石灰岩机制砂混凝土用水量的量化调整试验

2023-09-22聂建省

四川水泥 2023年9期

聂建省

（兰州铁路技师学院，甘肃兰州 730050）

0 引言

机制砂也叫人工砂，是通过制砂机、除尘设备等将岩石经逐级破碎、筛分、除尘加工成的粒径不大于4.75mm 的颗粒，用于替代混凝土中天然砂的材料。通过对机制砂的使用，能够在一定程度上避免河砂的滥开滥采，对于河道保护、减少运输成本有着积极作用。因此，在混凝土中使用机制砂来替代天然砂已经成为了一个必然的趋势。

石粉是指机制砂中粒径小于75μm的颗粒，其成分与母岩一致。许德兴[1]等人认为，石粉对混凝土的影响较大，适量的石粉可以改善混凝土的工作性能、力学性能和耐久性，石粉含量过大和过小都会显著影响混凝土的工作性能。

在机制砂生产中，因制砂机以及生产工艺的不同，市场上大多数机制砂的颗粒级配、粒型、石粉含量等都存在着较大范围波动，这对机制砂混凝土的质量控制带来了挑战。本文介绍了在保证混凝土的强度、耐久性满足设计要求的前提下，根据机制砂石粉含量的多少，对混凝土的单方用水量进行调整，使得混凝土的最终工作性能满足要求。

1 混凝土原材料选择

水泥：重庆华新地维水泥有限公司生产的P·O42.5普硅水泥，其主要指标见表1。

表1 P·O42.5水泥物理力学性能指标

粉煤灰：重庆华珞粉煤灰有限公司F类Ⅱ级，45μm方孔筛余量22.1%，烧失量3.10%，需水量比98%，28d强度活性指数76%。

机制砂1：重庆喆松鑫磊建材有限公司，石灰岩质，符合I区粗砂级配范围，细度模数3.2，MB 值0.8g/kg，石粉含量7.0%，压碎值22%。

机制砂2：重庆渝胜矿业有限公司，石灰岩质，符合I 区粗砂级配范围，细度模数3.1，MB 值1.0g/kg，石粉含量14.9%，压碎值21%。

机制砂3：重庆渝胜矿业有限公司，石灰岩质，符合I 区粗砂级配范围，细度模数3.1，MB 值1.0g/kg，石粉含量17.1%，压碎值22%。

机制砂4：重庆喆松鑫磊建材有限公司，石灰岩质，符合I区粗砂级配范围，细度模数3.2，MB 值0.8g/kg，石粉含量5.0%，压碎值21%。

河砂：湖南洞庭湖天然砂，属于I区粗砂级配范围，细度模数3.1，表观密度2670kg/m3，含泥量2.1%。

碎石：重庆市长寿区生产的石灰岩质5～25mm 连续级配碎石，含泥量0.8%，压碎值8%。

石粉：重庆渝胜矿业有限公司，45μm 方孔筛余量12.6%，碳酸钙含量83%，MB 值0.9g/kg，流动度比102%，28d抗压强度比71%，标准稠度用水量28.0%，比表面积358m2/kg。

减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司，PCA-I聚羧酸缓凝型高性能减水剂，与水泥、粉煤灰之间具有良好的相容性，减水率26%，含气量2.5%，坍落度1h 经时变化量20mm。

拌合水：可饮用地下水。

2 配合比设计及结果分析

2.1 石粉含量对混凝土工作性能的影响

选用C35 强度等级配合比来开展不同机制砂石粉含量的混凝土性能试验，分析不同石粉含量对混凝土工作性能的影响，机制砂细度模数统一控制在3.1。配制机制砂混凝土时，砂率在河砂配合比基础上提高2%，使混凝土拌合物的性能基本保持一致。试验结果见表2。

表2 石粉含量对混凝土工作性的影响

由表2可以看出，当机制砂石粉含量在7.0%以内，水胶比在0.38 时，同工作性能的混凝土单方用水量与河砂混凝土单方用水量基本一致，此时，河砂的砂率可作为机制砂的等效砂率；等效砂率可以将石粉从砂中区别开来，不将石粉全部作为机制砂，以区别通常意义上的砂率。石粉含量对混凝土工作性能的影响可以通过等效砂率来体现，在一定含量石粉时混凝土已具有良好工作性能的情况下，随着石粉含量的增加，坍落度因混凝土拌合物稠度的增加而减小，故在调整配合比选取砂率或等效砂率时，需要兼顾石粉含量。

当石粉含量继续增大，石粉含量分别在8%、10%时，混凝土的流动性随之变差，要达到相同工作性能，混凝土的用水量或减水剂用量将相应增大。因此将机制砂石粉含量7.0%作为一个界限，对超过该界限部分的石粉进行量化计算，采用同水胶比来进行混凝土单方用水量补充，从而使混凝土的工作性能满足要求。选用目前普遍使用的C40、C35、C30 配合比来进行试配，试配混凝土工作性能见表3。

表3 混凝土配合比设计与调整

由表3 可以看出，机制砂石粉含量超过7.0%时，对超过7.0%的石粉含量部分应补充的用水量进行计算，调整用水量后的混凝土性能能够满足工作性能要求，其坍落度实测值略大于石粉含量7.0%混凝土的坍落度，由于该石粉的标准稠度用水量与水泥的标准稠度用水量基本一致，混凝土的粘聚性无太大差异。同理，随着粉体材料总量的增加，要制成同样工作性能的混凝土，就应该增加同样水胶比所对应粉体所需的用水量。

2.2 硬化混凝土抗压强度及电通量

机制砂1、机制砂2、机制砂3石粉含量分别为7.0%、14.9%、17.1%，其混凝土抗压强度及电通量见表4。

表4 混凝土抗压强度及电通量

从表4可知，机制砂石粉含量在7.0%时，各龄期混凝土的抗压强度值最高、电通量最小，且优于河砂混凝土。其主要原因在于适量的石粉能够产生良好的微集料填充效应，可以让砂浆连通孔变少，从而降低混凝土内部空隙，有效提高混凝土的密实性，使混凝土强度及耐久性能得到提升。石粉颗粒具有完善胶材级配的作用，通过减小空隙率来减小用水量的需求。

随着机制砂石粉含量进一步增大，混凝土的早期强度增长逐渐放缓。石粉含量为17.1%时，混凝土7d抗压强度只达到同龄期河砂混凝土强度的70%左右。后期随着龄期的增长，该影响逐步缩小，至120d 龄期时，抗压强度趋于一致。56d 与120d 龄期的混凝土电通量随着石粉含量的增大有微增，但增幅不大，处于同一水平。而大粉煤灰掺量的混凝土，浆体中过量的石粉在混凝土结构中造成过度填充，增大了水泥颗粒间的距离，影响水泥水化胶结后的交联，混凝土的早期强度增长缓慢。随着龄期的增长，胶凝材料会充分水化与石粉一起形成致密结构，后期强度与耐久性有快速增长。