灰岩人工砂石粉的不同掺量对提高混凝土性能的影响试验

魏志学,杨世平

(1.河南璟信工程监理有限公司,河南 洛阳 471000;2.洛阳市顺达公路工程质量检测有限公司,河南 洛阳 471000)

人工砂石粉含量的定义是;能够通过0.16 mm筛孔的,矿物成分与化学成分与被加工的集料相同的颗粒含量[1]。石粉一般存在形式为细集料中的石粉和粗集料中的裹粉,用质量百分数表示。据相关研究报道:(1)一定范围内的石粉含量可以提高混凝土的密实性,这是由于超细石粉可以改善混凝土的孔隙结构从而使得混凝土更加抗渗、抗冻[2];(2)适当含量的石粉可以增加集料表面的粗糙程度,增加比表面积,从而增加集料与水泥胶浆的机械嵌挤咬合作用,增强混凝土的强度和力学性能[3];(3)达到足够细度的石粉遇水具有活性,产生水化反应,一定程度上取代水泥成为胶接材料[4]。本文主要探讨石粉含量对常见混凝土的性能影响变化规律。

1 试验原材料

本文依据DL/T 5151—2014《水工混凝土砂石骨科试验规程》、DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》、DL/T 5144—2015《水工混凝土施工规范》,对试验所选材料进行试验检测判定(下文对上述规范简称“规范”)。

1.1 细集料

本研究采用细集料为某水电工程项目所用的灰岩人工砂。此灰岩人工砂的细度模数为2.61～2.82,平均值为2.72。自然生产的灰岩人工砂的石粉含量为16%～20%符合规范要求。然后对自然生产的灰岩人工砂进行人工掺配石粉用以获取不同石粉含量的灰岩人工砂。目的是进行不不同石粉含量的灰岩人工砂对混凝土性能的影响[5-7]。本文主要论述石粉含量分别为7.2%、9.2%、11.3%、13.4%、15.6%、17.9%和20.2%这7种不同的石粉含量的人工砂对常规混凝土与泵送混凝土性能影响。

1.2 粗集料

本研究所选用的粗集料与细集料为同一产地,均为灰岩粗集料。粗集料性能指标符合规范要求。

1.3 水泥

水泥为项目部采购的P·C42.5水泥,水泥的技术指标满足GB 200—2003《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》的要求[13]。

1.4 外加剂

本研究所选用的外加剂为减水剂、引气剂。减水剂、引气剂的技术指标满足规范《混凝土外加剂》GB 8076—2008的要求

1.5 拌合用水

本研究拌合用水为当地居民用水,水质满足规范要求。

2 试验方案

本文依据SL 352—2006《水工混凝土试验规程》对不同石粉含量的人工砂水泥混凝土的性能进行试验研究,人工砂石粉含量分别为7.2%、9.2%、11.3%、13.4%、15.6%、17.9%、20.2%。根据应用广泛程度,选择对常规混凝土性能、泵送混凝土的性能进行试验研究[8]。常规混凝土采用三级配,设计坍落度为80～95 mm;设计含气量为4.5%～5.5%,最优砂率为37%,用水量为l18 kg/m3;基准常规混凝土配合比如表1所示。

其他不同石粉含量的常规混凝土配合与表1基准混凝土的配合比相同,其他不同石粉含量的混凝土的坍落度按80～95 mm、含气量按4.5%～5.5%控制,具体的水胶比、砂率由试拌确定[9]。

泵送混凝土同样采用上述7种不同石粉含量的人工砂配制,基准泵送混凝土同样用三级配,设计坍落度为180～200 mm、设计含气量为4.5%～5.5%,最优砂率为41%,用水量为140 kg/m3。基准泵送混凝土配合比如表2所示。

表2 泵送混凝土配合比Tab.2 Pumping concrete mix ratio

其他不同石粉含量的泵送混凝土配合与表2基准混凝土的配合比相同,其他不同石粉含量的混凝土的坍落度按180～200 mm、含气量按4.5%～5.5%控制,具体的水胶比、砂率由试拌确定。

3 试验结果与分析

3.1 石粉对常规混凝土性能试验结果

3.1.1坍落度

使用不同石粉的人工砂拌和的常规常规混凝土的和易性技术性质与坍落度、坍落度损失率试验结果如表3所示。

表3 三级配常规混凝土的坍落度与石粉含量关系Tab.3 Relationship between slump and stone powder content of three-grade conventional concrete

由表3可知,在混凝土配合比以及配合比参数没有变化的前提下,常规混凝土拌和物和易性、坍落度、基本没有变化,混凝土单位用水量与不同的石粉含量呈近似线性正相关的变化关系。灰岩人工砂中的石粉含量在13%～20%时,常规混凝土的混凝土的坍落度损失率最低;灰岩人工砂中的石粉含量低于13%时,混凝土拌和物拌和性能差,具体表现为泌水,离析[10]。

3.1.2力学性能

不同石粉含量的灰岩人工砂拌和的混凝土的力学性能试验结果如表4所示。

表4 不同石粉含量对常规混凝土力学性能影响Tab.4 Effects of different stone powder contents on the mechanical properties of conventional concrete

由表4可知,灰岩人工砂中的石粉含量在15.6%～17.9%时,不同养护周期的混凝土抗压强度均大于其他养护龄期的混凝土;灰岩人工砂中的石粉含量低于15.6%时,混凝土的各个龄期的抗压强度与石粉含量呈现近似的正线性相关关系;而当石粉含量高于17.9%时,混凝土的各个龄期的抗压强度与石粉含量呈现近似的负线性相关关系;当胶材总量为265 kg/m3时各龄期混凝土抗压强度最大;当胶材总量低于265 kg/m3时,混凝土的各个龄期的抗压强度与石粉含量呈近似的正线性相关关系;当胶材总量高于265 kg/m3时,混凝土的各个龄期的抗压强度与石粉含量呈现近似的负线性相关关系;当石粉含量在11.3%以上时,石粉含量对混凝土28 d劈拉强度、28 d轴拉强度、28 d轴拉弹性模量、28 d极限拉伸应变近似不产生影响[11-13]。

3.1.3干缩性

不同石粉含量的灰岩人工砂拌和的混凝土的干缩性能试验结果如图1所示。

图1 不同石粉含量对混凝土干缩性能的影响

由图1可知,在不同石粉含量人工砂拌和的混凝土的其他外部条件相同的情况下,石粉含量在11.3%～17.9%时,干缩值相近,区别不明显。这可以近似的认为在此范围内,石粉含量的变化对混凝土的干缩没有影响。

3.1.4耐久性

不同石粉含量的人工砂拌和的常规混凝土的抗渗与抗冻性能试验,结果如表5所示。

表5 不同石粉含量对常规混凝土耐久性的影响Tab.5 Effects of different stone powder contents on the durability of conventional concrete

由表5可知,仅石粉含量变化,其他条件无变化的情况下,不同石粉含量的常规混凝土的耐久性与石粉含量无明显相关性。

3.2 石粉对泵送混凝土性能试验数据及结果分析

3.2.1坍落度

不同石粉含量的灰岩人工砂拌制的泵送混凝土的拌合物性能、和易性、坍落度、坍落度损失率的试验,结果如表6所示。

表6 三级配常规混凝土的坍落度与石粉含量关系Tab.6 Relationship between slump and stone powder content of three-grade conventional concrete

由表6可知,在混凝土配合比以及配合比参数没有变化的前提下,常规混凝土拌和物和易性、坍落度基本没有变化,混凝土单位用水量与不同的石粉含量呈近似线性正相关的变化关系。灰岩人工砂中的石粉含量在13.4%～15.6%时,常规混凝土的混凝土的坍落度损失率最低;灰岩人工砂中的石粉含量低于13.4%时,混凝土拌和物拌和性能差,具体表现为泌水,离析。

3.2.2力学性能

不同含量的石粉的灰岩人工砂拌和的泵送混凝土的力学性能试验结果如表7所示。

表7 不同石粉含量对泵送混凝土力学性能影响Tab.7 Effects of different stone powder contents on the mechanical properties of pumped concrete

由表7可知,灰岩人工砂中的石粉含量在15.6%～20.2%时,不同养护周期的混凝土抗压强度均大于其他养护龄期的混凝土;灰岩人工砂中的石粉含量低于15.6%时,混凝土的各个龄期的抗压强度与石粉含量呈近似的正线性相关关系;而当石粉含量高于17.9%时,混凝土的各个龄期的抗压强度与石粉含量呈近似的负线性相关关系。当胶材总量为310 kg/m3时,各龄期混凝土抗压强度最大;当胶材总量低于310 kg/m3时,混凝土的各个龄期的抗压强度与石粉含量呈近似的正线性相关关系;当胶材总量高于310 kg/m3时,混凝土的各个龄期的抗压强度与石粉含量呈近似的负线性相关关系。当石粉含量在11.3%以上时,石粉含量对混凝土28 d劈拉强度、28 d轴拉强度、28 d轴拉弹性模量和28 d极限拉伸应变近似不产生影响。

3.2.3干缩性

不同石粉含量的灰岩人工砂拌和的泵送混凝土的干缩性能试验结果如图2所示。

图2 不同石粉含量对混凝土干缩性能的影响

由图2可知,在不同石粉含量人工砂拌和的泵送混凝土的其他外部条件相同的情况下,石粉含量在11.3%～17.9%时,干缩值相近,区别不明显。这可近似的认为在此区间内,石粉含量的变化对混凝土的干缩没有影响。

3.2.4耐久性

不同石粉含量的灰岩人工砂拌和的泵送混凝土的耐久性试验结果如表8所示。

表8 不同石粉含量对灰岩人工砂拌和的泵送混凝土的耐久性影响Tab.8 Effect of dfferent sone pwder cntent on the drability of pmped cncrete mxed with atificial lmestone snd

由表8可知,仅石粉含量变化,其他条件无变化的情况下,不同石粉含量的常规混凝土的耐久性与石粉含量无明显相关性。

4 结语

本文依托于某水电站工程对常规混凝土、泵送混凝土进行灰岩人工砂石粉含量对混凝土的性能的影响研究,归纳:(1)常规混凝土的灰岩人工砂中石粉质量分数建议在11%～20%;(2)泵送混凝土的灰岩人工砂石粉质量分数建议在11%～18%;(4)综合考虑常规混凝土与泵送混凝土的性能,建议灰岩人工砂的石粉质量分数为15%～18%。