不同替代率下玄武巖機(jī)制砂混凝土性能影響試驗(yàn)研究

汪麗娟, 喬宏霞, 劉志超, 宋周義, 孫呈鵬, 施進(jìn)儒

(1.甘肅建投礦業(yè)有限公司， 甘肅 蘭州 730046; 2.蘭州理工大學(xué) 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050)

1 前言

機(jī)制砂是指通過(guò)機(jī)械設(shè)備破碎和加工，達(dá)到與天然砂相同粒徑范圍的人工砂。天然砂存量匱乏，并且在大型土木工程建設(shè)項(xiàng)目中質(zhì)量也難以滿足工程需求，機(jī)制砂的發(fā)展逐步替代天然砂，使建筑業(yè)朝著更加環(huán)保的方向發(fā)展。在天然砂中粒徑小于0.075 mm的顆粒被稱為泥粉，而在機(jī)制砂中同樣大小的粒徑顆粒叫做石粉。泥粉只會(huì)阻礙水泥的水化過(guò)程，所以在國(guó)標(biāo)GB/T 14684—2001《建筑用砂》中嚴(yán)格限制了天然砂中泥粉的含量，機(jī)制砂中含有一定量的石粉會(huì)提高混凝土的性能[1]。

在機(jī)制砂代替天然砂的發(fā)展進(jìn)程中，研究者們發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂的特性對(duì)混凝土的性能有一定的影響，機(jī)制砂最主要的特性可以總結(jié)為石粉含量、顆粒粒形和細(xì)度模數(shù)。潘祖?zhèn)2]總結(jié)了機(jī)制砂中的石粉對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生影響的四個(gè)方面，即促進(jìn)水泥的水化過(guò)程，填充骨料的孔隙，改變混凝土需水量和膠凝材料組成的變化。機(jī)制砂的生產(chǎn)工藝決定了在生產(chǎn)機(jī)制砂的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生15%左右的石粉，同時(shí)國(guó)際上對(duì)機(jī)制砂中石粉含量的最高限值也有所不同。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究表明，機(jī)制砂中石粉的最佳含量隨著不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土和不同的混凝土性能而變化，例如就抗壓強(qiáng)度而言，低強(qiáng)度等級(jí)的機(jī)制砂混凝土的最佳石粉含量介于10%～15%，C60或者C80機(jī)制砂混凝土的最佳石粉含量介于3%～10%[3]。國(guó)外學(xué)者Ahn[4]認(rèn)為石粉含量對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度也有影響，當(dāng)機(jī)制砂的石粉含量高達(dá)30%時(shí)，抗折強(qiáng)度下降10%，石粉含量低于20%時(shí)，會(huì)因石粉含量的不同對(duì)抗折強(qiáng)度有不同程度的提高。張琨健[5]通過(guò)建立粒形系數(shù)表征機(jī)制砂粒形對(duì)混凝土性能的影響。結(jié)果表明，粒形系數(shù)較好的反應(yīng)了粒形結(jié)構(gòu)，粒形較好的機(jī)制砂中顆粒填充比較飽滿，孔隙較小，改善了混凝土的和易性、保水性，減少制備混凝土的用水量，同時(shí)提高混凝土的早期抗裂性能。謝華兵[6]以四區(qū)間級(jí)配和泰波級(jí)配的偏差值R2作為級(jí)配評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果表明，級(jí)配的本身決定了堆積孔隙率的大小，石粉有較好的填充作用。R2=43×10-4級(jí)配機(jī)制砂混凝土工作性能較好，級(jí)配對(duì)混凝土耐久性(抗氯離子滲透)沒有顯著的影響。

不同地區(qū)生產(chǎn)機(jī)制砂所用的礦石種不同導(dǎo)致機(jī)制砂的性能也有所差別，粉體種類和含量都是影響機(jī)制砂MB值的因素。在相同石粉含量的情況下，鐵尾礦機(jī)制砂的MB值最高，同時(shí)隨著機(jī)制砂細(xì)粉細(xì)度的提高呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[7]。在確定的混凝土強(qiáng)度等級(jí)(C50)的基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)主要通過(guò)改變玄武巖機(jī)制砂的替代率，研究不同玄武巖機(jī)制砂替代率對(duì)混凝土性能的影響。對(duì)玄武巖礦產(chǎn)豐富的地區(qū)的機(jī)制砂的生產(chǎn)和使用提供理論指導(dǎo)。

2 原材料和試驗(yàn)方案

2.1 原材料

本次試驗(yàn)選用蘭州某公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，主要的物理性能見表1。粉煤灰選用蘭州某鋼廠提供的二級(jí)粉煤灰，其主要的化學(xué)成分是SiO2和Al2O3，物理性能指標(biāo)見表2。玄武巖機(jī)制砂由蘭州某礦業(yè)公司提供，經(jīng)檢測(cè)石粉含量為5.6%；堆積密度為1 520 kg/m3。試驗(yàn)選用的天然砂堆積密度為1 450 kg/m3，天然砂和機(jī)制砂的其他性能指標(biāo)見表3。粗骨料選用形狀均勻硬度較高的玄武巖碎石，減水劑為江蘇某公司生產(chǎn)的高效減水劑，主要的性能指標(biāo)見表4。

表1 P.O42.5水泥物理性能指標(biāo)

表2 Ⅱ級(jí)粉煤灰物理性能指標(biāo)

表3 細(xì)骨料的物理性能指標(biāo)

表4 減水劑性能指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方法

按照表5所示的機(jī)制砂混凝土配合比制作強(qiáng)度等級(jí)為C50的混凝土試塊，水膠比為0.35，砂率為39%。分6組制作混凝土試塊，改變每一組的玄武巖機(jī)制砂的用量，使機(jī)制砂的替代天然砂的替代率為0%、20%、40%、60%、80%和100%。試模選用100 mm×100 mm×100 mm的立方體模具，每一種替代率制作12個(gè)試塊。將每組試塊置于溫度條件為22±2 ℃和濕度條件為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。在齡期為7 d、28 d、56 d時(shí)測(cè)試混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度，在齡期為1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d、120 d時(shí)測(cè)試混凝土超聲波聲速和收縮應(yīng)變。試驗(yàn)過(guò)程中所用到的測(cè)量?jī)x器如圖1所示。

表5 機(jī)制砂混凝土配合比

圖1 試驗(yàn)儀器

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度作是混凝土力學(xué)性能中做基本的參數(shù)，不同齡期下混凝土的抗壓強(qiáng)度基本不同。在工程建設(shè)中早期抗壓強(qiáng)度對(duì)加快施工進(jìn)度，保證工程質(zhì)量有重要的影響[8]。如圖2所示，機(jī)制砂替代率對(duì)混凝土早期抗壓強(qiáng)度的影響很小，雖然隨著機(jī)制砂用量的增多，7 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢(shì)，但是變化的幅度很小。7 d最大的抗壓強(qiáng)度值和最小的抗壓強(qiáng)度值相差僅為6.2 MPa，當(dāng)機(jī)制砂替代率為60%時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度接近天然砂混凝土抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，天然砂混凝土的早期水化進(jìn)程略快，但是考慮到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差，可以認(rèn)為機(jī)制砂替代率對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度沒有影響[9]。

圖2 機(jī)制砂含量對(duì)不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

28 d和56 d的混凝土抗壓強(qiáng)度隨著機(jī)制砂替代率的變化規(guī)律大致相同，不同替代率下的抗壓強(qiáng)度均為超過(guò)天然砂混凝土的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)替代率達(dá)為40%時(shí)，28 d和56 d的混凝土抗壓強(qiáng)度為最低值，分別為52 MPa和60 MPa。石粉作為粒徑小于0.075 mm的粉末狀顆粒在混凝土體系中對(duì)抗壓強(qiáng)度有一定的影響：①粉細(xì)度較小，很夠填充細(xì)骨料之間的孔隙；②參與水化過(guò)程，水化產(chǎn)物使混凝土結(jié)構(gòu)更密實(shí)。但是石粉對(duì)混凝土的性能的影響并非都是正向的,石粉含量超過(guò)限值，就會(huì)破壞合理的顆粒級(jí)配，降低粒徑大的顆粒的占比，削弱骨料的骨架作用，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的下降[10]。針對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，石粉的最佳含量不同，對(duì)于中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土石粉的最佳含量為10%～20%；對(duì)于高強(qiáng)度混凝土石粉的最佳含量為0%～10%。

本試驗(yàn)用石粉含量為5.6%的玄武巖機(jī)制砂，代替天然砂的用量。隨著替代率的升高，在整個(gè)混合砂混凝土體系中，石粉的含量是由低到高的變化趨勢(shì)，并且石粉含量始終小于5.6%。機(jī)制砂顆粒形狀不規(guī)則，多棱角，天然砂顆粒表面圓滑，由于機(jī)制砂細(xì)度相對(duì)較大，所以在混合砂中存在比天然砂大的孔隙率。較少的石粉并不能夠完全填充骨料之間的孔隙，導(dǎo)致混合砂混凝土的抗壓強(qiáng)度略低。

3.2 超聲波聲速

超聲波檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)混凝土密實(shí)度和內(nèi)部缺陷的主要方法，在使用該方法測(cè)試聲速時(shí)，在試塊的兩個(gè)對(duì)立面選取測(cè)點(diǎn)，并且保持發(fā)射器和接收器軸線在同一直線上[11]。試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)，天然砂混凝土和混合砂混凝土聲速的變化趨勢(shì)有明顯的不同。摻有機(jī)制砂的混凝土試塊的變化曲線大致M型，即先增加后減小，再增加再減小的變化趨勢(shì)。于函[12]在研究天然骨料透水混凝土超聲波波速與混凝土各項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)超聲波聲速與總孔隙率、抗壓強(qiáng)度、干密度等存在相關(guān)關(guān)系。超聲波在混凝土中的傳播路徑是非直線型的，傳播過(guò)程中會(huì)繞開裂縫和孔隙等內(nèi)部缺陷。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，不同齡期下不同機(jī)制砂摻量的混凝土中超聲波聲速的變化規(guī)律較為混亂，例如齡期為90 d時(shí)，天然砂混凝土的超聲波聲速大于混合砂混凝土的超聲波聲速，即說(shuō)明在天然砂混凝土中聲波傳播速度快，混凝土密實(shí)程度高，內(nèi)部孔隙較少。齡期為3 d和7 d時(shí)，情況相反，混合砂混凝土的超聲聲速大于天然砂混凝土的超聲波聲速。超聲波聲速受多因素影響，在探究其變化規(guī)律時(shí)應(yīng)該結(jié)合更多的變量指標(biāo)。

圖3 機(jī)制砂含量對(duì)不同齡期混凝土超聲聲速的影響

3.3 收縮應(yīng)變

混凝土收縮是指在非荷載作用下，因體積變化而產(chǎn)生的變形?；炷僚渲眠^(guò)程中的水灰比、水泥活性、集料(粗細(xì)骨料)以及制備之后的養(yǎng)護(hù)環(huán)境等因素都會(huì)影響混凝土的收縮?；炷恋氖湛s應(yīng)變是用來(lái)表征收縮大小的一個(gè)指標(biāo)。圖4所示為不同機(jī)制砂含量的混凝土收縮應(yīng)變隨齡期的變化規(guī)律，觀察圖4可知，在六組不同的機(jī)制砂含量的混凝土中，收縮應(yīng)變隨齡期的變化規(guī)律是相同的。隨著齡期的增長(zhǎng)收縮應(yīng)變?cè)龃螅⑶亿呌谝粋€(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。混凝土的收縮變形主要發(fā)生在28 d之前，以JZ40為例：28 d的收縮應(yīng)變是120 d的73.6%。從本試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，混合砂混凝土中玄武巖機(jī)制砂含量超過(guò)60%時(shí)，混凝土的收縮應(yīng)變高于天然砂混凝土。相反當(dāng)混合砂混凝土中玄武巖機(jī)制砂含量為40%時(shí)，最有利于降低混凝土的收縮應(yīng)變，JZ40的收縮應(yīng)變比天然砂收縮應(yīng)變的14%低。

圖4 機(jī)制砂含量對(duì)混凝土收縮應(yīng)變的影響

適量玄武巖機(jī)制砂和天然砂混合使用可以降低混凝土的收縮應(yīng)變，主要原因是適當(dāng)?shù)男鋷r機(jī)制砂和天然砂混合能夠有效的改善顆粒級(jí)配、細(xì)度模數(shù)，其次機(jī)制砂中的石粉可以改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，使混凝土變大更加密實(shí)，提高抗水滲透的性能，降低收縮率[13]。

3.4 齡期與收縮應(yīng)變的關(guān)系

鄭怡、徐以艷研究了石灰?guī)r質(zhì)機(jī)制砂混凝土收縮徐變特性與普通混土收縮徐變特性的區(qū)別，結(jié)果表明：石灰?guī)r質(zhì)機(jī)制混凝土收縮徐徐變發(fā)展規(guī)律與普通混凝土相似，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與ACI209模型吻合較好，以ACI209模型為基礎(chǔ)，對(duì)石灰?guī)r質(zhì)機(jī)制砂混凝土收縮徐變模型進(jìn)行修正。通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到玄武巖質(zhì)機(jī)制砂混凝土的收縮特性。玄武巖機(jī)制撒砂含量為40%時(shí)，相同齡期下混凝土試塊收縮應(yīng)變最小。為了進(jìn)一步確定JZ40混合砂混凝土收縮應(yīng)變與齡期的關(guān)系，對(duì)JZ40的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合分析。擬合過(guò)程中發(fā)現(xiàn)線性擬合和二次函數(shù)擬合離散性較大，所以選擇三次函數(shù)、四次函數(shù)和五次函數(shù)進(jìn)行擬合分析，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 擬合圖

對(duì)比三種曲線關(guān)系可知，三次函數(shù)擬合的數(shù)據(jù)較實(shí)測(cè)值偏差較大，四次函數(shù)擬合曲線和五次函數(shù)擬合曲線與實(shí)測(cè)值較吻合，可靠度高。三條曲線的相關(guān)系數(shù)R2由小到大依次為0.904、0.948、0.996，雖然五次函數(shù)的擬合曲線的相關(guān)系數(shù)最大，但是擬合曲線的發(fā)展規(guī)律不符合混合砂混凝土收縮應(yīng)變隨齡期的變化規(guī)律。綜合對(duì)比可知，一元四次函數(shù)關(guān)系能夠較好的預(yù)測(cè)JZ40混合砂混凝土收縮應(yīng)變隨齡期的變化規(guī)律。

4 結(jié)論

(1)天然砂混凝土7 d、28 d、56 d的抗壓強(qiáng)度均高于同齡期玄武巖機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度，但是隨著齡期的增長(zhǎng)，不同含量玄武巖機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度趨向于天然砂混凝土的抗壓強(qiáng)度。

(2)超聲波聲速能夠有效的反應(yīng)混凝土的密實(shí)度，但以此指標(biāo)評(píng)價(jià)不同含量玄武巖機(jī)制砂混凝土的密實(shí)度時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，應(yīng)結(jié)合更多的影響因素對(duì)次進(jìn)行分析。

(3)相同齡期下，玄武巖機(jī)制砂的摻量對(duì)混凝土收縮應(yīng)變有較大的影響，純機(jī)制混凝土的收縮應(yīng)變?cè)谙嗤g期下最高。當(dāng)玄武巖機(jī)制砂含量低于40%時(shí)，玄武巖機(jī)制砂的摻入能夠改善混凝土的收縮變形。

(4)四次函數(shù)擬合能過(guò)夠很好的反應(yīng)混凝土的收縮應(yīng)變隨著齡期的變化規(guī)律，并且可靠度較高。