機制砂微細集料及石粉含量對混凝土性能的影響研究

李 軍，梁德興，青志剛

(廣西長長路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530003)

近年來，由于河砂資源的枯竭和對環(huán)保的要求，機制砂得到越來越廣泛的應(yīng)用。特別是廣西很多山區(qū)屬于喀斯特地貌，交通極為不便，當(dāng)?shù)睾由笆菣C制砂價格的2～3倍，由于礦石資源豐富，機制砂制造成本低廉，因而成了當(dāng)?shù)亟ㄖこ逃蒙暗氖走x。但機制砂在生產(chǎn)過程中，受母巖、生產(chǎn)設(shè)備和工藝的影響導(dǎo)致質(zhì)量參差不齊，同時產(chǎn)生一定數(shù)量的石粉，這對混凝土的性能影響很大。根據(jù)以往的研究和工程應(yīng)用實例表明：機制砂中的石粉對混凝土新拌物的工作性能和硬化物的力學(xué)性能具有改善作用。現(xiàn)行國標《建設(shè)用砂》(GB/T 14684-2011)和交通行業(yè)標準《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50-2011)對人工砂石粉含量要求偏嚴格，這導(dǎo)致機制砂生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的石粉浪費，也不利于環(huán)保。本文依托賀巴高速公路(都安至巴馬段)橋涵工程，重點研究了機制砂石粉和微細集料(粒徑<0.15 mm)對混凝土的工作性能和力學(xué)性能的影響，為該項目工程中機制砂混凝土的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 原材料

水泥采用廣西登高集團有限公司右江牌P·O42.5水泥，其物理力學(xué)性質(zhì)見表1。礦物摻合料采用廣西田東電廠Ⅱ級粉煤灰，性能指標見表2。粗集料來自巴馬設(shè)吉石場，由16～26.5 mm、10～16 mm、5～10 mm三檔碎石合成的5～26.5 mm連續(xù)級配碎石，摻配比例為6∶3∶1。細集料來自巴馬設(shè)吉石場，通過破碎5～10 mm瓜米石加工而成，采用福建南方路機干式制砂機設(shè)備，可根據(jù)要求通過風(fēng)選來控制石粉含量。外加劑采用廣西南寧雨潤高性能聚羧酸減水劑，固含量12%，減水率26%。

表1 右江牌P·O42.5水泥的物理性質(zhì)表

表2 田東電廠Ⅱ級粉煤灰各項性能檢測結(jié)果表

2 機制砂中石粉的吸附性能

選取巴馬設(shè)吉石場制砂機調(diào)試、不同時段生產(chǎn)的6個機制砂樣品，MB值如表3所示。從表中可以看到，整體上石粉含量與微細集料的含量具有一定的正相關(guān)性，微細集料含量與細度模數(shù)呈負相關(guān)，即微細集料和石粉含量越多的比例越大，細度模數(shù)越小。總體上，MB值隨石粉含量增多而變大，但在一定范圍內(nèi)卻相差不大；當(dāng)外摻3%黏土于懸濁液中，得到機制砂各樣品的MB值幾乎完全相同?？梢奙B值雖然可以反映石粉的吸附特性，但往往與其所含的黏土質(zhì)類型和含量相關(guān)[1-2]，MB值的大小并不等同于石粉含量的多少，即使石粉含量不高但所含泥粉多也會使得MB值增大。

表3 機制砂主要性能測試結(jié)果表

3 混凝土的配制與實驗結(jié)果

3.1 配合比和試驗方法

本次試驗采用C30和C50兩個強度等級的混凝土作為本次試驗的研究對象，按《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55-2011)進行設(shè)計，粉煤灰摻量分別為20%、10%，選定6個機制砂樣品進行試配。根據(jù)前期試驗的優(yōu)化和總結(jié)，確定C30、C50混凝土砂率為45%和36%，保持砂率不變，以此研究機制砂微細集料對混凝土拌合物及硬化后力學(xué)性能的影響。測試方法參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)進行。

表4 不同標號的混凝土配合比設(shè)計表 (單位：kg/m3)

3.2 微細集料和石粉含量對混凝土的工作性能影響分析

混凝土拌合物的工作性能如表5和圖1、圖2所示。

表5 混凝土拌合物的工作性能試驗結(jié)果表

圖1 C30混凝土拌合物坍落度變化曲線圖

圖2 C50混凝土拌合物坍落度變化曲線圖

(1)在C30混凝土試配過程中，隨著微細集料和石粉的比例變大，混凝土拌合物的粘聚性和保水性能得到增強，初始坍落度和坍落擴展度先略有增加，后降低；當(dāng)微細集料增大到17.1%(石粉含量9.0%)以上時，1.5 h后坍落度下降不多，但擴展度顯著變小，至微細集料增大至20.7%(石粉含量12.5%)時，1.5 h后坍落度顯著降低，幾乎毫無流動性，由此預(yù)估控制微細集料含量在12%～13%左右，可以使混凝土得到最佳的可操作性能。從圖1中還可以看出，SP3和SP4二者微細集料相差不大，石粉含量分別為5.9%和4.5%，但初始坍落度、擴展度與1.5 h后的坍損及擴展度損失幾乎相同，可見在最佳微細集料含量下，石粉比例的多少是次要因素。

(2)在C50混凝土試配過程中，混凝土拌合物的性能有著與C30相同的規(guī)律，只是臨界點不同。從圖2中可知，隨著微細集料含量的增多，混凝土初始坍落度幾乎不變，略有波動，但坍落度損失逐漸增大。表5的數(shù)據(jù)顯示，初始擴展度在微細集料含量為12.7%以下時，幾乎相同，隨后在微細集料含量為17.1%時突然下降；1.5 h后擴展度在微細集料含量為12.1%時開始損失明顯，在微細集料含量為17.1%以上時幾乎無流動性。究其原因有：高標號混凝土膠凝材料用量較多，隨著水化的進行，自由水逐漸減少，石粉也會吸附一定量的水和外加劑，當(dāng)沒有足夠量的自由水維持水泥水化時，混凝土的流動性能會大大降低。根據(jù)實驗結(jié)果得出，配制C50混凝土，機制砂中的微細集料控制在12%、石粉含量控制在5%以下較為適宜。

3.3 微細集料和石粉含量對混凝土的力學(xué)性能影響分析

根據(jù)表5試配的混凝土拌合物狀態(tài)情況，并考慮現(xiàn)場混凝土的可操作性能，選取SP1～SP5、SP9～SP12混凝土試件進行強度對比研究。試驗結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同微細集料含量對C30混凝土強度的影響柱形圖

圖4 不同微細集料含量對C50混凝土強度的影響柱形圖

從上圖3、圖4得知，一定范圍內(nèi)隨著微細集料和石粉含量的增加，C30和C50混凝土在7 d和28 d時抗壓強度逐漸升高，超過臨界點后，強度又略有所下降。其中，C30混凝土強度變化較小，波動在2～3 MPa，而C50混凝土強度在7 d時強度波動在5 MPa左右，但28 d強度相差較小。這主要是因為石粉的填充作用和“晶核”作用，增強了混凝土的密實性，加速了水泥的水化，但過多的石粉會吸附大量的水，阻擋了水泥水化的進程，導(dǎo)致水泥水化不完全，起到了負作用[3-4]。就達到最高強度而言，C30和C50混凝土的最佳微細集料含量分別為12.7%、9.8%，對應(yīng)的石粉含量分別為5.9%和3.5%。

4 結(jié)語

(1)機制砂中石粉含量對MB值的影響微乎其微，對MB值大小影響的主要因素取決于石粉中所含黏土的性質(zhì)和多少，從本次試驗結(jié)果來看，石粉含量在12%、微細集料含量在20%以內(nèi)、含泥量在3%以內(nèi)都能滿足要求。

(2)機制砂中的微細集料和石粉可以使水泥漿體更加飽滿，增強拌合物的粘聚性和保水性，有利于改善離析泌水現(xiàn)象。微細集料含量在12%～13%時，C30混凝土可以達到最佳的工作性能；微細集料含量在12%、石粉含量在5%以內(nèi)，C50混凝土可以達到較佳的工作性能。

(3)一定范圍內(nèi)，隨著微細集料和石粉的增多，混凝土的強度略有增加，超過臨界值后略有下降。其中C30標號的強度波動并不明顯，為2～3 MPa；C50標號的7 d齡期強度波動值在5 MPa左右，28 d齡期也相差不大。

(4)機制砂在生產(chǎn)過程中，受原材料粒徑、濕度等影響，機制砂的微細集料和石粉含量波動較大，因此在混凝土生產(chǎn)過程中需及時調(diào)整砂率和外加劑，以使混凝土達到最佳的工作狀態(tài)。

[1]岳海軍.機制砂的巖性與級配對混凝土性能的影響研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[2]周永祥，王永海，王思婭，等.石灰石粉的特性及對混凝土性能的影響[J].施工技術(shù)，2014(5)：23-27.

[3]郜進良，余 川，李固華.機制砂對混凝土和易性能影響的試驗研究[J].公路，2011(12)：155-159.

[4]李北星，王稷良，周明凱.高含石粉機制砂配制C60高性能混凝土的研究[C].超高層混凝土泵送與高性能混凝土技術(shù)的研究與應(yīng)用國際研討論會，2008.