高石粉含量石灰岩机制砂混凝土性能研究

杨 鲁，谭盐宾，邱志雄，李化建，王 钊，谢永江

(1．中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2．高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081; 3．中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081;4．广东潮惠高速公路有限公司，广东 广州 510000)

高石粉含量石灰岩机制砂混凝土性能研究

杨 鲁1，2，3，谭盐宾1，2，3，邱志雄4，李化建1，2，王 钊4，谢永江1，2

(1．中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2．高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081; 3．中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081;4．广东潮惠高速公路有限公司，广东 广州 510000)

为解决潮惠高速公路沿线优质河砂资源紧缺问题，减少石粉对环境的不良影响，试验研究了高石粉含量石灰岩机制砂混凝土工作性能、力学性能、收缩变形性能和耐久性能，并与河砂混凝土进行了对比。结果表明，石灰岩机制砂可替代河砂作为细骨料，并可将石粉含量限值提高至9.6%;机制砂混凝土可通过外加剂调整其工作性能，使之与河砂混凝土相当;机制砂混凝土的抗压强度和弹性模量与河砂混凝土相当，而机制砂混凝土抗折强度略高;机制砂混凝土收缩变形性能和耐久性能较优。

石灰岩 机制砂 混凝土

虽然我国天然砂产量大，但受到自然资源分布不均和政府河砂资源限采政策的影响，部分地区的天然砂越来越无法满足日益增长的混凝土用量的需求［1］。在建潮惠高速公路沿线天然河砂资源分布较多，但河砂级配不良，细度模数多超过3.0，无法满足工程要求，且长距离的河砂运输造成建设成本显著增加，甚至会影响工期。

机制砂是岩石破碎加工而成的人工砂，与天然砂相比，机制砂表面粗糙、多棱角，含有较多的石粉，且压碎值普遍偏大，机制砂这些特性都会影响到混凝土性能［2-3］。机制砂在制备过程中不可避免地会产生大量的石粉(粒径＜75 μm的细小颗粒)，而我国机制砂标准中多要求石粉含量≤7%［4-6］。为了控制机制砂质量，筛除下来的大量的石粉堆积如山，给环境带来了较重的负担。为解决潮惠高速公路沿线优质河砂资源紧缺问题，减少机制砂在破碎过程中产生的石粉对环境的不良影响，试验以石粉含量高达9.6%的石灰岩机制砂为细骨料，对比研究了公路桥梁用石灰岩机制砂混凝土与河砂混凝土的工作性能、力学性能、收缩变形性能和耐久性能，以期为拓展高石粉含量石灰岩机制砂在东南沿海地区公路工程中的应用提供理论支持。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥为北京金隅P．O42.5水泥，其性能指标见表1;矿物掺合料为山东聊城电厂Ⅰ级粉煤灰和山东济南S95矿渣粉，其性能指标见表2和表3;细骨料分别为石粉含量9.6%、细度模数2.8的石灰岩机制砂，及细度模数2.6的Ⅱ区河砂;粗骨料为5～20 mm连续级配碎石;减水剂为减水率29%的非引气型聚羧酸减水剂。

表1 水泥的性能指标

表2 粉煤灰的性能指标

1.2 试验方法

1)坍落度、扩展度、含气量试验按照《普通混凝土拌合物性能检测标准》(GB/T 50080—2002)进行。

表3 矿渣粉的性能指标

2)力学性能按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行。

3)收缩变形性能和耐久性能按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)进行。

1.3 混凝土配合比

潮惠高速公路处于沿海地区，混凝土采用粉煤灰和矿渣粉双掺技术是有效的防腐蚀措施之一。具体配合比见表4，其中J系列为机制砂混凝土，H系列为河砂混凝土;Z表示强度等级为C35的灌注桩混凝土，D表示强度等级为C40的墩台混凝土，L表示强度等级为C50的梁体混凝土。

2 结果与讨论

2.1 拌合物性能

表5为不同结构部位的混凝土拌合物性能。采用双掺技术的石灰岩机制砂混凝土和易性良好，并通过调整减水剂和引气剂用量可使其工作性能与河砂混凝土性能相当。结合表4和表5可知，扩展度和含气量相当时，机制砂混凝土减水剂掺量比河砂混凝土高出120% ～141%，引气剂掺量则高出400% ～750%，这主要是由于石灰岩机制砂中含有9.6%的石粉，虽然导致对减水剂和引气剂的吸附作用显著增大，仍可通过外加剂调整机制砂混凝土工作性能与河砂混凝土相当。

表4 混凝土配合比kg/m3

表5 混凝土拌合物性能

2.2 力学性能

2.2.1 抗压强度

图1为不同结构部位机制砂混凝土与河砂混凝土抗压强度对比结果。由图可知，在相同配合比参数条件下，采用石灰岩机制砂制备的混凝土能满足不同强度等级要求;灌注桩和梁体石灰岩机制砂混凝土各龄期抗压强度与河砂混凝土相当，墩台石灰岩机制砂混凝土各龄期抗压强度则明显高于河砂混凝土。这表明相同配合比条件下，使用石粉含量高达9.6%的石灰岩机制砂对混凝土强度影响不大。而墩台河砂混凝土抗压强度低可能是由于河砂混凝土坍落度略高于机制砂混凝土，骨料分布不均导致强度略低。2.2.2 抗折强度

图1 不同结构部位混凝土抗压强度对比

图2为不同结构部位机制砂混凝土与河砂混凝土抗折强度对比结果。由图可知，石灰岩机制砂混凝土28 d抗折强度均高于河砂混凝土;而56 d抗折强度除墩台机制砂混凝土明显高于河砂混凝土外，灌注桩和梁体机制砂混凝土均与河砂混凝土相当。这主要由于界面强度是影响混凝土抗折强度的主要因素之一，机制砂表面粗糙，其与水泥浆体的机械咬合力高于河砂，同时，适当的石粉含量可以提高水泥浆体的密实度，因此，虽然含有较多石粉，机制砂混凝土早期抗折强度仍然高于河砂混凝土。

图2 不同结构部位混凝土抗折强度对比

2.2.3 弹性模量

梁体混凝土要进行预应力张拉，因而需要考虑其弹性模量。图3为梁体混凝土弹性模量，由图可知，石灰岩机制砂混凝土弹性模量与河砂混凝土相当，特别是早期，河砂混凝土28 d弹性模量为45.1 GPa，石灰岩机制砂混凝土为44.2 GPa;56 d河砂混凝土弹性模量增长到50.1 GPa，机制砂混凝土则为47.3 GPa。梁体石灰岩机制砂混凝土和河砂混凝土弹性模量相当，均超过35.5 GPa，能够满足桥梁的设计要求［7］。

图3 梁体混凝土弹性模量

2.3 收缩变形性能

图4为梁体和墩台混凝土收缩变形性能。由图可知，石灰岩机制砂对混凝土干缩变形没有不利影响，石灰岩机制砂混凝土干燥收缩还略小于河砂混凝土。这主要是由于机制砂中含有的部分石粉产生了填充效应，增大了浆体的密实度［8］。同时，也反映出石灰岩机制砂石粉含量即便达到9.6%，也不会加剧混凝土的收缩变形，这对于石灰岩机制砂混凝土抗裂性能是非常有利的。

图4 梁体和墩台混凝土干燥收缩变形

2.4 耐久性能

图5为不同结构部位混凝土电通量和氯离子扩散系数。由图可知，3种结构用石灰岩机制砂混凝土56 d电通量和氯离子扩散系数均低于对应的河砂混凝土，说明不同结构用石灰岩机制砂混凝土抗氯离子渗透能力均高于河砂混凝土。采用相同配合比的机制砂和河砂混凝土，机制砂混凝土抗氯离子渗透能力的提高主要是由于机制砂中石粉的存在，石粉具有一定的填充效应，并为水泥水化反应提供成核效应［9］，可以有效地提高水泥混凝土的密实度，从而提高了混凝土的抗氯离子渗透能力。

图5 不同结构部位混凝土电通量和氯离子扩散系数

3 结论

1)通过对比石灰岩机制砂混凝土和河砂混凝土工作性能、力学性能、收缩变形性能和耐久性能可知，石灰岩机制砂可替代河砂作为细骨料使用，并可将石粉含量限值放宽至9.6%。

2)石灰岩机制砂混凝土对减水剂和引气剂的吸附能力明显高于河砂混凝土，但仍然可以通过外加剂调整其工作性能与河砂混凝土相当。

3)石灰岩机制砂混凝土与河砂混凝土抗压强度和弹性模量相当，而石灰岩机制砂混凝土的抗折强度略高。

4)试验制备的梁体和墩台机制砂混凝土收缩变形性能和耐久性能均明显优于河砂混凝土，机制砂混凝土可用于公路桥梁各结构部位。

［1］徐健，蔡基伟，王稷良，等．人工砂与人工砂混凝土的研究现状［J］．国外建材科技，2004，25(3):20-24．

［2］李北星，周明凯，田建平，等．石粉与粉煤灰对C60机制砂高性能混凝土性能的影响［J］．建筑材料学报，2006，9(4): 381-387．

［3］王雨利，王稷良，周明凯，等．机制砂及石粉含量对混凝土抗冻性能的影响［J］．建筑材料学报，2008，11(6):726-731．

［4］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．GB/T 14684—2011 建筑用砂［S］．北京:中国标准出版社，2011．

［5］中华人民共和国交通部．JT/T 819—2011 公路工程水泥混凝土用机制砂［S］．北京:人民交通出版社，2011．

［6］中华人民共和国建设部．JGJ 52—2006 普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准［S］．北京:中国建筑工业出版社，2006．

［7］中华人民共和国铁道部．TB 10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［8］王稷良，周明凯，朱立德，等．机制砂对高强混凝土体积稳定性的影响［J］．武汉理工大学学报，2007，29(10):20-24．

［9］刘数华．石灰石粉对复合胶凝材料水化特性的影响［J］．建筑材料学报，2010，13(4):218-221．

Study on performance of concrete with high stone powder
content using manufactured sand

YANG Lu1，2，3，TAN Yanbin1，2，3，QIU Zhixiong4，LI Huajian1，2，WANG Zhao4，XIE Yongjiang1，2
(1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2．State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China;3．Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;4．Guangdong Chao Hui Highway Co．，Ltd．，Guangzhou Guangdong 510000，China)

T he paper aims to resolve the scarcity of high-quality fluvial sand along Chaohui highway and to undermine the negative impact that stone powder exerts to the surrounding environment．On this basis，it carries out experimental study on the working performance，mechanical property，durability，contraction and deformation of high stone powder content concrete with limestone manufactured sand，then compares the findings with the performance of fluvial sand concrete．T he results indicate that limestone manufactured sand may serve as the replacement of fluvial sand as fine aggregate，which raise the cap ratio of quarry dust to 9.6%．At the same time，the working performance of concrete with manufactured sand can be altered by the means of admixture，drawing on a par with that of the fluvial sand concrete．T hough the two concretes tend to stand neck to neck in terms of compressive strength and elastic modulus，concrete with manufactured sand displays a slight edge in bending resistance and it stands out for its performance in durability and resistance to contraction and deformation．

Limestone;M anufactured sand;Concrete

TU528．59

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．34

(责任审编 周彦彦)

2015-01-20;

:2015-03-29

广东交通集团科研项目(13125C43)

杨鲁(1988— )，男，山东聊城人，助研，博士研究生。

1003-1995(2015)08-0119-04