石灰石機制砂與鵝卵石機制砂雙摻制備C 50高性能混凝土的性能研究

周珉，韋峰靜，甘露，覃佳，黃世力

（廣西魚峰混凝土柳東有限公司，廣西 柳州 545008）

0 引言

目前，機制砂依靠其低廉的成本價值、成熟的制備工藝和豐富的原料儲量，已經(jīng)完全替代天然砂成為當前預拌混凝土細骨料組分的不二選擇。混凝土是目前使用量最大的建筑材料，把機制砂應用到混凝土的制備中，大大緩解了天然砂資源的匱乏帶來的壓力，也為預拌混凝土企業(yè)帶來了巨大的利潤空間。

在柳州混凝土原材料市場上，機制砂主要有石灰石機制砂和鵝卵石機制砂兩種。石灰石機制砂是將柳州附近石灰石巖礦經(jīng)破碎、整形、篩分、收塵等工序制備而成，其主要特點是細度模式較小，小于 0.3mm 的粒徑較多，含粉量較大，單級最大壓碎指標較好。石粉不但增加了水泥漿體含量，而且提高了混凝土的流動性，石粉還可起到微滾珠作用，減少砂與砂之間的摩擦，從而改善混凝土的和易性；石粉能減小顆粒間的空隙，排除空隙中的部分水分，使自由水增加，從而使?jié){體流動性增大，減小對用水量的需求[1]。鵝卵石機制砂是將采自柳江支流的鵝卵石經(jīng)水洗，破碎、整形而成，其顆粒較粗、細度模數(shù)大、級配較差、顆粒棱角較多，不宜單獨使用制備混凝土。

JGJ/T 385—2015《高性能混凝土評價標準》規(guī)定，常規(guī)品高性能混凝土配合比應按強度和耐久性能進行設計，并應使混凝土達到設計與施工要求的混凝土力學性能、拌合物性能、長期性能和耐久性能。本試驗針對柳州附近的石灰石機制砂和鵝卵石機制砂雙摻設計并試配C50 高性能混凝土，研究兩種機制砂雙摻的搭配比例對C50 高性能混凝土的拌合物性能、力學性能以及抗?jié)B性能的影響，從中找出最優(yōu)搭配比例。

表1 水泥的主要性能指標

1 試驗

1.1 配合比要求

根據(jù) GB/T 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計規(guī)范》、JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》、CJJ 2—2008《城市橋梁工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》、JGJ/T 385—2015《高性能混凝土評價標準》的相關(guān)標準確定本試驗配合比設計的相關(guān)要求：

（1）砂子顆粒級配為Ⅱ區(qū)，細度模數(shù) 2.8～3.0。

（2）碎石粒徑不宜大于 25mm。

（3）C50 混凝土最大水膠比為 0.45。

（4）混凝土最大膠凝材料用量不大于 500kg/m3。

（5）混凝土最大氯離子含量不應超過膠凝材料總量的 0.10%。

（6）混凝土中最大堿含量為 3.0kg/m3（潮濕環(huán)境）。

（7）設計坍落度 180～210mm，設計擴展度大于600mm。

1.2 原材料分析

（1）水泥采用魚峰牌 P·Ⅱ42.5 水泥，符合 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》標準，具體性能指標如表1。

表2 礦粉的主要性能指標

表3 砂子的主要技術(shù)指標

（2）礦物摻合料為強實牌 S95 級細磨礦渣粉，符合 GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土的粒化高爐礦渣粉》要求，具體性能指標如表2。

（3）試驗用石灰石機制砂為柳州周邊天然碎石破碎生產(chǎn)的砂子；鵝卵石機制砂為柳州市周邊砂廠生產(chǎn)；主要技術(shù)指標見表 3，篩分分析見表 4。

表4 砂子篩分分析

（4）碎石為柳州馬鞍山連續(xù)級配 5～25mm 碎石，Cl-含量為 0.004%。

（5）外加劑為聚羧酸系高性能減水緩凝劑，摻量為膠凝材料的 2.6%，總堿量為 0.57%，Cl-含量為0.004%。

（6）拌合水為地下水，堿含量為 65mg/L，Cl-含量為 60mg/L，SO42-含量為 17mg/L。

1.3 配合比設計

試驗確定水膠比為 0.31，膠凝材料為 480kg/m3，礦粉摻量為占膠凝材料的 29%，砂率為 41%，表觀密度為 2433kg/m3，計算得出試驗用配合比如表 5。

表5 試驗配合比k g/m3

1.4 試驗方案

試驗主要是按照試驗配合比，用兩種機制砂按不同比例混合來充當細骨料配制混凝土。石灰石機制砂細度模數(shù)較小、含粉量太高，日常生產(chǎn)中單獨使用配制的混凝土坍落度較小、流動性差。鵝卵石機制砂太粗、級配太差。在混凝土制備的時候，發(fā)現(xiàn)粒徑比較粗的砂石比較多的時候，應該添加一些細粒徑和中粒徑的砂石，減少其中的孔隙，避免整體的表面積太大，不僅節(jié)約了水泥漿液的使用量，同時也提高了混凝土的強度和密實度，由此可見，砂的粗細程度和級配也是衡量砂質(zhì)量的重要指標[2]。而兩種機制砂混合，按照比例搭配的混合砂可以得到較好的細度模數(shù)和級配，從中找出符合設計要求的雙摻比例進行試配試驗。

混合比例對混合機制砂細度模數(shù)的影響見圖 1，混合砂的顆粒級配分布見表 6 和圖 2。

圖1 混合機制砂對細度模數(shù)的影響

由圖 1 可以看出兩種機制砂的混合時，石灰石機制砂摻量越大，混合砂的細度模數(shù)越小，當摻量混合比例為 5:5、6:4、7:3、8:2 時，細度模數(shù)符合配合比要求的2.8～3.0 之間。

由表 6 和圖 2 可以看到，混合砂的級配分布在二區(qū)砂范圍內(nèi)的混合比例為 6:4、7:3、8:2、9:1。綜合細度模數(shù)的要求，選取石灰石機制砂與鵝卵石機制砂摻量混合比例為 6:4、7:3、8:2 的混合砂進行配合比驗證。

表6 不同尺寸方篩孔累計篩余

圖2 混合砂的顆粒級配分布

1.5 混凝土總堿含量及氯離子總含量計算

（1）混凝土總堿含量計算

混凝土的總堿含量包括水泥、礦物摻合料、外加劑及水的堿含量之和。其中，礦物摻合料的堿含量以其所含可溶性堿計算。礦渣粉的可溶性堿量取礦渣總堿量的 1/2。配合比設計中最大堿含量為 3.0kg/m3（潮濕環(huán)境）。試驗配合比混凝土總堿含量計算結(jié)果見表 7。

表7 混凝土總堿含量計算結(jié)果

（2）混凝土氯離子總含量計算

混凝土中氯離子總含量包括水泥、礦物摻和料、粗骨料、細骨料、水、外加劑等所含氯離子含量之和，混凝土的氯離子總含量不應超過凝膠材料總量的 0.10%，用三種摻和比例的混合砂配制混凝土中氯離子總含量見表 8。

表8 混凝土氯離子總含量試驗結(jié)果

經(jīng)計算，三種混合砂試配的混凝土總堿含量及氯離子總含量滿足設計要求。試驗選取這三種混合砂進行配合比試配試驗，并對配制的混凝土進行工作性能、力學性能和抗?jié)B性進行分析研究。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 試配混凝土工作性能

石灰石機制砂與鵝卵石機制砂摻量混合比例為6:4、7:3、8:2 的混合砂顆粒級配較好，新拌混凝土的工作性能基本滿足泵送施工要求，且無離析、無泌水。

從圖 3、圖 4 可以看出，石灰石機制砂摻量為 70%時，混凝土的流動性最好，適量的石粉充分填充混凝土膠凝材料和骨料的間隙，使得混凝土流動性相對較好，對抗離析性和抗泌水性也有比較大的貢獻。當摻量為80% 的時候，混合砂中 0.6mm 至篩底的部分較多，增大了混凝土中比表面積，使得需水量增大，自由水減少，混凝土擴展度和流動性相對減少。摻量為 60% 的混合砂，4.75～2.36mm 部分的大顆粒機制砂多棱角，顆粒間相互摩擦力較大，影響混凝土流動性。

2.2 試配混凝土力學性能

由圖 5 可知，因三種比例混合砂都屬于中砂范圍，相互混合的比例對混凝土抗壓強度的影響并不明顯。

三種混合砂試配混凝土的 28d 齡期強度均達到強度等級的 115% 以上。機制砂的顆粒棱角較多，相互的粘結(jié)接觸點很多，在混凝土內(nèi)部形成較為堅固的連接關(guān)系，對混凝土抗壓強度的貢獻較大。

圖3 坍落度和擴展度試驗結(jié)果

圖4 間隙通過度試驗結(jié)果

圖5 齡期—抗壓強度分析

2.3 試配混凝土抗?jié)B性能

混凝土是一種多相非均勻材料，從微觀上看是多孔結(jié)構(gòu)，水通過這些空隙在混凝土中滲透。一般認為，混凝土的滲透性越低，水及腐蝕性介質(zhì)越不易滲入，即耐久性越好[3]。將三種混合砂試配的混凝土分別制作抗?jié)B試塊，標準養(yǎng)護 28d 后進行混凝土抗?jié)B試驗，試驗水壓從 0.1MPa 開始，以后每隔 8h 增加水壓 0.1MPa，當 6個試件中有 3 個試件斷面呈有滲水現(xiàn)象時，停止試驗，記錄當時的水壓。

由表 9 可以看出，不同雙摻比例的混合砂拌制的混凝土所能加壓至最大水壓也有差異。

表9 抗?jié)B試驗結(jié)果

當石灰石機制砂摻量為 70%，混凝土整體密實度最高，抗?jié)B性能最佳，抗?jié)B等級達到 P12。當摻和比例為6:4 時，混凝土漿體相對要少，混凝土內(nèi)部存在細小空隙，影響混凝土抗?jié)B性能。當石灰石機制砂摻量過高，其石粉含量過大，破壞了混凝土內(nèi)部整體的堆積效果，影響水泥漿對骨料的包裹，導致混凝土抗?jié)B性能下降。

3 結(jié)論

本試驗分析了石灰石機制砂與鵝卵石機制砂按不同雙摻比例混合的混合砂特征，選取滿足 C50 高性能混凝土要求的混合砂進行混凝土試配。研究不同雙摻比例的混合砂對 C50 高性能混凝土的工作性能的影響，對力學性能的貢獻，以及對比抗?jié)B性能，得出以下結(jié)論：

（1）各自存在級配缺陷的石灰石機制砂和鵝卵石機制砂按照 7:3 的比例混合后，可得到滿足 C50 高性能混凝土配合比設計要求的細度模數(shù)為 2.9 的二區(qū)中砂，拌制混凝土的工作性能最佳。

（2）符合設計要求的混合砂的摻和比例對混凝土齡期強度影響不大，28 天齡期強度均達到強度等級的115% 以上。

（3）摻和比例為 7:3 的混合砂制備的混凝土密實度最好，能加壓至最大水壓最高，抗?jié)B性能最佳。