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高含粉机制砂对混凝土性能的影响

2021-11-03袁桂先汪意

商品混凝土 2021年9期
关键词:石粉外加剂碳化

袁桂先,汪意

(台州市强盛混凝土有限公司,浙江 台州 317000)

0 前言

目前随着国家对天然砂资源开采的严格管控,机制砂已经逐渐成为混凝土生产的主要砂源,并在生产中低强度等级混凝土中得以全部应用,优质机制砂也被应用于生产高强、高性能或者超高性能混凝土(UHPC)等高附加值产品[1]。机制砂与天然砂不同,机制砂细度可调节性强、颗粒多棱角且含有一定含量的石粉[2],在混凝土中应用可以改善混凝土保水性,且适量石粉的存在有助于提高混凝土界面过渡区,使得混凝土强度增加,但研究人员对石粉含量并没有界定[3],这跟所采用的配合比及机制砂特点有关。在机制砂实际生产中,会带入较多的石粉,有些含量甚至达到 20% 以上,如此高的石粉含量,常规配合比设计已不适合,需要考虑石粉含量对混凝土浆骨比、抗碳化及混凝土强度等的影响。

本项目针对高含粉机制砂对混凝土性能影响进行了研究,以期为机制砂在混凝土中的应用提供理论和实际参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

(1)水泥采用海螺 P·O42.5 普通硅酸盐水泥;粉煤灰采用Ⅱ级灰,需水比 99%,45μm 方孔筛余 19%。矿粉采用 S95,比表面积 416m2/kg,含水率 0.3%,烧失量 0.9%。水泥的主要性能指标见表 1。

表1 水泥的性能指标结果

(2)原装机制砂采用市售石灰石质机制砂,细度模数 2.8,MB 值 0.8,含粉量 12%。

(3)不同含粉量机制砂的制备:通过对机制砂含粉进行筛分,过 75μm 方孔筛获得所需的石粉,将石粉按质量比例添加,使得机制砂石粉含量为 8%、12%、16%、20% 和 24%,备用。

(4)粗集料由粒径 5~10mm 的小石和 10~25mm的大石按照一定比例组合而成。小石压碎值 9.0%,大石压碎值 9.0%。

(5)外加剂采用缓凝型聚羧酸高效减水剂,含固量 15.3%,推荐掺量 1.0%~3.0%。

1.2 试验方法

(1)参照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》称取相应的原材料,按照设定的水胶比和外加剂掺量,进行混凝土坍落度、扩展度、凝结时间及含气量等性能指标的测试。

(2)按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》成型 100mm×100mm×100mm 混凝土试件,标准养护后测定混凝土相应龄期的抗压强度。

(3)混凝土体积收缩值、碳化深度以及混凝土电通量测试参照 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。其中混凝土体积收缩采用接触法,成型 100mm×100mm×515mm 的棱柱体试件,带模养护 24h 后脱模,采用标准养护,温度(20±2)℃、相对湿度≥95%,测试混凝土收缩率,计算公式如下:

εt——试验期为 t(d) 的混凝土收缩率,%;

L0——时间长度的初始度数,mm;

Lt——试件在试验期 t(d) 时测得的长度读数,mm

Lb——试件的测量标距,mm。

2 试验结果及讨论

2.1 高含粉机制砂对混凝土工作性能影响

本项目以 C30 混凝土为研究对象,保持混凝土用水量和外加剂用量不变,探究机制砂中石粉变化对混凝土工作性能的影响。试验混凝土配合比见表 2。按照表 2所示混凝土配比进行搅拌,测得的混凝土工作性能结果见表 3。

表2 混凝土配合比 kg/m3

表3 结果可以看出,相同外加剂用量和水胶比下,机制砂含粉增加,混凝土初始流动性下降,对应的混凝土坍落度保持能力下降。这是因为机制砂中石粉含量增多,对聚羧酸分子在水泥颗粒的吸附形成阻碍,使得聚羧酸的作用效果减弱,保坍能力下降,当石粉含量从8% 提高至 24%,混凝土坍落度降低 21%,很快失去流动性。

表3 高含粉机制砂对混凝土工作性能的影响

在水和外加剂用量不变的情况下,高含粉机制砂使得混凝土初凝和终凝时间均有所缩短,这是因为自由水的减少,使得水泥水化产物之间的键合能力增强,混凝土失去塑性的时间缩短,同时石粉的存在影响了水泥第二放热峰[4],促进水泥水化进程,加速了水泥的硬化。

高石粉机制砂不仅使混凝土凝结时间缩短,同时也使得混凝土含气量先增加后降低,这是因为石粉含量在一定范围内升高,混凝土粘度增加,机械搅拌过程中更容易引入空气使得混凝土含气量有所上升,随着机制砂含粉量进一步提高,混凝土流动性差,引入气泡的能力降低。

2.2 高含粉机制砂对混凝土力学性能的影响

以表 2 配合比为基础,改变混凝土中外加剂用量,使得混凝土初始坍落度在 (230±5)mm,测试相同混凝土出机状态下的外加剂掺量、经时保坍性能,以及混凝土 7d 和 28d 抗压强度,结果见表 4。

表4 结果显示,机制砂中含粉量增加,达到相同流动性时外加剂用量随之提高,当石粉含量为 24%,石粉增加 16%,外加剂增加 0.7%,但混凝土保坍性能逐渐改善甚至出现后滞返大现象。当外加剂供给充分时,石粉裹入较多的聚羧酸分子,随着水泥反应过程中与聚羧酸分子接触,混凝土流变性能得到释放,使得混凝土出现后滞甚至返大现象。

表4 高含粉机制砂对混凝土力学性能的影响

通过对混凝土 7d 和 28d 抗压强度测试结果分析可知,随机制砂中石粉含量增加,混凝土抗压强度先增加后降低,在石粉含量 12% 时混凝土 7d 和 28d 抗压强度均最高。适量的石粉可以提高混凝土的填充性能[5],使得硬化后的混凝土密实度提高,但随着机制砂石粉含量进一步增多,单位面积生成的水化产物数量降低,排列较散,硬化后的混凝土内部缺陷较多,强度下降。

图1 混凝土抗压强度结果

2.3 高含粉机制砂对混凝土耐久性的影响

按照 2.2 所用外加剂和水的用量,测试了混凝土碳化深度、电通量值及混凝土体积收缩值,结果见表 5。

表5 高含粉机制砂对混凝土耐久性的影响

从表 5 结果可以看出,当石粉含量 12% 时,混凝土 28d 碳化深度最低,电通量最小且混凝土 7d 和 28d体积收缩也最低,这说明适量的石粉提高了混凝土密实度,使得混凝土抵抗氯离子和体积变形能力提高。当石粉含量进一步增加,混凝土碱度降低,碳化深度增加,也更容易受到周围环境有害离子的侵蚀,由于单位面积分布的水化产物数量减小,混凝土体积变形也相对增大。

3 结论

(1)在外加剂掺量和水胶比不变的情况下,机制砂含粉量增加,混凝土流动性降低、坍损增大,混凝土凝结时间缩短,含气量先升高后降低。

(2)水胶比不变,混凝土达到相同流动性状态时,高石粉机制砂使得外加剂用量增加,但会引起外加剂缓慢释放甚至产生滞后返大现象;混凝土抗压强度随石粉含量增加先增加后降低,当机制砂石粉含量 12%时混凝土强度最高。

(3)适量的石粉可以降低机制砂混凝土碳化深度、降低混凝土电通量、减小体积收缩,从而有利于混凝土耐久性提高。

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