机制砂岩性对胶砂及水工混凝土的和易性与强度的影响研究

吴 宪

(盘锦市水利服务中心,辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

水工混凝土是指受水经常性作用并保证建筑物能够长期正常使用的混凝土,其原材料组成包括外加剂、水、粗集料(卵石或碎石)、细集料(砂)和水泥等,被广泛应用于堤防护岸、水库大坝、桥墩建材等水利工程领域[1]。级配碎石与细集料砂协同发挥骨架作用,这也是结构强度的主要来源。砂的掺配比例、质量、岩性对水工混凝土使用过程中的耐久性、力学性能及施工和易性具有重要作用[2]。目前,水工混凝土使用最多的细集料是天然砂,而天然砂的过度开采会对环境造成不利影响,其长距离、大规模运输也会增大工程成本[3-4]。所以,在满足经济效益与环保要求的情况下寻找新的砂源,对保证水利工程建设用砂需求具有重要现实意义。

机制砂就是将开采出土后的母岩,经破碎、整形、筛分等工艺技术处理后粒径<4.75mm的集料,通常具有表面粗糙、石粉含量大、棱角多等特点,机制砂岩性在不同程度上影响着混凝土性能。例如,李遵云等通过对比掺凝灰岩、石英质和石灰石机制砂混凝土强度发现,天然砂略低于机制砂混凝土强度,机制砂石粉含量及配比与混凝土强度密切相关;邓俊双等试验分析了低温硫酸盐侵蚀作用下天然砂和石灰石机制砂混凝土劣化行为,结果显示硫酸盐对混凝土的侵蚀作用受机制砂石粉含量和级配变化的影响显著;王立华等选用砂岩、石灰岩和花岗岩进行试验分析,结果发现不同岩性机制砂在一定程度上影响着混凝土强度[5-7]。综上分析,现有研究主要侧重于不同岩性机制砂的影响分析,因未统一要求机制砂的级配和粒形普遍缺乏可比性,并且考虑机制砂表面组构的研究较少。鉴于此,文章选用较为常见的6种机制砂,在粒形、级配相同情况下探讨水工混凝土及胶砂和易性、强度受不同机制砂的影响。

1 试验方案

1.1 原材料

水泥:选用山水水泥集团生产的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,比表面积358m2/kg,密度3.12g/cm3,细度(>80μm)0.3%,标稠用水量29.1%,其初、终凝时间145min和250min,力学性能指标如表1。

表1 水泥胶砂强度

机制砂:选用岩性为片麻岩(PM)、石英岩(SY)、石灰岩(SH)、凝灰岩(NH)、花岗岩(HG)和安山岩(AS)的6种机制砂,经XRF成分分析确定6种岩性机制砂的成分,并测定机制砂压碎指标和MP值,如表2所示。

表2 机制砂成分组成、压碎指标和MB值

然后对原材料按表3所示片状颗粒含量和级配,采用条形状孔筛及标准方孔筛进行筛分与配制。

表3 片状颗粒含量及级配

减水剂:科之杰Point-S聚羧酸高性能减水剂,密度1050kg/m3,水泥净浆流动度240mm,减水率28.5%,含固量16.1%,推荐掺量0.5%～1.5%。

其它材料:粉煤灰用绥中电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰,山东博肯硅材料有限公司生产的S95级硅粉,沈阳建材厂生产的石灰岩碎石,由10～25mm、5～10mm粒径石子按2∶1的比例混合配制而成。

1.2 试验方法

1)胶砂试验。胶砂强度和工作性能参照《水泥胶砂强度检测方法》、《矿物掺合料应用技术规范》进行测定,调整外加剂掺量确保胶砂流动度处于150～160mm之间,胶砂配合比如表4所示。

表4 胶砂配合比

2)混凝土试验。混凝土强度和工作性能参照《水工混凝土试验规程》、《普通混凝土拌合物性能测试方法标准》进行测定,调整外加剂掺量确保拌合物扩展度处于550～600mm之间,混凝土配合比如表5所示。

表5 混凝土配合比

2 结果与分析

2.1 胶砂性能

水泥胶砂对外加剂的适应性受不同岩性机制砂影响较大,无论胶砂比大小,在达到规定流动度的情况下PM与HG机制砂的外加剂掺量较高,其次是NH与AS,SH与SY机制砂的外加剂掺量较低,如图1所示。

图1 胶砂外加剂掺量

这是由于PM与HG机制砂具有较高的MB值和较强的外加剂吸附性,并且这两种机制砂的比表面积较大,表面呈凸凹不平组构,虽然SH与AS机制砂具有相同的MB值,且都高于SY与NH机制砂,但SH机制砂表面比较光滑平整,所以在流动度相同情况下该外加剂用量较少。

通过分析图2试验数据可知,无论胶砂比多少,SH机制砂配制的胶砂28d抗折强度均最高达到12.7MPa,从高到低依次为SH、AS、PM、HG和SY机制砂,NH机制砂配制的胶砂28d抗折强度最低为9.1MPa;另外,胶砂比0.28条件下,NH、SY、HG机制砂配制的胶砂28d抗压强度低于AS、SH和PM机制砂,SY与NH机制砂配制的胶砂强度随胶砂比的增加呈明显上升趋势,其增幅高于其它岩性机制砂。究其原因可能是AS机制砂的压碎指标较小,SH机制砂的缺陷少且均质性好,PM机制砂的机械咬合力强,胶结面积大,HG机制砂存在较多缺陷;另外,NH、SY机制砂具有较好的外加剂适应性,其表面光滑、胶结效果差可能是导致强度低的主要原因,压碎指标对胶砂强度的影响随胶砂比的增大开始逐渐显现[8-10]。

(a)抗折强度(胶砂比0.28)

2.2 水工混凝土性能

在扩展度相同情况下,采用PM与HG机制砂配制两种水胶比混凝土所需的外加剂掺量均较高,从高到低外加剂掺量依次为HG、PM、AS、NH、SH和SY机制砂,试验结果与胶砂组保持一致,如图3。

图3 混凝土外加剂掺量

水胶比0.45时,采用AS、SH、PM机制砂配制的混凝土28d抗压强度较高依次为49.1MPa、48.3MPa和50.0MPa,而选用HG、NH、SY机制砂配制的28d抗压强度较低依次为42.5MPa、42.2MPa和37.3MPa。水胶比为0.32时,采用SH机制砂配制的混凝土28d抗压强度最高为70.0MPa,其次为AS的67.1MPa、NH的67.5MPa、SY的60.2MPa、PM的60.0MPa,选用HG机制砂配制的28d抗压强度最低为50.0MPa。混凝土外加剂掺量,如图4所示。

(a)抗压强度(水胶比0.45)

总体而言,混凝土对外加剂的适应性受不同岩性机制砂的影响与胶砂组试验保持一致。结合强度检测结果,无论水胶比的高低,选用AS、SH机制砂配制的混凝土强度均较高,利用NH与SY机制砂配制水胶比0.32混凝土的强度较高,而利用HG与PM机制砂配制水胶比0.45混凝土的强度较高。究其原因是SH机制砂的缺陷少、均质性和分散性好,NH与SY机制砂的表面光滑,较高水胶比时骨料界面较差,减小水胶比可显著增强界面胶结力;另外,HG与PM机制砂表面凸凹不平,较高水胶比时具有较大的机械咬合力,随着水胶比的减小混凝土强度等级增大,其较高的压碎指标缺陷逐渐产生不利作用。

3 结 论

1)母岩化学组成、石粉吸附性、表面组构与不同岩性机制砂对水工混凝土和胶砂的外加剂适应性及和易性影响具有较大相关性,钙质整体上优于硅质机制砂,试验中呈现出石粉低吸附性和较好的分散性;另外,并非所有硅质机制砂的分散性都不好,都有较高的石粉吸附性,如石英岩机制砂与外加剂具有较好适应性,其石粉吸附性也较低。因此,硅质机制砂较为复杂,要具体情况具体分析,即使花岗岩也有明显的差异,这可能与矿山岩石的种类、杂质含量、枫华程度及组成等有关。

2)水工混凝土及胶砂和易性、外加剂适应性受不同岩性机制砂的影响存在明显差异,但其强度受影响较低,这可能与机制砂压碎指标、表面组构等因素有关。试验中,花岗岩组强度较低与样品风化程度、杂质含量、岩石组成都可能有关。

3)试验表明,石灰岩机制砂水工混凝土和胶砂具有较高的强度,这可能与石灰岩机制砂缺陷较少、分散性较好、石粉吸附性低等因素有关,采用该机制砂配制水工混凝土和胶砂的均匀性较好。