干法機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土 工作性能和力學(xué)性能的影響研究*

丁路靜，高建，陳全濱，張凱峰，伍娟，王建鵬，高鵬，王雙喜，馬金蕾，李微

（1. 中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安 710100；2. 中建西部建設(shè)（天津）有限公司，天津 300450；3. 西安高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，混凝土材料的消耗量越來(lái)越大，鑒于國(guó)家對(duì)河道的強(qiáng)化管理，天然砂資源短缺，機(jī)制砂替代天然砂配制混凝土已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨 勢(shì)[1-7]。與濕法制砂獲得的機(jī)制砂相比，干法制砂得到的機(jī)制砂石粉含量和含泥量均較高，且顆粒級(jí)配較差。機(jī)制砂顆粒巖性為石灰?guī)r時(shí)，石粉具有一定的活性。鑒于此，本文對(duì) 3 種廠家生產(chǎn)的干法機(jī)制砂進(jìn)行研究，研究不同石粉含量對(duì) C30 和 C50 兩種強(qiáng)度等級(jí)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律，為干法機(jī)制砂在混凝中的研究與應(yīng)用提供一些參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥采用山水 P·O42.5 低熱水泥，3d 抗壓強(qiáng)度 28.2MPa，28d 抗壓強(qiáng)度 53.5MPa，燒失量 1.58%，比表面積 370m2/kg。

（2）礦粉采用鑫征 S95 級(jí)礦粉，7d 活性指數(shù) 78%，28d 活性指數(shù) 97%，比表面積 410m2/kg，流動(dòng)度比 105%。

（3）粉煤灰采用北疆Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度 45μm 方孔篩篩余 26.1%，需水量比 99%，燒失量 2.7%。

（4）粗骨料采用河北遷安 5～25mm 連續(xù)級(jí)配的尾礦石，針片狀 3%，壓碎指標(biāo) 8%。

（5）外加劑采用中建聚羧酸高性能外加劑，減水率 20%，含固量 10%。

（6）拌和用水采用潔凈的自來(lái)水。

（7）細(xì)骨料采用河北遷安濕法尾礦砂搭配干法機(jī)制砂復(fù)合使用，其中尾礦砂細(xì)度模數(shù) 1.7，MB 值 1.3。干法機(jī)制砂性能指標(biāo)見表 1。三種干法機(jī)制砂的 SEM 掃描圖見圖 1。

表1 干法機(jī)制砂性能指標(biāo)

圖1 石粉砂 SEM 檢測(cè)圖

從圖 1 可以看出，三種石粉砂石粉在 40μm 倍數(shù)下顆粒形貌相似，均為不規(guī)則形狀顆粒，顆粒粒徑相差不大。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)研究干法機(jī)制砂石粉含量對(duì) C30 和 C50 兩種強(qiáng)度等級(jí)混凝土工作性能和 7d、28d 抗壓強(qiáng)度的影響。將干法機(jī)制砂烘干并篩分出石粉，按照 500kg/m3干法機(jī)制砂用量的百分比摻入，其中石粉含量控制為0%、9%、12%、15%、18%、21%?；炷粱鶞?zhǔn)配合比如表 2 所示。

表2 試驗(yàn)混凝土基準(zhǔn)配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同石粉含量干法機(jī)制砂混凝土的工作性能

不同石粉含量對(duì)干法機(jī)制砂混凝土工作性能的影響試驗(yàn)結(jié)果見表 3 和圖 2。

表3 不同石粉含量干法機(jī)制砂混凝土的工作性能

由表 3 所示，C30-0 和 C50-0 配合比中干法機(jī)制砂石粉含量為 0%，從圖 2 中能夠明顯地看出石粉含量為 0% 時(shí)，不同廠家生產(chǎn)的干法機(jī)制砂配制的混凝土坍落度和擴(kuò)展度均最小，且 1.5h 后的損失最大。這是因?yàn)榛炷林腥鄙倭艘徊糠?75μm 以下的石粉顆粒，組成混凝土的顆粒級(jí)配變差，造成混凝土拌合物包裹性能差、和易性差，混凝土較分散，易產(chǎn)生泌水泌漿的現(xiàn)象。

從圖 2-a) 中可以看出，盛泰干法機(jī)制砂混凝土在石粉含量為 15% 時(shí)，坍落度達(dá)到最大值，1.5h 經(jīng)時(shí)損失 15mm；土潤(rùn)祥和干法機(jī)制砂在石粉含量為 12% 時(shí)坍落度達(dá)到最大值，1.5h 經(jīng)時(shí)損失 10mm；臥龍干法機(jī)制砂在 15% 和 18% 石粉含量時(shí)，坍落度值相同，達(dá)到最大值，1.5h 經(jīng)時(shí)損失 10mm。雖然三種廠家干法機(jī)制砂混凝土坍落度最大值不同，最大值對(duì)應(yīng)的石粉含量也不同，但隨石粉含量變化的趨勢(shì)一致，均是隨石粉含量的增長(zhǎng)先增加后降低。

從圖 2-b) 中可以看出，三種干法機(jī)制砂均在石粉含量為 15% 時(shí)，擴(kuò)展度達(dá)到最大值，且混凝土擴(kuò)展度隨石粉含量的增長(zhǎng)先增加后降低，呈現(xiàn)出的變化趨勢(shì)與坍落度一致。

圖2-c) 和圖 2-d) 中干法機(jī)制砂混凝土的坍落度和擴(kuò)展度隨石粉含量的變化趨勢(shì)與圖 2-a) 和圖 2-b) 一致。

圖2 不同石粉含量對(duì)混凝土工作性能影響

當(dāng)石粉含量為 21% 時(shí)，C30 和 C50 混凝土的坍落度值和擴(kuò)展度值均減小，且 1.5h 后的經(jīng)時(shí)損失值增大，表明混凝土在石粉含量 21% 時(shí)，工作性能變差，且易損失。這說明當(dāng)干法機(jī)制砂中的石粉含量過高時(shí)將對(duì)混凝土的工作性能產(chǎn)生不利影響。

因此，當(dāng)干法機(jī)制砂中石粉含量在 12%～18% 時(shí)，混凝土工作性能最優(yōu)。

干法機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土工作性能影響規(guī)律為隨石粉含量的逐漸增加，工作性能先逐漸變好后又劣化，這是因?yàn)楫?dāng)石粉含量為 0% 時(shí)，混凝土整體級(jí)配因缺少部分 75μm 以下的顆粒變差，混凝土中粉料量相對(duì)減少，混凝土的包裹性變差，工作性能變差。隨著石粉含量的逐漸提高，混凝土中的粉料體系相對(duì)增加，漿體量逐漸增多，整體顆粒級(jí)配逐漸趨于更加合理，粉料與骨料顆粒之間的空隙能夠更好的被填充，從而使混凝土的工作性能得到改善，逐漸優(yōu)化，達(dá)到最優(yōu)。但在相同用水量下，當(dāng)石粉含量超過某一臨界值時(shí)，多余的石粉顆粒會(huì)吸附水和外加劑，這會(huì)造成混凝土粘度增大，外加劑用量增多，從而使混凝土工作性能劣化變差，不利于工作性能的保持。

2.2 不同石粉含量干法機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能

C30 和 C50 混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表 4 和圖 3、圖 4 所示。

表4 不同石粉含量干法機(jī)制砂混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度

圖3 C30 干法機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能

圖4 C50 干法機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能

從圖 3 可以看出，在石粉含量為 0% 時(shí)，三種干法機(jī)制砂配制的混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度均小于 30MPa，為滿足混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)要求。隨石粉含量的逐漸增加，混凝土抗壓強(qiáng)度均得到了一定的提升，且呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，不同廠家干法機(jī)制砂配制的混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度有所不同，但變化趨勢(shì)一致。盛泰干法機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度最高，在石粉含量 12% 達(dá)到最高值，為 51.6MPa；臥龍干法機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度同樣在石粉含量 12% 時(shí)達(dá)到最高值，為 42.4MPa；土潤(rùn)祥和干法機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度最大值為 45.9MPa，此時(shí)的石粉含量為 18%。當(dāng)石粉含量為 21% 時(shí)，盛泰干法機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度為 47.7MPa，土潤(rùn)祥和干法機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度為 36.7MPa，臥龍干法機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度為 41.4MPa，與最大值相比均有所降低，但同時(shí)也都滿足強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)要求。

由圖 4 可知，石粉含量為 0% 時(shí)，三種干法機(jī)制砂混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度值最低，分別為盛泰干法機(jī)制砂 58.9MPa，土潤(rùn)祥和干法機(jī)制砂 56.3MPa，臥龍干法機(jī)制砂 53.4MPa，均滿足強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)要求。C50 混凝土受石粉含量變化的影響規(guī)律同 C30 混凝土一致，均為先增加后降低。三種干法機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度均在石粉含量 15% 時(shí)達(dá)到最大值。

干法機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律與工作性能影響規(guī)律一致，均為隨石粉含量的逐漸增加，抗壓強(qiáng)度先增長(zhǎng)后降低。這是由于石粉含量的增加能夠改善混凝土整體顆粒級(jí)配，使混凝土結(jié)構(gòu)更為致密，抗壓強(qiáng)度更高；試驗(yàn)采用的三種干法機(jī)制砂的巖性均為石灰?guī)r，這也使得石粉具有一定的活性，能夠發(fā)生水化反應(yīng)，為混凝土提供一定的強(qiáng)度，使混凝土強(qiáng)度有所增長(zhǎng)。但是當(dāng)石粉含量過高時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低，這是因?yàn)檫^量的石粉會(huì)在混凝土拌合過程中吸附水和外加劑，致使膠凝材料體系中活性更高的水泥和礦物摻合料能夠用于水化反應(yīng)的水量減少，限制了水化進(jìn)程，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低；且過量的石粉會(huì)導(dǎo)致混凝土整體顆粒級(jí)配失衡，結(jié)構(gòu)致密性降低，混凝土強(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

（1）干法機(jī)制砂中的石粉能夠改善混凝土的工作性能和力學(xué)性能，隨石粉含量的增加，混凝土工作性能逐漸改善，力學(xué)性能逐漸增強(qiáng)，但存在某一臨界值，當(dāng)石粉含量超過臨界值時(shí)，工作性能和力學(xué)性能均會(huì)出現(xiàn)劣化現(xiàn)象。

（2）試驗(yàn)中三種廠家的干法機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能影響規(guī)律一致。當(dāng)石粉含量為12%～18% 時(shí)，混凝土的工作性能和力學(xué)性能最優(yōu)。當(dāng)石粉含量大于 18% 后，混凝土的工作性能和力學(xué)性能會(huì)出現(xiàn)劣化現(xiàn)象。