机制砂-石屑复合细集料对不同强度等级混凝土性能的影响

2021-05-10童小根张凯峰罗作球胡宇博王佳敏王国峰

硅酸盐通报 2021年4期

童小根，张凯峰，孟刚，罗作球，胡宇博，王佳敏，王博，王国峰

(中建西部建设北方有限公司，西安 710065)

0 引言

近年来，随着我国城镇化进程加快，大规模基建项目开工建设使得混凝土需求不断增加。细集料作为混凝土重要的组成部分之一，其品质对混凝土拌合物的工作性和硬化混凝土的力学性能均具有重要影响[1]。而天然河砂作为一种优质的混凝土细集料被大量开采已接近枯竭，再加之国家环保政策趋严限制开采，市场出现了严重的供不应求现象，使得河砂价格飞涨，这给用砂大户——预拌混凝土和砂浆企业的生产运营带来了巨大压力[2]。在此种形势背景下，混凝土生产企业开始使用机制砂、石屑逐步替代天然河砂。但是，石屑和机制砂都存在粒形差、级配不合理等缺陷，单独使用所配制的混凝土易出现泌水离析，很难满足泵送要求[3-6]。若将二者进行合理搭配，即可发挥出互补效应，使得骨料级配更趋合理,空隙率减小，不仅有利于混凝土质量的控制并降低生产成本，还可实现固废资源的循环再利用[7-8]。鉴于此，本文通过分析不同品种与产地机制砂、石屑的颗粒级配，并按照不同比例搭配,筛选出满足II区中砂级配要求及石屑掺比较大的复合砂，利用优选出来的复合砂开展不同强度等级C30～C50混凝土的性能对比试验，从而找出最佳搭配比例的复合砂，为石屑与机制砂在混凝土中的应用提供技术参考。

1 实验

1.1 原材料

(1)水泥：采用冀东P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，其物理力学性能如表1所示。

表1 水泥的物理力学性能

(2)粉煤灰：Ⅱ级，生产厂家华能，其性能检测指标如表2所示。

表2 粉煤灰技术指标

(3)矿粉：S95级，生产厂家宝格，其性能检测指标如表3所示。

表3 矿粉技术指标

(4)粗集料：卵破，产地宝鸡；碎石，产地宁强。根据《建筑用卵石、碎石》(GB 14685—2001)选用级配合格的骨料，其性能指标如表4所示。

表4 粗集料性能指标

(5)细集料：水洗机制砂J1、J2，产地分别为洋县、灵宝；石屑S，产地为扶风。其各项性能检测指标如表5所示。

表5 细集料性能指标

(6)外加剂：选用中建聚羧酸减水剂，其性能指标见表6。

表6 外加剂技术指标

1.2 方法

1.2.1 复合砂组成设计

通过对不同来源地与品质的水洗机制砂J1、J2与石屑S分别进行各项指标检测，其中对满足质量指标要求的机制砂J、石屑S采用砂标准筛按不同筛号全部筛分。其筛分结果见表7。

表7 不同品种石屑筛分析

将筛选出的两种水洗机制砂J1、J2与石屑S分别按照不同组合比例8 ∶2、7 ∶3、6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6(质量比，下同)正交搭配，根据《建设用砂》(GB/T 14684—2001)[9]中对机制砂II区颗粒级配区间的要求，通过合理调配机制砂J1或J2与石屑S二者间的复配比例大小，从而改善混合细集料颗粒之间的级配情况。采用级配合成计算的方法得到混合细集料不同筛孔所对应的累计筛余百分值，并按照《混凝土泵送施工技术规程》(JGJ/T 10—2011)[10]中提供的最佳级配区间上、下限范围来选取，得到满足II区级配区间范围不同搭配比例的复合砂，其级配曲线如图1、图2所示。在满足使用要求的前提下，为了最大程度地使用石屑，减少固体废弃物尾矿的产生，实现资源的循环再生利用，最终筛选出两种机制砂J1、J2与石屑S分别按质量比6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6复配成的，满足II区级配区间且石屑掺比不低于40%的6种复合砂。

图1 J1与S复合砂级配曲线

图2 J2与S复合砂级配曲线

表8为复合砂的松散堆积密度及空隙率情况，从表中数据可看出，J1、J2分别与S按照6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6搭配的混合砂，其松散堆积空隙率具有相同的变化规律。其中两者搭配比例在6 ∶4时混合砂松散堆积空隙率值最小，另外，在搭配比例分别为6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6时，J1与S组成的混合砂松散堆积空隙率值均要高于J2与S组成的混合砂。这也反映出在同样是Ⅱ区中砂的条件下，其颗粒之间的级配组成并不是完全相同，因此将其作为细集料制备的混凝土在性能上也会存在些许差异。

表8 不同搭配比例复合砂空隙率情况

1.2.2 配合比设计

以筛选出的6种复合砂分别作为C30～C50混凝土配合比中的细集料开展试配验证，不同级配复合砂制备不同强度等级混凝土共18组，试验配比如表9所示。外加剂按照3.0%比例添加，根据具体状态适当调整。此外，C30和C40应用的石子为卵破，C50应用的石子为碎石。

表9 不同搭配比例复合砂混凝土试验配合比

1.2.3 性能测试方法

混凝土拌合物的坍落度、扩展度评价标准，参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)进行测试。硬化混凝土不同养护龄期的抗压强度，参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)进行测试。混凝土抗水渗透、抗氯离子渗透等耐久性能，参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GBT 50082—2009)进行测试。

2 结果与讨论

2.1 复合砂对混凝土工作性能影响分析

图3 C30新拌复合砂混凝土工作性

不同级配组成的复合砂所制备C30～C50混凝土坍落度与扩展度测试结果如图3～图5所示。由图中坍落度与扩展度数值变化规律可看出，在相同配合比下，J2与S搭配的复合砂混凝土坍落度与扩展度指标均要优于J1与S搭配的复合砂混凝土。这主要是由于J2中所含石粉含量低于J1，石粉含量越多使得水泥水化需水量增加，单位时间内水分的损耗速度加快，增大了混凝土浆体的黏滞性。在相同配比下，机制砂与石屑质量比为6 ∶4、5 ∶5时混凝土拌合物和易性良好，坍落扩展度测试指标均可满足混凝土实际生产应用中的要求。其中复合砂搭配比例为6 ∶4时坍落度、扩展度指标要略高于搭配比例5 ∶5，这是因为在6 ∶4时骨料空隙率小，填充骨料之间间隙的胶凝材料用量也相应减少，使得更多节余的水泥胶浆在骨料之间起到润滑作用，从而改善了新拌混凝土的工作性。当机制砂与石屑搭配比例为4 ∶6时，满足相应工作性要求下所需外加剂掺量增大，经测试混凝土初始坍落度、扩展度均可满足使用要求，但坍落度经时损失较快。这是因为石屑掺比超过50%后，带入了过多石粉，使得集料比表面积大幅增加对水和外加剂吸附能力增强[11]。

图4 C40新拌复合砂混凝土工作性

图5 C50新拌复合砂混凝土工作性

2.2 复合砂对混凝土力学性能影响分析

混凝土力学性能的优劣往往通过抗压强度作为评价指标。水洗机制砂与石屑不同搭配比例对复合砂的颗粒级配及空隙率有较大影响，而混合砂细集料的空隙率大小与混凝土强度之间有着必然联系，导致混凝土强度增大或减小。

图6～图11为C30～C50混凝土不同龄期抗压强度变化曲线，从图中可以看出，两种机制砂J1与J2分别与石屑S按不同比例6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6复配，其搭配组成的复合砂混凝土快测强度、7 d抗压强度及28 d抗压强度曲线变化趋势基本一致，都是先降低后又略有升高，其中两者复配比例为6 ∶4时，对应的C30、C40、C50混凝土各龄期强度最高。由此可知，在相同配比下不同级配的细集料对混凝土强度有较大程度的影响，主要是不同搭配比例的复合砂空隙率大小不同所导致，在复配比例6 ∶4时具有最小的空隙率，内部结构密实，从而具有更高抵抗外部破坏的能力。而当两者比例在5 ∶5时空隙率变大，结构内部存在更多孔洞缺陷使得密实性降低，在外力作用下更容易导致应力集中，从而造成强度损失较大。

同时，两种机制砂J1与J2分别与石屑S按不同比例6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6组成的复合砂对应的各标号混凝土28 d抗压强度均可满足设计值要求，并且J1、J2与S搭配的复合砂混凝土28 d强度平均富余值分别在10%、20%以上，也可间接表明机制砂J2与S复配对力学性能增强效果更加明显。这是由于J1中石粉含量高于J2，使得相同质量的复合砂中石粉含量占比增大,而吸附较多的聚羧酸减水剂在颗粒表面[12]，伴随着混凝土强度发展过程,会带来很多负面效应，造成混凝土内部缺陷增加,不利于强度增长，从而使得前者强度低于后者。

图6 C30(J1)复合砂混凝土抗压强度

图7 C30(J2)复合砂混凝土抗压强度

图8 C40(J1)复合砂混凝土抗压强度

图9 C40(J2)复合砂混凝土抗压强度

图10 C50(J1)复合砂混凝土抗压强度

图11 C50(J2)复合砂混凝土抗压强度

2.3 复合砂对混凝土耐久性能影响分析

试验选取品质较优的机制砂J2与石屑S按照不同搭配比例6 ∶4、5 ∶5、4 ∶6组成的复合砂，分别研究其对所配制不同强度等级C30～C50复合砂混凝土抗水渗透与抗氯离子渗透耐久性能的影响。

图12为不同组成复合砂混凝土渗水高度。由图12可知，不同强度等级复合砂混凝土试件的渗透性先降低后升高，但渗水高度值均大于二者搭配比例为6 ∶4的复合砂混凝土。当J2与S搭配比例为6 ∶4时配制的复合砂混凝土28 d渗水高度值最小，此时C30、C40、C50混凝土的渗水高度值分别为25 mm、17 mm、14 mm，当二者搭配比例为5 ∶5时，其各强度等级复合砂混凝土渗水高度值分别增加了24.0%、35.3%、35.7%；而在二者搭配比例为4 ∶6时，其配制的各强度等级复合砂混凝土渗水高度值增幅分别降缓至8.0%、17.6%、14.3%。

混凝土的抗氯离子渗透性能以通过其电通量大小为衡量指标，不同组成复合砂混凝土电通量如图13所示。由图13中数值变化规律可知，不同组成比例的复合砂配制出的各强度等级C30～C50混凝土28 d电通量均在1 000～2 000 C之间，抗氯离子渗透性能均为Q-III等级[13]。其中J2与S搭配比例为6 ∶4时配制的复合砂混凝土电通量值最小，随着机制砂J2掺比的减少、石屑S掺比的增加，电通值均有不同程度的增大，而在二者搭配比例为5 ∶5时电通量值最大，所配制的各强度等级C30、C40、C50混凝土电通量值分别为1 871 C、1 619 C、1 547 C。

图12 不同组成复合砂混凝土渗水高度

图13 不同组成复合砂混凝土电通量

根据以上测试数据的不同变化规律，分析其可能的原因为机制砂J2与石屑S搭配比例在6 ∶4时，不同粒径颗粒之间互为填充，形成嵌挤紧密堆积集料级配，使得混凝土内部孔隙结构得到改善，孔隙率减小、结构致密性增强，外界水分与有害离子难以渗透进去，因此提高了混凝土自身抗水渗透与抗氯离子侵蚀性能。而随着二者比值的降低，在5 ∶5和4 ∶6时，复合砂颗粒分布不均，未能形成连续级配，削弱了混凝土内部密实堆积结构，孔隙率变大、连通孔隙增多。另外，随着石屑掺比提高，其中石粉含量增多，使得需水量增加；而在用水量不变的情况下，拌和物黏稠性逐渐增大，工作性变差，不利于混凝土成型密实，内部存在较多孔隙缺陷，在压力水作用下，一部分连通孔隙充当了渗水通道，从而造成混凝土抗渗耐久性能劣化。

3 复合砂对混凝土用砂成本影响分析

在保证混凝土各项基本性能满足要求的前提下，使用机制砂与石屑搭配的复合砂替代混凝土中的天然河砂，不仅可有效缓解目前市场天然砂资源紧缺和砂价居高不下的局面，也是积极响应国家环保政策号召，实现固废资源的循环再生综合利用。由于各地区细集料品质和种类不同价格会有所差异，本文中仅以当时试验阶段市场原材料价格水平为例，在运输距离相同的情况下，成本按照河砂150元/t、水洗机制砂120元/t、石屑平均价格100元/t计算，按照表9中所列各强度等级配合比只考虑细集料用量的情况下，分别计算其复合砂替代天然河砂各自对应的经济成本，见表10。由表10可知，随着混合砂中石屑掺入比例的提高，用砂成本不断降低，在机制砂与石屑三种搭配比例4 ∶6、5 ∶5、6 ∶4中，每立方米混凝土中可节约用砂成本24～46元，若大量使用，具有可观的经济效益。