高石粉含量機(jī)制砂配制C60預(yù)拌混凝土的試驗(yàn)研究

和德亮，朱金華*，吳濤

（成都建工賽利混凝土有限公司，四川 成都 610015）

0 前言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，大量的天然優(yōu)質(zhì)砂被開采，資源已顯示出枯竭的苗頭。目前市場上逐漸著重開發(fā)機(jī)制砂，但生產(chǎn)出的機(jī)制砂石粉含量普遍偏高。石粉含量為骨料粒徑小于 0.075mm 的顆粒含量，是混凝土中骨料性能指標(biāo)中重要的一項(xiàng)，常見的包括粘土顆粒和石粉顆粒。混凝土骨料中不可避免的石粉含量對摻有聚羧酸減水劑混凝土的工作性能及強(qiáng)度等具有顯著的影響，主要表現(xiàn)為聚羧酸減水劑的減水分散能力嚴(yán)重下降，保坍效果變差，硬化后混凝土強(qiáng)度降低等[1-4]。

對于預(yù)拌混凝土企業(yè)來說，采用常規(guī)方法，使用高石粉含量機(jī)制砂配制的 C60 高強(qiáng)混凝土，其拌合物工作性能較差，表現(xiàn)為拌合物較粘稠、流動(dòng)性差、坍落度損失較大，滿足不了運(yùn)輸及工地現(xiàn)場的正常泵送要求，且早期抗裂性能較差及各齡期強(qiáng)度偏低。因此研究高石粉含量機(jī)制砂配制工作性能及力學(xué)性能良好的 C60 預(yù)拌混凝土具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)用原材料

1.1 水泥

試驗(yàn)采用成都某公司生產(chǎn)的 P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥，主要性能指標(biāo)見表 1。

1.2 摻合料

分別選用 F 類 I 級粉煤灰、S75 級礦粉及硅灰作為混凝土摻合料進(jìn)行試驗(yàn)。它們的主要性能指標(biāo)分別如表2～4 所示。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 粉煤灰主要性能指標(biāo)

表3 礦粉主要性能指標(biāo)

表4 硅灰主要性能指標(biāo) %

1.3 減水劑

試驗(yàn)選用北京某公司成都分公司生產(chǎn)的高性能聚羧酸減水劑，其主要性能指標(biāo)如表 5。

1.4 阻泥劑

試驗(yàn)選用西安某公司生產(chǎn)的阻泥劑，其主要性能指標(biāo)如表 6。

表5 減水劑主要性能指標(biāo)

表6 阻泥劑主要性能指標(biāo)

1.5 機(jī)制砂、石粉

機(jī)制砂是本試驗(yàn)的重點(diǎn)原材料，樣品經(jīng)過精細(xì)加工而成，主要性能指標(biāo)如表 7。本試驗(yàn)用石粉來自于試驗(yàn)中所用機(jī)制砂，經(jīng)過一系列處理得到：（1）取一定量具有代表性的機(jī)制砂，置于恒溫烘箱中烘干；（2）將烘干的機(jī)制砂碾碎置于 0.075mm 篩子中篩分得到石粉，經(jīng)過多次篩分并將其收集得到。

表7 機(jī)制砂主要性能指標(biāo)

本試驗(yàn)借鑒吳金灶、鐘松輝等[5]提出的亞甲藍(lán)曲線標(biāo)定的定量分析方法，并加以改進(jìn)，測定試驗(yàn)用機(jī)制砂的石粉含量，測得試驗(yàn)用砂中＜75μm 顆粒中 70% 是石粉，30% 是粘土。試驗(yàn)中按不同含量將石粉摻入已篩除＜75μm 顆粒的機(jī)制砂中進(jìn)行對比。

1.6 石子

采用 5～31.5mm 連續(xù)粒級碎石。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同石粉含量機(jī)制砂對 C60 預(yù)拌混凝土工作性能及抗壓強(qiáng)度的影響

A、B 組膠凝材料由水泥、粉煤灰及礦粉組成并保持比例不變。

A 組采用機(jī)制砂中石粉含量從 5% 增加到 15%，膠凝材料總量均為 535kg/m3，調(diào)整水膠比及減水劑用量來配制 C60 預(yù)拌混凝土；B 組保持水膠比不變，調(diào)整膠凝材料及減水劑用量來配制 C60 預(yù)拌混凝土，試驗(yàn)配合比及試驗(yàn)結(jié)果見表 8。

由表 8 可知，A 組隨著石粉含量的增加，水膠比和外加劑摻量都在增加，混凝土體系中漿骨比的增加也使得新拌混凝土越來越粘稠。當(dāng)石粉含量超過 7.5% 時(shí)新拌混凝土和易性較差，且 1h 經(jīng)時(shí)損失較大，從強(qiáng)度看，隨著石粉含量增加，混凝土在各個(gè)齡期的強(qiáng)度均明顯降低，當(dāng)石粉含量為 15% 時(shí)，28d 強(qiáng)度僅 60.9MPa。

B 組是為了滿足強(qiáng)度要求而增加了膠凝材料用量及外加劑摻量，當(dāng)石粉含量超過 7.5%時(shí)，膠凝材料和泵送劑用量明顯增大，新拌混凝土初始和易性較差且 1h經(jīng)時(shí)損失較大，但混凝土在各個(gè)齡期的強(qiáng)度差異不大。

A 組及 B 組的各齡期強(qiáng)度發(fā)展情況如圖 1 所示。

圖1 C60 混凝土的各齡期強(qiáng)度

C、D 組試驗(yàn)為不同石粉含量機(jī)制砂對摻入硅粉的C60 混凝土性能影響試驗(yàn)，膠凝材料由水泥、粉煤灰及硅粉組成并保持比例不變。

表8 C60 混凝土的配合比及試驗(yàn)結(jié)果

C 組采用機(jī)制砂中石粉含量從 5% 增加到 15%，膠凝材料總量均為 510kg/m3，調(diào)整水膠比及減水劑用量來配制 C60 預(yù)拌混凝土；D 組保持水膠比不變，調(diào)整膠凝材料及減水劑用量來配制 C60 預(yù)拌混凝土，試驗(yàn)配合比和試配結(jié)果見表 9。

由表 9 可看到，C 組隨著石粉含量的增加，同時(shí)水膠比和外加劑摻量上升，新拌混凝土越來越粘稠。當(dāng)石粉含量超過 10% 時(shí)新拌混凝土和易性較差，1h經(jīng)時(shí)損失增大。從強(qiáng)度上看，隨著石粉含量增加，混凝土各個(gè)齡期的強(qiáng)度均有降低，但 28d 最小值均大于60MPa，石粉含量為 10% 時(shí)，其 28d 強(qiáng)度達(dá)到最大，為 69.5MPa。

D 組試驗(yàn)增加了膠凝材料用量及外加劑摻量，對比各齡期強(qiáng)度情況，當(dāng)石粉含量超過 10% 時(shí)，膠凝材料和泵送劑用量明顯增大，混凝土 1h 經(jīng)時(shí)損失增大，石粉含量為 15% 時(shí)，28d 強(qiáng)度為 70MPa，即總膠保持525kg，通過摻入硅粉，在石粉含量達(dá) 15% 時(shí)，其 28d強(qiáng)度可達(dá)到對 C60 混凝土的要求。

C 組及 D 組的各齡期強(qiáng)度發(fā)展情況如圖 2 所示。

圖2 摻入硅粉配制 C60 混凝土的各齡期強(qiáng)度

2.2 阻泥劑對不同石粉含量機(jī)制砂配制 C60 混凝土性能的影響

試驗(yàn)使用的混凝土阻泥劑由西安某公司生產(chǎn)提供。主要成分有陽離子表面活性劑及泥漿穩(wěn)定劑等，它們會(huì)通過低成本的小分子減水劑對泥粉形成快速優(yōu)先犧牲吸附，再結(jié)合一定的泥漿分散劑，促進(jìn)泥漿分散并讓泥漿快速達(dá)到對低成本的小分子減水劑飽和吸附，減少了泥粉對聚羧酸減水劑的優(yōu)先吸附，進(jìn)而減少了對混凝土工作性能的影響。

E、F、G、H 組中機(jī)制砂石粉含量分別為 7.5%、10%、12.5%、15%，膠凝材料分別由水泥、粉煤灰、礦粉及水泥、粉煤灰、硅粉組成并保持比例不變，摻加阻泥劑及調(diào)整減水劑用量配制 C60 預(yù)拌混凝土，其與基準(zhǔn)組（配合比參見表 8 和表 9）對照的試驗(yàn)結(jié)果見表 10。

由表 10 可知，當(dāng)石粉含量為 7.5% 時(shí)，不摻加阻泥劑也能順利配制出符合要求的 C60 預(yù)拌混凝土；當(dāng)石粉含量為 10%～15% 時(shí)，不摻加阻泥劑的 C60 混凝土拌合物均較為黏稠，且隨著砂石粉含量的增加，經(jīng)時(shí)損失也越來越大，各齡期強(qiáng)度也呈逐漸降低的趨勢滿足不了預(yù)拌混凝土對拌合物工作性能及強(qiáng)度增長的要求。

摻加阻泥劑后，當(dāng)石粉含量為 10%～15% 時(shí)，C60混凝土拌合物初始和易性均表現(xiàn)為較好，并且混凝土坍落度的經(jīng)時(shí)損失較小，各齡期強(qiáng)度也普遍高于未摻阻泥劑的對照組。尤其膠凝材料由水泥、粉煤灰及硅粉組成的試驗(yàn)組，在石粉含量為 15% 時(shí)，其不但和易性良好，各齡期強(qiáng)度也發(fā)展正常，滿足 C60 預(yù)拌混凝土的指標(biāo)要求。

通過本試驗(yàn)可以看出，加入阻泥劑后，能夠有效改善混凝土的和易性，減小混凝土坍落度的經(jīng)時(shí)損失，提高混凝土強(qiáng)度。

表9 摻入硅粉的 C60 混凝土的配合比及試驗(yàn)結(jié)果

2.3 不同石粉含量機(jī)制砂對 C60 混凝土早期抗裂性能的影響

對石粉含量分別為 5%、10%、15% 的新拌 C60 混凝土（膠凝材料由水泥、粉煤灰及硅粉組成，配合比參見表 9）試件在約束條件下測試早期抗裂性能。早期開裂面積如表 11，裂縫情況如圖 3～5。

圖3 KL1-60 早期開裂

圖4 KL2-60 早期開裂

圖5 KL3-60 早期開裂

表10 摻加阻泥劑配制 C60 預(yù)拌混凝土與基準(zhǔn)組對照試驗(yàn)結(jié)果

表11 C60 混凝土早期開裂面積

從表 11 中可以看到隨著石粉含量的增加，混凝土開裂總面積增加，抗裂性能變差。由圖可以看到石粉含量在 5% 時(shí)，裂縫主要產(chǎn)生在裂縫誘導(dǎo)器上部，每一條裂縫都幾乎貫穿試件，但是裂縫寬度很窄；石粉含量在10% 時(shí)，裂縫不僅僅集中在裂縫誘導(dǎo)器上部，試件其他部位也有大量的裂縫；石粉含量在 15% 時(shí)，裂縫集中在裂縫誘導(dǎo)器周圍，由誘導(dǎo)器上部向四周擴(kuò)散，裂縫寬度明顯大于前面兩組，并且混凝土表面分布有許多細(xì)小的裂紋，呈無序網(wǎng)狀，裂縫寬度大多在 0.01mm 及以下。主要原因：隨著石粉含量的增加，水膠比增大，混凝土硬化過程中游離狀態(tài)的自由水逐漸蒸發(fā)，形成很多不封閉的孔洞，這樣就增加了孔隙率，降低了混凝土的強(qiáng)度，使得混凝土抗裂性能變差；石粉是顆粒很細(xì)的非活性物質(zhì)，它們會(huì)吸附大量的水分，這些非活性物質(zhì)一方面使水泥漿與集料之間的界面區(qū)黏結(jié)變差，影響了漿體與集料的黏結(jié)，使集料抑制干縮的作用減弱，抗裂能力下降；另一方面石粉吸附的水分是自由水，易揮發(fā)，揮發(fā)后的變形較大，開裂敏感性增加。

表12 摻阻泥劑后 C60 混凝土早期開裂面積

2.4 阻泥劑對 C60 混凝土早期抗裂性能的影響

在不同石粉含量的 C60 混凝土（膠凝材料由水泥、粉煤灰及硅粉組成，配合比參見表 9）中摻加一定的阻泥劑，在約束條件下測試早期抗裂性能。早期開裂面積如表 12，裂縫情況如圖 6～8。

圖6 KL4-60 早期開裂

圖7 KL5-60 早期開裂

圖8 KL6-60 早期開裂

從表 12 中可以看到摻加阻泥劑后裂縫長度和裂縫條數(shù)均大幅減少，在 C60 中，石粉含量為 5% 時(shí)總開裂面積減少 91.2%，石粉含量為 10% 時(shí)總開裂面積減少61.0%，石粉含量為 15% 時(shí)總開裂面積減少 70.0%。主要原因?yàn)?，摻加阻泥劑后減少了石粉顆粒吸附的水分，混凝土的用水量降低，從而減少了多余水分蒸發(fā)形成的收縮開裂。另一方面，阻泥劑可促進(jìn)泥漿分散均勻，減少了局部的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而減少了內(nèi)部應(yīng)力的局部集中，有助于消除應(yīng)力集中產(chǎn)生的開裂，因此摻入一定的阻泥劑對早期抗裂性能有較好的改善作用。

3 結(jié)論

（1）機(jī)制砂中的石粉由粘土顆粒和石粉顆粒組成，采用亞甲藍(lán)曲線標(biāo)定的定量分析方法可得出它們在機(jī)制砂石粉含量中的比例。

（2）石粉含量（粘土顆粒占 30%）越高，配制的C60 預(yù)拌混凝土工作性能逐漸變差，各齡期強(qiáng)度也明顯降低，且早期抗裂能力下降。當(dāng)石粉含量超過 10%時(shí)，很難用常規(guī)方法配制出 C60 預(yù)拌混凝土。

（3）采用阻泥劑可明顯改善高石粉含量機(jī)制砂配制的 C60 混凝土的工作性能及早期抗裂性能，并在石粉含量高達(dá) 15% 時(shí)，通過摻加硅灰來配制出符合要求的 C60 預(yù)拌混凝土。