石灰石機制砂品質對混凝土性能的影響

朱華勝 周劍波 李傳書 苗永旺 曾永平 曾曉輝 辜英晗 沈衛國 朱東敏 佘志清

(1中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075；2中鐵五局集團有限公司拉林鐵路指揮部，貴州 貴陽550000；3中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031；4武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430000；5貴州成智重工科技有限公司，貴州 貴陽 550000)

機制砂是經除土開采、機械破碎等方式，篩分后得到的粒徑小于4.75mm的巖石、礦山尾礦或者工業廢渣顆粒[1-3]。母巖的物理性能、機械設備及加工工藝等因素決定了其質量，故其性能與天然砂相比存在很大差異，具有含粉量高、顆粒多棱角、表面粗糙度大等特點，配置的混凝土易出現泌水、離析問題[4-6]。

機制砂代替天然砂作為混凝土細骨料已在鐵路[7]、公路[8]、隧道[9]等工程中廣泛應用，然而，機制砂品質受巖石材質和生產工藝影響較大，其對混凝土性能產生重要影響。砂的表面形態和石粉含量與破碎方式密切相關，輥壓砂的表面最粗糙，其配置混凝土的抗壓強度高[10]。機制砂的粉含量高于天然砂，而一定的石粉含量對混凝土的工作性能和力學性能有改善作用[11-16]。級配和砂率是混凝土配合比設計的關鍵指標，有研究表明提高砂率是改善機制砂混凝土和易性的有效措施[17-18]。

在機制砂主要性能參數中，顆粒級配、砂率等作為機制砂品質控制的關鍵指標，其對混凝土性能有著重要影響，然而從目前的生產現狀來看，常存在級配不良或超出級配范圍的情況，因此機制砂品質如何合理控制是工程中重點關注的問題之一。為此，本文將機制砂顆粒組成分6組，從各組分的含量及顆粒組成比例角度，深入研究機制砂顆粒級配、砂率及石粉含量對混凝土性能的影響，可為實際工程應用提供參考。

1 試驗材料和方案

1）水泥

試驗用水泥為拉法基普通硅酸鹽水泥P.O 42.5。其基本性能如表1。

表1 水泥的基本性能

2）礦物摻合料

試驗用摻合料為Ⅱ級粉煤灰。粉煤灰基本性能如表2。

表2 II級粉煤灰基本性能

3）集料

試驗用粗骨料為級配碎石。該碎石由5～15mm和16～25mm兩種粒級碎石摻配而成，配合比例分別為40%、60%，混合后形成5～25mm連續級配碎石，表觀密度為2670kg/m-3，松散堆積密度1530kg/m-3。

細骨料為機制中砂，其性能指標如表3所示。

4）外加劑

減水劑采用宜賓天龍化工TL-1000聚羧酸高性能減水劑，摻量為0.8%～1.2%，減水率30%。

對機制砂進行篩分后取不同粒徑的重新配置，得到細度模數不同的機制砂試樣。石粉采用75μm篩篩出的原狀石粉。以B區石灰巖機制砂的顆粒級配范圍作為參照基準，設置了6種不同類型的級配，以研究級配、砂率等機制砂性能參數對C50石灰巖機制砂自密實混凝土性能的影響。各類型機制砂基本參數如表3，顆粒級配曲線如圖1。

表3 實驗分組及參數

圖1 機制砂級配曲線

類型A為細砂，類型B、C、D、E為中砂，類型F為粗砂。根據規范中有關基準組B區砂級配上、下限范圍，除類型F級配超出范圍外，其他類型均符合B區砂的級配要求。另外，類型B、類型D的級配與瀝青混合料的間斷級配相似，分別具有“倒S型”“S型”級配特征，前者有利于形成骨架結構，后者有利于形成懸浮結構；類型C屬于連續級配；類型A、E、F可以歸結為不良級配?；炷僚浜媳仍O計參數見表4。

表4 C50機制砂混凝土配合比

2 結果及分析

2.1 機制砂級配對混凝土性能的影響

C50機制砂混凝土工作性能各項指標測試結果如表5及圖2所示。由于類型A、E、F機制砂均屬于不良級配，其所配制的自密實混凝土工作性能比較差。其中，類型A的級配中大于1.18mm顆粒組分含量過少、小于1.18mm顆粒組分含量過多，所配制的混凝土較黏，和易性較差，但保水性比較好；而類型E、F的級配中大于1.18mm顆粒組分含量過多，小于1.18mm顆粒組分含量過少，1.18mm篩檔含量均大于45%，所配制的自密實混凝土表現出離析、泌水、骨料堆積、和易性差等問題。因此，對于機制砂選取，不同組分含量過多或過少，都會導致混凝土工作性能變差。當大于1.18mm顆粒組分含量過多時，混凝土出現泌水，骨料堆積出現離析；當小于1.18mm顆粒組分含量過多時，混凝土變得較為黏稠，難以澆筑。

相比之下，類型B、C、D的級配優于類型A、E、F，其大于1.18mm顆粒組分、小于1.18mm顆粒組分的含量比例保持在1:2左右，所配制的混凝土工作性能明顯更好，充分發揮出大于1.18mm顆粒組分在整個混凝土中使混凝土集料間更連續的作用。

另外，在類型B、C、D中，其大于1.18mm顆粒組分的顆粒組成比例有所改變，特別是類型D缺少粒徑2.36mm以上的顆粒，其相應自密實混凝土的坍落度、擴展度都小于類型B和類型C。因此，兩種組分含量多少及大于1.18mm顆粒組分顆粒間的組成比例，即機制砂顆粒級配及其顆粒間連續程度，是決定混凝土工作性能優劣的重要因素。

表5 不同級配機制砂混凝土工作性能

圖2 級配對混凝土塌落度及流動度的影響

7d、28d齡期抗壓強度如圖3所示，在原材料配合比相同的情況下，由于機制砂顆粒級配不同，所配制的混凝土強度具有明顯差異。其中：①對于機制砂不良級配類型A、E、F，其所配制的混凝土強度均較低；②雖然類型B、C、D級配符合規范要求，但由于類型D大于1.18mm顆粒組分中2.36mm、4.75mm篩檔顆粒嚴重缺失，導致混凝土強度明顯偏低，其7d、28d強度比類型B降低8.8MPa、8.3MPa；而類型B、C大于1.18mm顆粒組分中含有2.36mm、4.75mm篩檔顆粒且按一定比例組成，其所配制的混凝土強度明顯提高，其中類型B的顆粒組成偏于骨架結構，其對應混凝土強度最高。因此，機制砂顆粒級配是影響混凝土強度的一個不容忽視的因素，且機制砂大于1.18mm顆粒組分的含量大小及顆粒間組成比例是影響混凝土強度的主要因素。

圖3 級配對混凝土強度的影響

由試驗結果可知，細度模數僅是表征砂的粗細程度的宏觀指標，無法反映顆粒級配的真實情況，不能作為判斷砂品質好壞的衡量指標。顆粒級配才是機制砂品質好壞的內在決定因素，對混凝土強度及工作性能影響效果顯著，生產時應得到嚴格控制，并使顆粒級配曲線具有骨架密實特征。

以1.18mm篩孔為分界點，將機制砂顆粒組成分成兩個組分。大于1.18mm顆粒組分主要影響混凝土的泌水性，小于1.18mm顆粒組分主要影響混凝土的保水性及黏聚性。為保證混凝土具有良好的工作性能，應使大于1.18mm顆粒和小于1.18mm顆粒組分的含量比例保持在1:2左右，并有效控制大于1.18mm顆粒組分顆粒組成比例。

2.2 機制砂砂率對混凝土性能的影響

砂漿在新拌混凝土中起到潤滑作用，砂漿數量的提高(砂率的提高)對提高混凝土的流動性有利。在機制砂高性能混凝土中，機制砂的比表面積大、吸水量較大，砂率的增加也對流動性的提高有一定的負面影響，特別是機制砂中的石粉含量大，提高砂率后對流動性的負面影響更明顯。實驗選用了幾種不同砂率，在相同水灰比條件下，分析了砂率對混凝土工作性能和強度的影響。試驗結果見表6。

表6 不同砂率對機制砂混凝土性能的影響

由于機制砂表面粗糙，棱角多，且石粉含量普遍較高，從而導致機制砂混凝土和易性較易出現極端情況。砂率稍小，就容易出現離析泌水現象，砂率偏大，則表現為粘性過大，流動性顯著降低，因此，砂率的選取對于機制砂混凝土的重要性，相比河砂混凝土，顯得尤為重要。實驗選取砂率范圍36%～45%進行了試配，C50高性能混凝土砂率在39%～42%時和易性最佳。由圖4和圖5可知，隨砂率增加，混凝土的塌落度基本不變，擴展度不斷減小，強度顯著增加。因此，在保證混凝土拌和物黏聚性和保水性良好的前提下，建議混凝土中機制砂的砂率范圍為39%～42%。

圖4 砂率對混凝土塌落度及流動度的影響

圖5 砂率對混凝土強度的影響

2.3 機制砂石粉含量對混凝土性能的影響

適量的石粉能有效改善混凝土的各項性能，而過多的石粉含量會對混凝土性能產生不利的影響。因此，本文設計了0%～20%的石粉摻量，研究了石粉含量對混凝土和易性和力學性能的影響。試驗結果如表7所示。

由圖6可知，隨機制砂中石粉含量從0%增加到20%，機制砂混凝土的和易性發生了顯著變化，坍落度和擴展度都經歷了一個先增加后減小的趨勢。機制砂混凝土的坍落度和擴展度在石粉含量達到12%左右時達到最大值，分別為262mm和570mm，隨后減小，當石粉含量為20%時，已低于石粉含量為0時的水平。試驗過程中發現，石粉含量達20%時的混凝土已十分粘稠，和易性大幅度下降。

產生上述現象的原因可能在于：機制砂顆粒之間的空隙被適量的石粉填充之后，混凝土和易性最佳，但隨著石粉含量的繼續增加，超出了機制砂顆粒的吸附能力，多余的石粉分散在骨料顆粒之間，吸收水分使漿體變得黏稠，破壞了石粉顆粒的微滾珠效應，混凝土和易性下降，且石粉含量超出最佳含量越多，降低越明顯。

由圖7可知，隨機制砂中石粉含量從0%增加到20%，機制砂混凝土的7d和28d強度均有增長的趨勢，分別增長了5.7MPa和3.4MPa。石粉的摻入能起到微孔填充作用，填充機制砂之間的孔隙，進而細化水泥混凝土的毛細孔，減小混凝土的孔隙率，改善混凝土孔隙結構，因此機制砂混凝土的抗壓強度隨石粉含量的增大而增加。但石粉含量過高時，會打破混凝土的密實狀態，降低混凝土強度。

圖6 石粉含量對混凝土塌落度及流動度的影響

圖7 石粉含量對混凝土強度的影響

3 結論

基于上述試驗結果及分析，本文得到如下結論：

1）機制砂混凝土容易出現離析、泌水等不良工作性能，其原因在于機制砂本身級配不合理，出現小于1.18mm的顆粒過少的情況。

2）在配制混凝土過程中，可通過調節機制砂中大于1.18mm和小于1.18mm顆粒的比例改善機制砂混凝土的級配，提高其保水性和黏聚性，保證混凝土強度。

3）在配制高性能混凝土時，機制砂砂率過低會出現離析泌水等現象，而砂率過高會顯著影響混凝土拌合物的流動性，砂率在39%～42%范圍內時，混凝土工作性能和力學性能良好。

4）石粉可發揮微珠效應，在一定程度上改善機制砂混凝土工作性能和力學性能，但過高的石粉含量會打破混凝土密實狀態，產生負效應。