兩種生產(chǎn)工藝機(jī)制砂摻配對(duì)混凝土性能的影響

董藏龍 肖志敏 夏京亮

(1.中交四航局第一工程有限公司， 廣州 510000； 2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司， 北京 100013)

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)量的增加和國(guó)家環(huán)保要求的提高，河砂資源匱乏現(xiàn)象日益顯著，工程中機(jī)制砂代替河砂配制混凝土已經(jīng)成為鐵路行業(yè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)[1]。機(jī)制砂是經(jīng)除土處理，由機(jī)械破碎、篩分制成的粒徑小于4.75 mm的巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣顆粒，但是不包括軟質(zhì)、風(fēng)化的顆粒[2]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于機(jī)制砂及機(jī)制砂混凝土研究愈加廣泛，包括機(jī)制砂各技術(shù)指標(biāo)，級(jí)配、巖性、石粉、MB值等對(duì)混凝土性能的影響[3-6]；機(jī)制砂混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性能、疲勞性能等方面[7-9]。然而對(duì)于機(jī)制砂生產(chǎn)工藝的研究不多[10]，尤其是濕法制砂得到的水洗砂和干法制砂得到的風(fēng)吸砂摻配比例問題。本文分析水洗砂和風(fēng)吸砂的差異，研究不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂摻配比例對(duì)泵送混凝土工作性能、抗壓強(qiáng)度、電通量和碳化性能的影響，旨在提高工程混凝土質(zhì)量，推進(jìn)機(jī)制砂混凝土應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

(1)水泥：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其性能如表1所示。

表1 P·O 42.5水泥物理性能表

(2)粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度(45 μm方孔篩篩余)15.3%，需水量比98.3%，28 d活性指數(shù)78.5%。

(3)機(jī)制砂：兩種生產(chǎn)工藝機(jī)制砂，一種為水洗除粉工藝生產(chǎn)，一種為干法生產(chǎn)。

(4)粗骨料：5～10 mm和10～20 mm兩種規(guī)格，摻配比例為2∶8，摻配后碎石級(jí)配如圖1所示，表觀密度為 2 680 kg/m3，孔隙率為39%，針片狀含量4%。

圖1 碎石級(jí)配曲線圖

(5)減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，減水率28%，含氣量2.3%，壓力泌水率比42%，28 d抗壓強(qiáng)度比159%。

1.2 試驗(yàn)混凝土配合比

采用C35強(qiáng)度等級(jí)泵送混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，水洗砂和風(fēng)吸砂比例分別為4∶6、5∶5、6∶4、7∶3四種，具體各組代號(hào)相應(yīng)的混凝土配合比如表2所示。

表2 試驗(yàn)混凝土配合比表

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土工作性能按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試；抗壓強(qiáng)度按照GB/T 50081-2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm；電通量和碳化性能按照GB/T 50082-2009《普通混凝土耐久性和長(zhǎng)期性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

2 混凝土性能分析

2.1 兩種工藝機(jī)制砂對(duì)比

兩種生產(chǎn)工藝機(jī)制砂均采用沖擊式制砂機(jī)生產(chǎn)，區(qū)別在于水洗砂采用輪式吸砂機(jī)洗掉部分石粉來控制機(jī)制砂石粉含量，風(fēng)吸砂采用旋風(fēng)吸塵器通過風(fēng)力將部分石粉吸出控制機(jī)制砂石粉含量。兩種機(jī)制砂顆粒形貌如圖2所示。從圖2可以看出，兩種機(jī)制砂顆粒粒形相近，說明制砂工藝是相同的，差別在于風(fēng)吸砂顆粒表面附著石粉較多，顏色較淺。

圖2 兩種工藝機(jī)制砂顆粒形貌圖

兩種生產(chǎn)工藝機(jī)制砂技術(shù)指標(biāo)如表3所示，級(jí)配情況如圖3所示。從表3、圖3可以看出，兩種機(jī)制砂級(jí)配相近，風(fēng)吸砂略粗，水洗砂細(xì)度模數(shù)為3.27，風(fēng)吸砂細(xì)度模數(shù)為3.33；水洗砂相對(duì)風(fēng)吸砂相對(duì)較干凈，水洗砂MB值為0.9，而風(fēng)吸砂MB值為1.2，風(fēng)吸砂MB值高出33.3%；風(fēng)吸砂石粉含量較低，僅為7.8%，而水洗砂為9.6%；兩種機(jī)制砂壓碎值相近，水洗砂為12.1%，風(fēng)吸砂為14.5%；采用JG/T 568-2019《高性能混凝土用骨料》試驗(yàn)了兩種機(jī)制砂需水量比，該方法首先采用ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，在水泥與標(biāo)準(zhǔn)砂比例為1∶3、水灰比為0.5的情況下測(cè)試砂漿流動(dòng)度，然后再采用機(jī)制砂，在水泥和砂比例相同的前提下，通過摻加不同用量的水，調(diào)整機(jī)制砂漿流動(dòng)度使其接近標(biāo)準(zhǔn)砂的砂漿流動(dòng)度，以此時(shí)的用水量和標(biāo)準(zhǔn)砂漿用水量之比為機(jī)制砂需水量比，用于表征機(jī)制砂的整體性能。機(jī)制砂粒形越好、級(jí)配越佳、石粉含量越恰當(dāng)，需水量比越小。從試驗(yàn)結(jié)果可知，水洗砂需水量比為112%時(shí)，可達(dá)到JG/T 568-2019《高性能混凝土用骨料》標(biāo)準(zhǔn)中特級(jí)人工砂要求，風(fēng)吸砂需水量比為121%時(shí)，可達(dá)到JG/T 568-2019《高性能混凝土用骨料》標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ級(jí)人工砂要求。整體來看水洗砂要優(yōu)于風(fēng)吸砂。

表3 兩種工藝機(jī)制砂技術(shù)指標(biāo)表

圖3 兩種工藝機(jī)制砂級(jí)配曲線圖

2.2 對(duì)泵送混凝土性能的影響

為探究濕法生產(chǎn)和干法生產(chǎn)兩種生產(chǎn)工藝的機(jī)制砂摻配比例對(duì)泵送混凝土工作性能的影響，試驗(yàn)采用不同比例的水洗砂和風(fēng)吸砂摻配配制了C35強(qiáng)度等級(jí)混凝土，混凝土外加劑摻量和工作性能如表4所示。

表4 兩種機(jī)制砂摻配對(duì)混凝土工作性能的影響表

由表4的試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著水洗砂摻配比例的提高，混凝土減水劑摻量呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，水洗砂/風(fēng)吸砂為4/6時(shí)，減水劑摻量為5.77 kg/m3，而當(dāng)水洗砂/風(fēng)吸砂為7/3時(shí)，減水劑摻量為5.37 kg/m3，節(jié)約減水劑用量0.4 kg/m3。在節(jié)約了減水劑用量的情況下，提高水洗砂比例，混凝土工作性能仍然在改善。水洗砂/風(fēng)吸砂為4/6時(shí)，混凝土坍落度為200 mm，擴(kuò)展度為490 mm；而水洗砂/風(fēng)吸砂為7/3時(shí)，混凝土坍落度為220 mm，擴(kuò)展度為570 mm，坍落度提高了20 mm，擴(kuò)展度提高了80 mm，混凝土流動(dòng)性得到較大改善。若采用泵送施工工藝，推薦機(jī)制砂摻配比例水洗砂/風(fēng)吸砂為7/3。

為控制石粉含量,水洗砂經(jīng)過水洗，使得機(jī)制砂為控制石粉含量，較為干凈，MB值為0.9，而風(fēng)吸砂MB值較大，為1.2，使得配制混凝土?xí)r，風(fēng)吸砂對(duì)減水劑的吸附作用較為明顯，降低了混凝土流動(dòng)性。兩種機(jī)制砂需水量比試驗(yàn)(該試驗(yàn)沒有用到減水劑)也呈現(xiàn)了相似的規(guī)律。

圖4 不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂摻配比例對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響圖

2.3 混凝土抗壓強(qiáng)度

不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂摻配比例對(duì)泵送混凝土抗壓強(qiáng)度影響如圖4所示。從圖4可以看出，隨著水洗砂摻配比例的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大。7 d試驗(yàn)齡期時(shí)，水洗砂/風(fēng)吸砂為5/5、6/4、7/3的3組混凝土抗壓強(qiáng)度較水洗砂/風(fēng)吸砂為4/6的抗壓強(qiáng)度分別增加了2.1%、3.9%和6.5%；56 d試驗(yàn)齡期時(shí)，水洗砂/風(fēng)吸砂為5/5、6/4、7/3的3組混凝土抗壓強(qiáng)度較水洗砂/風(fēng)吸砂為4/6的抗壓強(qiáng)度分別增加了4.3%、6.0%和10.2%。這主要是因?yàn)椋?1)水洗砂石粉含量較高，隨著水洗砂比例的增加，整個(gè)細(xì)骨料體系中石粉含量在增加，對(duì)于混凝土而言相當(dāng)于水粉比增加，增加了混凝土強(qiáng)度；(2)隨著機(jī)制砂石粉含量的增加，較細(xì)的石粉在水泥漿體中起到了填充作用，增加了混凝土強(qiáng)度；(3)由于水洗砂技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于風(fēng)吸砂，水洗砂摻配比例較高的混凝土工作性能較好，混凝土成型時(shí)更加容易密實(shí)，從而提高了混凝土強(qiáng)度。上述三個(gè)方面的綜合作用，使得混凝土抗壓強(qiáng)度隨著水洗砂摻配比例的增加而提高。

2.4 電通量

不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂摻配比例對(duì)泵送混凝土電通量的影響如圖5所示。從圖5可以看出，不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂摻配比例對(duì)混凝土電通量的影響不是特別明顯，隨著水洗砂摻配比例的增加，混凝土電通量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。56 d試驗(yàn)齡期時(shí)，水洗砂/風(fēng)吸砂為5/5、6/4、7/3的3組混凝土電通量較水洗砂/風(fēng)吸砂為4/6的電通量分別降低了4.5%、3.6%和15.3%，水洗砂/風(fēng)吸砂為5/5和6/4兩組混凝土56 d的電通量基本一致。其主要原因?yàn)椋?1)水洗砂石粉含量較高，隨著水洗砂摻配比例的增加，混凝土中石粉含量在增加，增加的石粉密實(shí)了混凝土；(2)水洗砂摻配比例增加，混凝土工作性能更優(yōu)，混凝土成型更加密實(shí)；(3)機(jī)制砂中石粉在水泥水化時(shí)具有一定的晶核效應(yīng)，能夠提高水泥水化速率，進(jìn)一步提高混凝土密實(shí)性。

圖5 不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂摻配比例對(duì)混凝土電通量的影響圖

2.5 抗碳化性能

不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂摻配比例對(duì)泵送混凝土電通量的影響如圖6所示。從圖6可以看出，混凝土碳化深度隨著水洗砂摻配比例的增加呈現(xiàn)明顯減小趨勢(shì)，28 d試驗(yàn)齡期時(shí)，水洗砂/風(fēng)吸砂為5/5、6/4、7/3的3組混凝土碳化深度較水洗砂/風(fēng)吸砂為4/6的碳化深度分別減小了9.2%、12.3%和24.6%；56 d試驗(yàn)齡期時(shí)，水洗砂/風(fēng)吸砂為5/5、6/4、7/3的3組混凝土碳化深度較水洗砂/風(fēng)吸砂為4/6的碳化深度分別減小了4.9%、12.2%和23.2%。這是由于水洗砂摻配比例增加，更加密實(shí)，使得混凝土抗碳化性能提高。

圖6 不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂摻配比例對(duì)混凝土碳化性能的影響圖

3 結(jié)論

本文分析了濕法制砂得到的水洗砂和干法制砂得到的風(fēng)吸砂的差異，試驗(yàn)研究了不同生產(chǎn)工藝機(jī)制砂摻配比例對(duì)鐵路工程泵送混凝土工作性能、抗壓強(qiáng)度、電通量和碳化性能的影響，得到如下結(jié)論：

(1)兩種機(jī)制砂級(jí)配相近，風(fēng)吸砂略粗，水洗砂較干凈，風(fēng)吸砂石粉含量較低，兩種機(jī)制砂壓碎值相近，水洗砂需水量比較低，達(dá)到特級(jí)人工砂要求。

(2)隨著水洗砂摻配比例的提高，混凝土減水劑摻量呈降低趨勢(shì)，混凝土流動(dòng)性得到改善，推薦機(jī)制砂摻配比例水洗砂/風(fēng)吸砂為7/3。

(3)隨著水洗砂摻配比例的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大，混凝土電通量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，混凝土抗碳化性能提高，主要原因是水洗砂摻配比例增加，混凝土密實(shí)性得到了提高。

(4)研究工作推進(jìn)了機(jī)制砂混凝土應(yīng)用，提高機(jī)制砂混凝土質(zhì)量。