不同生产工艺机制砂对混凝土性能的影响

2018-10-17李家和王金业王明亮夏京亮周永祥高超张浩

新型建筑材料 2018年9期

李家和，王金业，王明亮，夏京亮，周永祥，高超，张浩

（1.云南交投集团公路建设有限公司，云南昆明 650228；2.中国建筑科学研究院，北京 100013；3.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011）

0 引言

天然河砂为不可再生资源，日益短缺，随着国家对环保要求越来越严格，各地河砂开采的限制也愈加严格，因此，应用机制砂代替天然河砂已成为混凝土行业不可逆转的趋势[1]。机制砂是经除土处理，由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75 mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但是不包括软质、风化的颗粒[2]。对于机制砂的研究，主要集中在机制砂级配[3-4]、石粉含量[5-6]、母岩特性[7]、粒形[8-9]、MB 值[10-11]等指标对混凝土性能的影响及机理研究[12]，机制砂混凝土配合比设计研究[13]，机制砂混凝土耐久性研究[14]。然而机制砂的应用和机制砂混凝土的性能很大程度上取决于机制砂生产工艺的不同，制砂机的破碎方式主要有颚式、圆锥式、反击式、对辊式和冲击式等，按照生产出来的机制砂颗粒形状的优劣排序为：冲击式制砂较好，反击式、圆锥式次之，而颚式、对辊式制砂最差。目前生产工艺对机制砂混凝土性能的影响系统对比研究较少，不利于先进的机制砂生产工艺在工程中推广应用。

本文采用普通工艺制砂和干法制砂2种生产工艺生产的机制砂配制C30、C55两个强度等级的混凝土，对比研究不同生产工艺机制砂对混凝土工作性能、力学性能和耐久性的影响。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：北京金隅P·O42.5水泥，主要性能指标见表1。

表1 水泥的主要性能指标

（2）粉煤灰：邹城电厂Ⅰ级粉煤灰，细度（45 μm方孔筛筛余）7.2%，需水量比93%，密度2.2 g/cm3。

（3）粗骨料：5～20mm连续级配石灰岩碎石，堆积密度1461 kg/m3，饱和面干吸水率0.9%。

（4）细骨料：采用传统普通制砂工艺和新型干法制砂工艺分别生产的机制砂，2种生产工艺见表2，传统普通制砂工艺主要是采用颚式破碎机和圆锥破两级破碎后筛分得到机制砂，而新型干法制砂工艺采用立式冲击破碎机，考虑石粉含量的控制和机制砂防离析措施。普通工艺机制砂中石粉含量15.9%、MB值1.5、细度模数3.0；干法制砂工艺机制砂中石粉含量13.8%、MB值0.5、细度模数2.9，2种生产工艺机制砂的级配见图1。

表2 普通生产工艺与干法制砂生产工艺

图1 2种生产工艺机制砂的级配

（5）减水剂：聚羧酸系高性能减水剂，减水率40%，泌水率比≤20%，坍落度保留值（1 h）≥140 mm。

（6）水：自来水。

1.2 混凝土配合比

参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》分别配制C30、C55混凝土，具体配合比见表3。

表3 试验混凝土的配合比

1.3 试验方法

混凝土拌合物工作性能按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；力学性能按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试；耐久性按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。

2 结果与分析

2.1 混凝土的工作性

不同生产工艺机制砂对混凝土工作性的影响见表4。

表4 不同生产工艺机制砂对混凝土工作性的影响

由表4可知，对于C30强度等级混凝土来说，混凝土坍落度达到相差不多的情况下，普通生产工艺机制砂需要掺加减水剂2.21 kg/m3，而干法制砂工艺机制砂仅需要掺加减水剂1.54 kg/m3，节约减水剂30%，即使少用30%的减水剂，干法制砂工艺机制砂配制的混凝土坍落度比普通工艺机制砂混凝土大10 mm，扩展度大55 mm；对于C55强度等级的混凝土，坍落度达到相差不多的情况下，普通生产工艺机制砂需要掺加减水剂2.90 kg/m3，而干法制砂工艺机制砂仅需要掺加减水剂2.23 kg/m3，节约减水剂23%，此时，干法制砂工艺机制砂配制的混凝土坍落度比普通工艺机制砂混凝土大15 mm，扩展度大65 mm。这主要是因为，干法制砂生产工艺生产的机制砂MB值为0.5，远低于普通工艺机制砂，使得其对外加剂的吸附作用小于普通工艺机制砂。另外，干法制砂采用反击式破碎机，生产的机制砂经过了颗粒之间的相互碰撞整形，机制砂棱角偏少，更加接近于圆形，有利于提高混凝土的工作性能。2种强度等级的混凝土对比，低强度等级混凝土干法制砂工艺生产的机制砂相对于普通工艺机制砂，节约减水剂更加明显，主要是因为低强度等级混凝土胶凝材料用量相对较少，此时机制砂品质较佳的优势更加突出。

3）锌肥。基肥可亩施硫酸钾10～15 kg，每3年施1次；喷施可用0.3%硫酸钾+0.3%尿素在萌芽至落花后2周混合喷施，或在萌芽前用3%～5%硫酸钾进行枝干涂抹。

2.2 混凝土的力学性能

不同生产工艺机制砂对混凝土力学性能的影响如图2所示。

图2 不同生产工艺机制砂对混凝土力学性能的影响

由图2（a）可知，对于C30强度等级混凝土，2种生产工艺机制砂对混凝土抗压强度影响不大，干法制砂机制砂配制的混凝土3 d、7 d、28 d和56 d抗压强度比普通工艺机制砂分别高6.3%、-2.5%、9.4%、3.1%；而对于C55强度等级混凝土，2种生产工艺机制砂对混凝土抗压强度影响更加明显，干法制砂机制砂配制的混凝土3 d、7 d、28 d和56 d抗压强度比普通工艺机制砂分别高5.5%、9.6%、10.1%、5.8%。

由图2（b）可知，对于C30强度等级混凝土，2种生产工艺机制砂对混凝土早龄期劈裂抗拉强度影响不大，28 d龄期后影响趋于明显，干法制砂机制砂配制的混凝土3 d、7 d、28 d和56 d劈裂抗拉强度比普通工艺机制砂分别高2.4%、2.9%、18.5%、5.0%；2种生产工艺机制砂对于C55强度等级混凝土劈裂抗拉强度的影响规律与C30强度等级混凝土一致，也是早龄期影响不大，28 d龄期后影响较为明显，干法制砂机制砂配制的混凝土3 d、7 d、28 d和56 d劈裂抗拉强度比普通工艺机制砂分别高1.1%、4.0%、8.5%、9.5%。另外，C55强度等级混凝土劈拉抗拉强度早龄期增长明显，随着时间的延长则趋于稳定，而C30强度等级混凝土的劈裂抗拉强度在56 d龄期之前均在稳定增长。

由图2（c）可知，对于C30强度等级混凝土，干法制砂机制砂配制的混凝土抗压弹性模量在各龄期均比普通工艺机制砂混凝土高，7 d、28 d、56 d分别高 2.3%、0.2%、3.9%；C55强度等级混凝土也有同样的规律，干法制砂机制砂配制的混凝土抗压弹性模量在各龄期均比普通工艺机制砂混凝土高，7 d、28 d、56 d分别高 18.2%、2.3%、3.2%。

综上，干法制砂工艺生产的机制砂配制的混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和抗压弹性模量均比普通工艺机制砂混凝土大，这主要是因为干法制砂机制砂配制的混凝土工作性能优于普通工艺机制砂混凝土，混凝土成型更容易密实，力学性能更佳；干法制砂生产工艺采用反击式破碎机，由于颗粒之间的相互碰撞，机制砂颗粒的薄弱部位均被碰掉，相对于普通工艺机制砂，在混凝土中薄弱环节更少。另外，由于颗粒之间的相互碰撞，机制砂颗粒更加趋于圆形，配制于混凝土，机制砂与水泥浆体之间的界面过渡区相对于普通工艺机制砂更少。

2.3 混凝土的耐久性

2.3.1 电通量

不同生产工艺机制砂对混凝土电通量的影响如表5所示。

表5 不同生产工艺机制砂对混凝土电通量的影响

2.3.2 抗碳化性能

不同生产工艺机制砂对混凝土抗碳化性能的影响如表6所示。

由表6可知，对于C30强度等级混凝土，干法制砂机制砂配制的混凝土抗碳化性能在各龄期均比普通工艺机制砂混凝土好，3 d、7 d、14 d和28 d碳化深度分别减小2.2%、3.6%、17.3%、12.5%；C55强度等级混凝土抗碳化性能的影响规律与C30强度等级混凝土一致，各龄期均是干法制砂机制砂配制的混凝土更优，3 d、7 d、14 d和28 d碳化深度分别减小9.5%、5.7%、5.1%、6.5%，这主要是因为干法制砂机制砂石粉含量比普通工艺机制砂少，配制的混凝土抗碳化性能更佳。