基于碳中和背景下机制砂耦合作用混凝土性能研究

2022-05-25温宏平

四川建材 2022年5期

温宏平

(山西工程科技职业大学，山西太原 030619)

0 前言

目前，混凝土的应用越来越广泛，在混凝土比例中，细集料天然砂的比例占到25%～35%，天然砂以河砂为主，许多地方天然砂的用量得到控制，在新形势下采用低碳产品机制砂在工程中替代天然砂。在国内外一些水泥混凝土工程中根据就近取材，就地取材的原则，适时地建立破碎厂现场破碎制备机制砂，节能环保，但机制砂中石粉含较大、颗粒大小不稳，尤其在配置C30以上的混凝土工程应用中，出现工作波动大，导致施工质量难以控制，如混凝土收缩和徐变问题很严重，石粉含量的增加使得混凝土与钢筋的与钢筋的握裹力减小，预应力张拉损失严重，外观质量出现严重缺陷等问题。因此，深入研究机制砂混凝土施工质量波动关键技术显得尤为重要[1-3]。

本文研究机制砂混凝土中石粉含量波动、颗粒细度模数、浆体流变性及触变性等技术指标的波动性调试机制砂混凝土施工工艺。

1 实验部分

1.1 原材料

1)水泥：P·O 42.5 级，指标见表 1。

表1 性能指标

2)水：满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的饮用水。

3)石粉：亚甲蓝值0.65%，表观密度为2.467 kg/m3。

4)机制砂：亚甲蓝值5.2%，表观密度为2.325 kg/m3。

5)碎石：粒径 4.75～26.5 mm,技术指标见表 2。

表2 粗骨料技术指标

1.2 仪器设备

1)标准筛：4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm。

2)电子天平：精度0.1 g。

3)捣棒：直径10 mm,长350 mm铜棒。

4)激光粒度仪：型号Winner802，测试范围1～10 000 nm，精度误差≤1%。

5)比表面积：FBT-9，测量精度<1%。

6)流变仪：MCR102，法向力±0.01～±50 N，分辨率 ≤1 mN。

2 结果与讨论

2.1 机制砂性能测试

选取试验用机制砂两份，进行级配试验性能测试，结果见表3。

表3 级配试验

级配曲线见图1。图1中给出了《建设用砂》(GB/T 14684—2011)机制砂Ⅱ区级配上下限。由图1可知：机制砂细度模数2.7，粒形圆润，级配连续，级配曲线接近中线值属于中砂；另外选取试验用石粉进行负压筛分试验，得出0.075 mm以上的颗粒达到10.5%，因此，石粉中有少量机制砂。

图1 机制砂级配曲线

2.2 石粉的粒度分布测试[4-5]

水泥粉表示为S，石粉表示为G，将机制砂分别过0.075 mm筛，按照3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%等量替代水泥，组成石粉-水泥复合体系，对应表示为G3、G5、G7、G9、G11、G13、G15，采用激光粒度测试复合体系的粒度分布值。

根据测试数据以颗粒的直径为横坐标，累积通过率为纵坐标作图，把FulleL曲线与水泥、石粉及复合体系的分布绘制在一起，结果如图2。

图2 水泥、G石粉及复合体系与理想FulleL曲线的累积分布

从图2可以看出，发现水泥粉体的粒度分布较为理想,堆积密度较大；另外，水泥、石粉及不同比例复合体系的粒度分布与最紧密堆积FulleL曲线有存在一些差异,发现较细颗粒含量偏少,较粗颗粒偏多，粒径分布不均匀，因此，利用FulleL方程进一步计算粒度分布,可以看出最大粒径为192 um，计算出各个曲线与中间粒径比例的交点值，结果见表4，在G9的位置出现拐点，粒径值为4.91。

表3 G累计分布曲线与FulleL曲线的交点坐标

据研究发现水泥粉体符合LLSB特性方程式[5]：

L(d)=100exp[-(d/de)n]

(1)

式中，L(d)为累积筛余百分数，%；de为累积筛余36.8%时粒径，de越小颗粒群越细；n为均匀性系数，n值越小颗粒分布越广大小越不均匀。

对式(1)进行取对数后转化为：

lnln(100/L(d))=nln(d/de)=nln(d)+b

(2)

以In(d)为横坐标、ln(ln(100/L(d)))为纵坐标,利用oLigin软件进行LLSB拟合,来描述粉体粒度分布的宽窄程度，结果见表5。其中L2表示相关系数的平方。

表5 G和复合体系粉体的LLSB拟合参数

由表5可知，水泥粉、石粉及水泥-石粉复合体系均符合LLSB分布,水泥粉的n值均小于石粉及水泥-石粉复合体系，粒度分布较宽,在原始粒度分布上也可看出水泥粉在0～1.5 μm的颗粒含量比石粉及混合体系多，因此，分布比较宽；随着石粉掺量增加，相关性逐渐增加，掺量为9%时，n值为0.957 6，de为21.02，线性相关性为0.996 8，线性相关性的值最大，整体均匀性最好；当石粉掺量超过11%以后，各项指标均开始下降，颗粒分布不均匀，整体性开始变差。

2.3 机制砂级配确定

根据机制砂颗粒分布不均匀等特征，选择最大粒径为4.75 mm和2.36 mm两种规格的混合料，配置石粉用量为5%、9%、11%、15%四种粉体测试其细度模数、压碎值、比表面积及亚甲蓝等物理指标[6]，结果见表6。

表6 混合料粉体的物理指标

从表6中可以看出最大粒径为4.75 mm混合料对颗粒细度模数变化从3.08降到2.77，波动大，最大粒径为2.36 mm的混合物细度模数在2.74～2.89，细度模数相对来说变化不大，因此，在选择机制砂时需要控制石粉的最大粒径；进一步测试混合料的亚甲蓝MBV值从1.0增加到1.2，说明在混合料中有机质石粉颗粒主要受石粉的影响；通过压碎值试验检测结果为19.2%，比表面积为410 m2/kg，其数据满足《建设用砂》(GB T 14684—2011)中Ⅰ砂的要求；因此，石粉含量控制在9%左右效果较好。

2.4 不同石粉含量对水泥-石粉体系浆体流变性影响[9]

机制砂除去0.075 mm以下的颗粒，水灰比用0.36、0.38、0.40、0.42四种比例，采用流变仪测定石粉掺量为3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%取代水泥制备净浆的粘度值见图3，屈服应力如图4所示。

图3 粘度的变化趋势

图4 屈服强度的变化趋势

从图3可以看出，随着水灰比增加，粘度降低，当水灰比超过0.40后，石粉对粘度影响不大；图中还可以发现水灰比小于0.38时，石粉掺量从5%到9%的粘度下降剧烈；超过 9%下降平缓，因此掺量为0.36时，随着石粉掺量增加其粘度出现先显著降低后逐步稳定的特征；水灰比为0.38和0.40时，整体粘度波动不大，在掺量为9%时出现转折点，其流变性能最好；水灰比为0.42时，最佳掺量为7%；根据最优石粉用量确定水灰比的关系为：0.38≈0.40>0.42>0.36。

从图4屈服强度的变化趋势图可以看出，随着水灰比变化，屈服应力先增大后减小，粘度的变化趋势正好相反，屈服应力最大的水灰比是0.40，超过0.40后屈服应力变小，这是由于自由水增多导致颗粒间距离增大，那么颗粒间的作用力即屈服应力变小；但水灰比为0.42屈服应力比0.38还是高得多，结合屈服应力与粘度现象，选择流动性好、稳定性高、屈服应力小、粘度大的最佳水灰比应为0.40。

2.5 机制砂混凝土初始配合比

按照《普通混凝土设计规程》(JG J55—2011)要求配置坍落度为180～220 mm的C40机制砂混凝土[7-8]，基准配合比设计见表7，采用0、5%、9%、11%、15%四个石粉含量替代部分水泥用量进行上述实验，测试0 h、1 h、2 h坍落度和扩展度。

表7 基准配合比单位：kg/m3

初始坍落度见图5～6。从图5和图6对比发现，不加石粉的混凝土和易性不好，有泌水现象，混合料离析严重，这是因为缺少细骨料，粗集料的包裹性差而出现的不良现象。从表7及图5～6进一步发现，石粉掺量增加后上述现象得到改善，当石粉掺量为9%时，坍落度为195 mm,扩展度为378 mm,整体效果最好；超过9%后，效果变差，说明石粉含量高，表面粗糙度，吸水能力强，导致机制砂混凝土需水量增加，因此粘稠度变大，流动性能变差。

图5 无G粉机制砂混凝土初始坍落度

图6 加G粉机制砂混凝土初始坍落度

经时损失见表8，根据表8的结果发现在1 h和2 h后，不同石粉掺量的经时损失也存在相似的现象，尤其在2 h的时候混凝土整体失去工作性能，流动度几乎不变，扩展度变为零。

表8 混凝土坍落度及扩展度经时损失

2.6 微观结构气泡间隙率影响

为观察砂浆的内部微观结构，采用硬化后混凝土气泡间隙测定仪对砂浆试试件表面的情况进行测试，选取样品中水灰比应为0.38,0.40，0.42三种样品，微观结果测试如图7～9所示。

图7 水灰比0.38试样微观图

图8 水灰比0.40试样微观图

图9 水灰比0.42试样微观图

从图7～9中可以看出，水灰比为0.38和0.42试样在进行试验后的样品中空隙较多，样品进行测试时发现，0.40空隙较小，同时发现试样破坏后出现粘结磨损，因而效果较好，从微观结构分析中进一步说明水灰比为0.40时效果明显，强度最好。

2.7 机制砂混凝土强度试验

采用混凝土性能试验进一步检验所确定的机制砂含量、水灰比用量、吸水树脂掺量的性能，混凝土配合比/kg，C(水泥)∶S(砂子)∶G(石子)=1∶1.68∶2.62，水胶比为0.40，石粉掺量为9%新拌和混凝土工作性，得出混凝土拌合物的初始流动性很好，没有离析泌水现象，含沙量好，棍度为中，初始坍落度为190 mm；放置1 h后其坍落度为170 mm,坍落度损失小，整体来说工作性良好。新拌混凝土料制作标准试件，在标准条件下养护测试3，7，28 d强度，结果如表9所示。