用机制砂配制高性能混凝土试验研究

李卫超，唐文亮，黄 平，张康财（.中电建安徽长九新材料股份有限公司，安徽 池州 4700；.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 40004）

目前，我国商品混凝土中主要使用天然砂，但天然砂已经不能满足市场的需求[1]。同时，机制砂应用在商品混凝土的技术不完善、不成熟，机制砂混凝土尚未大规模应用[2-3]。当前形势下，研发、生产机制砂有利于满足我国建设用砂石料的巨大需求，为长江保护提供有力保障；同时对促进我国砂石集料生产设备和商品混凝土技术发展有着非常重要的作用[4]。

1 项目简介

中电建安徽长九神山灰岩矿项目（以下简称长九项目）包含矿山、廊道、码头 3 大工程。按照 7 000 万 t/a 生产规模建立建筑集料生产线，矿区加工的建筑集料通过长距离带式输送机输送至长江牛头山专用码头。

矿石自然类型主要分为泥晶灰岩、微晶泥晶灰岩，饱和抗压强度平均值为 64.9 MPa，矿石吸水率属于较易吸附型[5]。系统采取干法生产，两段一闭路破碎筛分、成品砂整形的工艺流程，生产 31.5～4.75 mm 的级配建筑集料及＜4.75 mm 机制砂，成品率约 98.5%。长九项目产品见表1。

表1 长九项目产品表

2 原材料性能

试验材料选用江苏海门海螺 P·II 52.5 水泥；上海宝钢 II级 C 类粉煤灰[6]、S 95 级矿渣粉；江苏博特 PCA-I 型聚羧酸高性能减水剂；江西赣江优质天然砂、长九神山灰岩矿项目的高品质机制砂、碎石。

2.1 细集料

细集料分为天然砂、混合砂（由细度模数 3.4 的机制砂与细度模数 2.0 的天然细砂按 5∶5 质量比例混合而成）、机制砂 5%（干筛 0.075 mm 以下的颗粒含量为 5%）、机制砂 7% （干筛 0.075 mm 以下的颗粒含量为 7%）、机制砂 10%（干筛 0.075 mm 以下的颗粒含量为 10%）、机制砂 12%（干筛 0.075 mm 以下的颗粒含量为 12%）、机制砂 15%（干筛 0.075 mm 以下的颗粒含量为 15%），共计7 种规格，主要物理力学性能见表2，颗粒级配见表3。

表2 细集料主要物理力学性能

表3 细集料颗粒级配

从表2 、表3 可以看出，各品种细集料均能满足 2 区中砂的级配要求。随着机制砂中的石粉含量增加，亚甲蓝 MB值逐渐增大；机制砂 10%、机制砂 12% 和机制砂 15% 的亚甲蓝值（MB）＞1.4 g/kg。

2.2 粗集料

粗集料主要物理力学性能见表4。

表4 粗集料主要物理力学性能

2.3 石 粉

筛除 0.075 mm 以上部分颗粒，用勃氏比表面积仪测得的比表面积为 336 m2/kg，亚甲蓝值（MB）为 4.0 g/kg，用激光粒度仪测得的粒度分布结果见图1。

从石粉的粒度分析可以看出，石粉的粒径分布在 1～23 μm 不等，中位径在 9 μm，颗粒大小与粉煤灰接近。

图1 石粉粒度分布结果

3 水胶比选择试验

3.1 混凝土配合比选定

诸多研究表明，随着石粉含量的增加，最佳砂率呈逐渐下降趋势[7-8]，天然砂砂率最高，机制砂 5% 再次之，15% 机制砂最佳砂率最低。在保持水胶比不变的情况下，在下列水胶比试验中，采用三级配石子（连续粒级碎石，由5～10 mm 碎石：10～20 mm 碎石：16～31.5 mm 碎石按30∶40∶30 质量比例配制而成）、P·II 52.5 水泥配制，得到试验配合比见表5～表7。

表5 水胶比 0.30 时选择试验配合比（7 组）

表6 水胶比 0.35 时选择试验配合比（7 组）

表7 水胶比 0.45 时选择试验配合比（7 组）

3.2 试验结果和分析

根据表5～表7 配合比，配制相应的混凝土，得到混凝土拌合物性能和抗压强度结果见表8～表10。

表8 水胶比 0.30 时试验结果

从表8 可看出，在低水胶比情况下，混凝土在大流动度时和易性好、含气量低，但是混凝土比较黏，在 15% 石粉含量混凝土时尤为明显；从 3 d、7 d、28 d 抗压强度数据可看出，强度发展良好，28 d 抗压强度普遍在 62.7～69.5 MPa。

表9 水胶比 0.35 时试验结果

从表9 和可看出，0.35 水胶比混凝土和易性良好，强度发展趋势与 0.30 水胶比混凝土发展趋势基本一致。

表10 水胶比 0.45 时选择试验结果

从表10 可看出，减水剂掺量调整到位的情况下，混凝土流动性可以得到很好的保证，使用机制砂做细集料时减水剂掺量不足易导致坍落度损失过快。

在保证混凝土工作性情况下，0.35 水胶比条件下 28 d强度满足 C 50 混凝土抗压强度要求。初步选定此水胶比进行混凝土性能试验。

4 混凝土性能试验

4.1 混凝土性能试验配合比

鉴于水胶比试验时原减水剂没有考虑保坍需求，混凝土坍落度损失较大，现增加保坍型组分[9-10]，以减水剂∶保坍组分∶水=1 000∶160∶50 比例进行配制，得到的复合型减水剂 PCA， 进行以下混凝土性能试验[11]。配合比见表11。

表11 C 50 混凝土性能试验配合比（7 组）

4.2 混凝土拌合物性能

混凝土拌合物性能试验包括坍落度、坍落扩展度、含气量的初始值和 1 h 经时损失，泌水率，压力泌水率，以及混凝土的初、终凝时间，具体结果见表12。

表12 C 50 混凝土拌合物性能结果

从表12 可看出，使用复合型减水剂后，混凝土保坍效果得到明显改善，1 h 坍落度和扩展度损失不明显；石粉增加了机制砂混凝土拌合物的黏聚性和保水性，改善离析泌水现象。与混凝土初始含气量相比，部分配合比的混凝土 1 h含气量增加，部分减小，但含气量经时变化总体较小，均未超过 1.5%。

天然砂混凝土的初、终凝时间最长，混合砂混凝土次之，机制砂混凝土凝结时间最短，不同石粉含量的机制砂混凝土凝结时间差别不大。

4.3 混凝土力学性能

4.3.1 混凝土抗压强度

图2 为 C 50 混凝土样品 3 d、7 d、28 d 性能试验的抗压强度。从图2可看出，不同石粉含量机制砂混凝土各龄期强度与天然砂、混合砂混凝土各龄期强度基本接近，可以说试验所用机制砂中的石粉及其含量对抗压强度无明显影响。在机制砂混凝土体系中，灰岩矿石粉中的石灰石颗粒有利于早期强度的发展；石粉在一定程度上改善了机制砂的堆积密度，起到了很好的填充作用，增加了浆体和界面过渡区的密实度，提高了混凝土的强度。

图2 混凝土抗压强度

4.3.2 混凝土抗折强度

图3 为 C 50 混凝土样品 3 d、7 d、28 d 性能试验的抗折强度，由图3 可得，不同石粉含量机制砂混凝土抗折强度与天然砂和混合砂混凝土抗折强度值相当。

图3 混凝土抗折强度

4.3.3 混凝土劈拉强度

图4 为 C 50 混凝土样品 3 d、7 d、28 d 性能试验的劈拉强度。由图4 可得，不同石粉含量机制砂配制的混凝土28 d 劈拉强度与天然砂和混合砂配制的混凝土劈拉强度值基本一致。

图4 混凝土劈拉强度

4.3.4 混凝土抗拉性能

对 C 50 混凝土分别进行抗拉性能试验，包括轴拉强度、极限拉伸值、抗拉弹性模量。28 d 轴拉强度和抗拉弹模结果见图5。

图5 混凝土 28 d 抗拉性能

从图5 可得，不同石粉含量机制砂配制的混凝土 28 d劈拉强度与天然砂和混合砂配制的混凝土轴拉强度和抗拉弹性模量值相近。

4.3.5 混凝土静力受压弹性模量

图6 为混凝土试验样品 28 d 静力受压弹性模量。

图6 混凝土 28 d 静力受压弹性模量

总体而言，混凝土静力受压弹性模量与抗压强度相关。混凝土抗拉弹性模量和静力受压弹性模量结果对比见图7。

图7 混凝土 28 d 弹性模量对比

从图7 可看出，使用不同细集料配制同强度等级混凝土时，静力受压弹性模量和抗拉弹性模量有一定差别，静力受压弹性模量要略高于抗拉弹性模量。

4.4 混凝土耐久性能

不同配合比混凝土的 28 d 抗渗性能、抗冻性能、收缩等见表13。

表13 混凝土耐久性能试验结果

从表13 可看出，经过 100 次冻融循环后，各组混凝土的相对动弹模都略有下降，但都＞90%，机制砂混凝土的抗冻性与天然砂混凝土相近。混凝土的抗冻性主要取决于混凝土的含气量、气泡质量以及孔隙的水饱和度，与采用机制砂还是天然砂不具相关性。

同强度等级的混凝土，用天然砂配制的混凝土收缩最小，机制砂配制的混凝土收缩较大，但不同石粉含量机制砂混凝土的收缩值差别不大。原因可能是细粉含量偏高，吸附了大量的游离水，在混凝土内部相对湿度降低时导致混凝土的收缩增加。

5 经济性分析

根据现阶段原材料的市场价格，P·II 52.5 水泥 500 元/t，C 类 Ⅱ 级粉煤灰 160 元/t，S 95 矿粉 340 元/t，天然砂（淡化海砂）120 元/t，机制砂 80 元/t，（5～25）mm 石子 100 元/t，（5～31.5）mm 石子 100 元/t，复合型保坍减水剂 3 600 元/t，拌合用水使用自来水，约 5 元/t，石粉按零成本计算。选取 C 50 混凝土的若干个有代表性配合比进行成本计算，分析对比中电建长九神山灰岩矿机制砂混凝土的经济性。相应混凝土成本见表14。

表14 C 50 配合比混凝土成本

在机制砂价格 ≤80 元/t 时，对于 C 50 混凝土而言，机制砂混凝土成本明显低于天然砂混凝土和混合砂混凝土，降低 20 元/m3以上，成本优势明显。综合以上经济性分析可以看出，机制砂混凝土成本优势明显。

6 结 语

(1) 试验选用的天然砂、水泥、粉煤灰、矿粉等满足相关标准要求。长九项目机制砂相关技术指标满足优级品技术要求，颗粒粒型饱满少棱角，粒型、级配接近天然砂。

(2) 在低水胶比情况下，混凝土在大流动度时和易性好、含气量低，但是混凝土比较黏，在 15% 石粉含量混凝土时尤为明显，且浆料多、石子显少。在使用三级配石子时，0.35 水胶比混凝土和易性良好，强度发展趋势与 0.30水胶比混凝土发展趋势基本一致。在保证混凝土工作性的情况下，选定水胶比为 0.35 进行混凝土性能试验可靠。

(3) 与天然砂混凝土相比，长九项目机制砂混凝土的初、终凝时间明显缩短，但不同石粉含量的机制砂混凝土初、终凝时间差别不大。

(4) 长九项目机制砂混凝土的抗压强度、抗折强度、劈拉强度与天然砂混凝土、混合砂混凝土的强度相当；静力受压弹性模量和抗拉弹模与天然砂混凝土、混合砂混凝土没有明显差异；抗渗性能、抗冻性能与天然砂混凝土基本相同，但机制砂混凝土的 28 d 收缩值较天然砂混凝土略大。

(5) 长九项目机制砂配制 C 50 混凝土可降低成本 20 元/m3以上。成本优势明显。