%時(shí)，混凝土強(qiáng)度值相對(duì)較高，在增加混凝土強(qiáng)度成下降趨勢(shì)。分析原因是因?yàn)槭墼诨炷羶?nèi)部起填充作用，使得混凝土的密實(shí)度增加，且石粉的吸水性也為混凝土強(qiáng)度在早期強(qiáng)度形成時(shí)，提供了水化作用的條件。

4.3 石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土干縮性能的影響

石粉含量對(duì)機(jī)制砂C55混凝土在不同含量的情況下，混凝土干縮試驗(yàn)對(duì)比如圖3，從圖3可以看出機(jī)制砂混凝土隨著石粉含量的增加混凝土干縮率存在一個(gè)最大值，本試驗(yàn)研究結(jié)果石粉含量最大值為8%，但隨著石粉含量的繼續(xù)增加，混凝土的干縮率反而成下降趨勢(shì)。分析原因是由于當(dāng)混凝土中石粉含量達(dá)到最大后，也就是石粉的填充使得結(jié)構(gòu)混凝土孔隙率降低如果繼續(xù)增加其混凝土的密實(shí)性到達(dá)一個(gè)恒定值，干縮率反而變化不大，成下降趨勢(shì)！

圖3 石粉含量與干縮率關(guān)系圖

4.4 石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土耐久性能的影響

混凝土的耐久性是指抗?jié)B性、抗凍性、抗侵蝕性、抗碳化性及防止堿-集料反應(yīng)等，統(tǒng)稱為混凝土的耐久性[3]。我國(guó)對(duì)于高性能混凝土的研究和設(shè)計(jì)，基本立足于在普通混凝土的基礎(chǔ)上大幅提高混凝土的耐久性能，以耐久性作為配合比設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)。所以縱觀以上性質(zhì)其本質(zhì)取決于混凝土的密實(shí)性能，而密實(shí)性能的評(píng)價(jià)目前使用傳統(tǒng)滲水壓法(GBJ82-85)，但其對(duì)于高性能混凝土的評(píng)價(jià)其結(jié)果還有待商榷。為更好的對(duì)其滲透性進(jìn)行評(píng)價(jià)，目前是使用最廣的電測(cè)方法是電通量檢測(cè)方法。通過(guò)本試驗(yàn)研究結(jié)果圖4可以看出，對(duì)于混凝土的耐久性而言，在混凝土的組成中石粉含量是影響最低的，且電通量變化率也低。分析原因主要是石粉含量對(duì)于C55混凝土的孔隙率影響不同所致。對(duì)于C55混凝土其配合比中使用的碎石為公稱粒徑5～20 mm的小碎石，其孔隙率勢(shì)必偏小，混凝土較密室。這樣通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得不同石粉含量下的混凝土其電通量變化幅度很小，因此其耐久性通過(guò)電通量試驗(yàn)測(cè)得，石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土耐久性影響很小。

圖4 石粉含量與電通量關(guān)系圖

4.5 石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土抗?jié)B性的影響

研究通過(guò)對(duì)不同石粉含量的C55混凝土進(jìn)行抗?jié)B性試驗(yàn)，試驗(yàn)表明其抗?jié)B性變化較小，分析其原因主要是C55混凝土其水泥用量較大，結(jié)果使結(jié)構(gòu)混凝土密實(shí)度較大，因此不同石粉含量特別是含量在5%～10%的情況下，混凝土抗?jié)B性試驗(yàn)表現(xiàn)出對(duì)其影響較小。

5 結(jié)論及建議

(1)機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度值與石粉含量成正比例關(guān)系，且當(dāng)石粉含量達(dá)到10%時(shí)，其強(qiáng)度值達(dá)到峰值。因此在制作C55混凝土?xí)r根據(jù)地材的可取性石粉含量在2%～10%范圍內(nèi)取值制作混凝土是合理可行的。

(2)C55混凝土坍落度與石粉含量成反比例關(guān)系；在實(shí)際應(yīng)用中特別是采用泵送混凝土要嚴(yán)格控制石粉含量，確?；炷恋谋盟托阅?。

(3)C55混凝土隨著石粉含量的增加，混凝土的干縮率存在一個(gè)最大值，但隨著石粉含量的繼續(xù)增加，混凝土的干縮率成下降趨勢(shì)。

(4)C55混凝土石粉含量對(duì)于其耐久性影響較小是通過(guò)試驗(yàn)獲得，能夠很好的說(shuō)明石粉含量對(duì)混凝土耐久性的影響。

(5)不同石粉含量下C55混凝土抗?jié)B性影響較小。