石灰石机制砂品质对混凝土性能的影响

2019-10-29朱华胜周剑波李传书苗永旺曾永平曾晓辉辜英晗沈卫国朱东敏佘志清

中国建材科技 2019年6期

朱华胜周剑波李传书苗永旺曾永平曾晓辉辜英晗沈卫国朱东敏佘志清

(1中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075；2中铁五局集团有限公司拉林铁路指挥部，贵州贵阳550000；3中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031；4武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北武汉 430000；5贵州成智重工科技有限公司，贵州贵阳 550000)

机制砂是经除土开采、机械破碎等方式，筛分后得到的粒径小于4.75mm的岩石、矿山尾矿或者工业废渣颗粒[1-3]。母岩的物理性能、机械设备及加工工艺等因素决定了其质量，故其性能与天然砂相比存在很大差异，具有含粉量高、颗粒多棱角、表面粗糙度大等特点，配置的混凝土易出现泌水、离析问题[4-6]。

机制砂代替天然砂作为混凝土细骨料已在铁路[7]、公路[8]、隧道[9]等工程中广泛应用，然而，机制砂品质受岩石材质和生产工艺影响较大，其对混凝土性能产生重要影响。砂的表面形态和石粉含量与破碎方式密切相关，辊压砂的表面最粗糙，其配置混凝土的抗压强度高[10]。机制砂的粉含量高于天然砂，而一定的石粉含量对混凝土的工作性能和力学性能有改善作用[11-16]。级配和砂率是混凝土配合比设计的关键指标，有研究表明提高砂率是改善机制砂混凝土和易性的有效措施[17-18]。

在机制砂主要性能参数中，颗粒级配、砂率等作为机制砂品质控制的关键指标，其对混凝土性能有着重要影响，然而从目前的生产现状来看，常存在级配不良或超出级配范围的情况，因此机制砂品质如何合理控制是工程中重点关注的问题之一。为此，本文将机制砂颗粒组成分6组，从各组分的含量及颗粒组成比例角度，深入研究机制砂颗粒级配、砂率及石粉含量对混凝土性能的影响，可为实际工程应用提供参考。

1 试验材料和方案

1）水泥

试验用水泥为拉法基普通硅酸盐水泥P.O 42.5。其基本性能如表1。

表1 水泥的基本性能

2）矿物掺合料

试验用掺合料为Ⅱ级粉煤灰。粉煤灰基本性能如表2。

表2 II级粉煤灰基本性能

3）集料

试验用粗骨料为级配碎石。该碎石由5～15mm和16～25mm两种粒级碎石掺配而成，配合比例分别为40%、60%，混合后形成5～25mm连续级配碎石，表观密度为2670kg/m-3，松散堆积密度1530kg/m-3。

细骨料为机制中砂，其性能指标如表3所示。

4）外加剂

减水剂采用宜宾天龙化工TL-1000聚羧酸高性能减水剂，掺量为0.8%～1.2%，减水率30%。

对机制砂进行筛分后取不同粒径的重新配置，得到细度模数不同的机制砂试样。石粉采用75μm筛筛出的原状石粉。以B区石灰岩机制砂的颗粒级配范围作为参照基准，设置了6种不同类型的级配，以研究级配、砂率等机制砂性能参数对C50石灰岩机制砂自密实混凝土性能的影响。各类型机制砂基本参数如表3，颗粒级配曲线如图1。

表3 实验分组及参数

图1 机制砂级配曲线

类型A为细砂，类型B、C、D、E为中砂，类型F为粗砂。根据规范中有关基准组B区砂级配上、下限范围，除类型F级配超出范围外，其他类型均符合B区砂的级配要求。另外，类型B、类型D的级配与沥青混合料的间断级配相似，分别具有“倒S型”“S型”级配特征，前者有利于形成骨架结构，后者有利于形成悬浮结构；类型C属于连续级配；类型A、E、F可以归结为不良级配。混凝土配合比设计参数见表4。

表4 C50机制砂混凝土配合比

2 结果及分析

2.1 机制砂级配对混凝土性能的影响

C50机制砂混凝土工作性能各项指标测试结果如表5及图2所示。由于类型A、E、F机制砂均属于不良级配，其所配制的自密实混凝土工作性能比较差。其中，类型A的级配中大于1.18mm颗粒组分含量过少、小于1.18mm颗粒组分含量过多，所配制的混凝土较黏，和易性较差，但保水性比较好；而类型E、F的级配中大于1.18mm颗粒组分含量过多，小于1.18mm颗粒组分含量过少，1.18mm筛档含量均大于45%，所配制的自密实混凝土表现出离析、泌水、骨料堆积、和易性差等问题。因此，对于机制砂选取，不同组分含量过多或过少，都会导致混凝土工作性能变差。当大于1.18mm颗粒组分含量过多时，混凝土出现泌水，骨料堆积出现离析；当小于1.18mm颗粒组分含量过多时，混凝土变得较为黏稠，难以浇筑。

相比之下，类型B、C、D的级配优于类型A、E、F，其大于1.18mm颗粒组分、小于1.18mm颗粒组分的含量比例保持在1:2左右，所配制的混凝土工作性能明显更好，充分发挥出大于1.18mm颗粒组分在整个混凝土中使混凝土集料间更连续的作用。

另外，在类型B、C、D中，其大于1.18mm颗粒组分的颗粒组成比例有所改变，特别是类型D缺少粒径2.36mm以上的颗粒，其相应自密实混凝土的坍落度、扩展度都小于类型B和类型C。因此，两种组分含量多少及大于1.18mm颗粒组分颗粒间的组成比例，即机制砂颗粒级配及其颗粒间连续程度，是决定混凝土工作性能优劣的重要因素。

表5 不同级配机制砂混凝土工作性能

图2 级配对混凝土塌落度及流动度的影响

7d、28d龄期抗压强度如图3所示，在原材料配合比相同的情况下，由于机制砂颗粒级配不同，所配制的混凝土强度具有明显差异。其中：①对于机制砂不良级配类型A、E、F，其所配制的混凝土强度均较低；②虽然类型B、C、D级配符合规范要求，但由于类型D大于1.18mm颗粒组分中2.36mm、4.75mm筛档颗粒严重缺失，导致混凝土强度明显偏低，其7d、28d强度比类型B降低8.8MPa、8.3MPa；而类型B、C大于1.18mm颗粒组分中含有2.36mm、4.75mm筛档颗粒且按一定比例组成，其所配制的混凝土强度明显提高，其中类型B的颗粒组成偏于骨架结构，其对应混凝土强度最高。因此，机制砂颗粒级配是影响混凝土强度的一个不容忽视的因素，且机制砂大于1.18mm颗粒组分的含量大小及颗粒间组成比例是影响混凝土强度的主要因素。

图3 级配对混凝土强度的影响

由试验结果可知，细度模数仅是表征砂的粗细程度的宏观指标，无法反映颗粒级配的真实情况，不能作为判断砂品质好坏的衡量指标。颗粒级配才是机制砂品质好坏的内在决定因素，对混凝土强度及工作性能影响效果显著，生产时应得到严格控制，并使颗粒级配曲线具有骨架密实特征。

以1.18mm筛孔为分界点，将机制砂颗粒组成分成两个组分。大于1.18mm颗粒组分主要影响混凝土的泌水性，小于1.18mm颗粒组分主要影响混凝土的保水性及黏聚性。为保证混凝土具有良好的工作性能，应使大于1.18mm颗粒和小于1.18mm颗粒组分的含量比例保持在1:2左右，并有效控制大于1.18mm颗粒组分颗粒组成比例。

2.2 机制砂砂率对混凝土性能的影响

砂浆在新拌混凝土中起到润滑作用，砂浆数量的提高(砂率的提高)对提高混凝土的流动性有利。在机制砂高性能混凝土中，机制砂的比表面积大、吸水量较大，砂率的增加也对流动性的提高有一定的负面影响，特别是机制砂中的石粉含量大，提高砂率后对流动性的负面影响更明显。实验选用了几种不同砂率，在相同水灰比条件下，分析了砂率对混凝土工作性能和强度的影响。试验结果见表6。

表6 不同砂率对机制砂混凝土性能的影响

由于机制砂表面粗糙，棱角多，且石粉含量普遍较高，从而导致机制砂混凝土和易性较易出现极端情况。砂率稍小，就容易出现离析泌水现象，砂率偏大，则表现为粘性过大，流动性显著降低，因此，砂率的选取对于机制砂混凝土的重要性，相比河砂混凝土，显得尤为重要。实验选取砂率范围36%～45%进行了试配，C50高性能混凝土砂率在39%～42%时和易性最佳。由图4和图5可知，随砂率增加，混凝土的塌落度基本不变，扩展度不断减小，强度显著增加。因此，在保证混凝土拌和物黏聚性和保水性良好的前提下，建议混凝土中机制砂的砂率范围为39%～42%。

图4 砂率对混凝土塌落度及流动度的影响

图5 砂率对混凝土强度的影响

2.3 机制砂石粉含量对混凝土性能的影响

适量的石粉能有效改善混凝土的各项性能，而过多的石粉含量会对混凝土性能产生不利的影响。因此，本文设计了0%～20%的石粉掺量，研究了石粉含量对混凝土和易性和力学性能的影响。试验结果如表7所示。

由图6可知，随机制砂中石粉含量从0%增加到20%，机制砂混凝土的和易性发生了显著变化，坍落度和扩展度都经历了一个先增加后减小的趋势。机制砂混凝土的坍落度和扩展度在石粉含量达到12%左右时达到最大值，分别为262mm和570mm，随后减小，当石粉含量为20%时，已低于石粉含量为0时的水平。试验过程中发现，石粉含量达20%时的混凝土已十分粘稠，和易性大幅度下降。

产生上述现象的原因可能在于：机制砂颗粒之间的空隙被适量的石粉填充之后，混凝土和易性最佳，但随着石粉含量的继续增加，超出了机制砂颗粒的吸附能力，多余的石粉分散在骨料颗粒之间，吸收水分使浆体变得黏稠，破坏了石粉颗粒的微滚珠效应，混凝土和易性下降，且石粉含量超出最佳含量越多，降低越明显。

由图7可知，随机制砂中石粉含量从0%增加到20%，机制砂混凝土的7d和28d强度均有增长的趋势，分别增长了5.7MPa和3.4MPa。石粉的掺入能起到微孔填充作用，填充机制砂之间的孔隙，进而细化水泥混凝土的毛细孔，减小混凝土的孔隙率，改善混凝土孔隙结构，因此机制砂混凝土的抗压强度随石粉含量的增大而增加。但石粉含量过高时，会打破混凝土的密实状态，降低混凝土强度。