含石粉的C30機制砂混凝土性能研究

旃開發(fā)　劉浩薔　閔小林　馬露雪　劉滎　郭啟龍

摘? 要：文章針對機制砂中石粉含量對混凝土性能的影響，結(jié)合具體實驗數(shù)據(jù)探究了機制砂、粉煤灰和石粉含量對混凝土性能的影響;結(jié)果表明，隨著機制砂含量的增加，坍落度不斷降低，抗壓強度先增加后降低，當(dāng)含量為40%時，抗壓強度達到最大值。粉煤灰的適量摻入可以改善混凝土的工作性能，摻量為20%時提高了混凝土的抗壓強度。適量的石粉可以改善混凝土的工作性能，提高其抗壓強度，當(dāng)石粉含量高于13%，降低混凝土工作性能和抗壓強度。因此，當(dāng)機制砂摻入為40%，粉煤灰為20%和石粉含量為13%時，C30混凝土的抗壓強度最高。

關(guān)鍵詞：機制砂;石粉;河砂;粉煤灰;混凝土

中圖分類號：TU528? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）08-0051-04

Abstract： Aiming at the effect of the stone dust contenton the concrete performance in the manufactured sand， this paper explores the effect of the manufactured sand， fly ash and stone dust contenton the concrete performance with specific experimental data; the results show that with the increase of the content of the machine sand， the slump continues to decrease， and the compressive strength increases first and then decreases. When the content is 40%， the compressive strength reaches a maximum.An appropriate amount of fly ash can improve the workability of concrete， and the compressive strength of concrete is increased when the amount is 20%.A proper amount of stone powder can improve the workability and compressive strength of concrete. When the content of stone powder is higher than 13%， the workability and compressive strength of concrete are reduced.Therefore， when the incorporation of machine sand is 40%， fly ash is 20% and stone dust contentis 13%， the compressive strength of C30 concrete is the highest.

Keywords： manufactured sand; stone powder; river sand; fly ash; concrete

1 概述

我國持續(xù)推進經(jīng)濟建設(shè)，隨著建筑行業(yè)高速發(fā)展，建筑用砂需求逐漸增大，天然河砂大量開采，國內(nèi)大部分地區(qū)資源匱乏，生態(tài)遭到嚴(yán)重破壞，受到國家高度重視，為杜絕該類問題產(chǎn)生，《森林法》第十三條規(guī)定，禁止采天然砂等毀壞生態(tài)行為，所以市面上天然砂資源匱乏。國家在兩會上也明確指出，倡導(dǎo)發(fā)展機制砂產(chǎn)業(yè)，進行生態(tài)文明建設(shè)，大力推進機制砂代替河砂，為響應(yīng)國家號召，機制砂取代河沙已經(jīng)逐漸應(yīng)用在工程實踐中。

機制砂是由石頭破碎而成的直徑小于4.75mm的巖石顆粒。它具有多棱角、級配不良等特點。在混凝土中，它可以增加彼此之間的咬合力，提高混凝土強度[1]，機械破碎而成的機制砂還含有一定量的石粉（粒徑小于75？滋m的顆粒），國內(nèi)外大量試驗研究表明，石粉可以改善混凝土的顆粒級配，促進水泥的水化反應(yīng)，填充內(nèi)部孔隙等，但也會對混凝土結(jié)構(gòu)造成永久性損傷，對不同體系的混凝土也會產(chǎn)生不同影響。所以，實際情況下，石粉含量需要根據(jù)不同配合比和不同摻合料另行討論[2]。

從上述研究進展可看出，原材料狀態(tài)及含量等對機制砂混凝土影響還不是很清晰，因此本文主要研究機制砂、粉煤灰和石粉對混凝土性能的影響，從而為推動機制砂在混凝土中的應(yīng)用以及工程實踐提供理論依據(jù)。

2 試驗

2.1 原材料

（1）膠凝材料：采用蘭州京蘭水廠普通硅酸鹽水泥P·O42.5水泥，性能見表1。

（2）粉煤灰：匯豐新材料二級粉煤灰，2.6μm方孔篩余量為16%，密度為2.55g/cm3，堆積密度為1.12g/cm3，含水量0.85%，燒失量6.5%。

（3）細集料：采用蘭州砂石廠精品機制砂和天然河沙，細骨料物理化學(xué)性能如表2所示。

試驗過程中，以20%為梯度不斷用機制砂取代河砂，并根據(jù)不同試驗階段所需石粉調(diào)整含量。

（4）粗集料：采用粒徑大小為5～22mm的連續(xù)級配碎石。

（5）減水劑：陜西秦奮建材聚羧酸高效減水劑（減水率為20%）。

（6）水：普通自來水。

2.2 實驗配合比

本實驗依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55-2011）、《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2005）分別設(shè)計了以下不同情況混凝土配合比。

（1）采用不同摻量（20%、40%、60%、80%、100%）的機制砂取代河砂，配合比設(shè)計如表3所示，對混凝土物理性能、工作性能進行研究。通過觀測混凝土的狀態(tài)和坍落度，以及不同摻量的3d、7d、 28d抗壓強度及28d抗折強度，以此來研究機制砂摻量對混凝土性能的影響。

（2）固定機制砂摻量，采用不同摻量（0%、10%、20%、30%）的粉煤灰取代水泥，配合比如表4所示，對混凝土物理性能、工作性能進行研究。通過觀測混凝土的狀態(tài)和坍落度，以及不同摻量的3d、7d、28d抗壓強度及28d抗折強度，從而研究粉煤灰含量對混凝土性能的影響。

（3）固定機制砂摻量和粉煤灰摻量，采用不同摻量（3%、8%、13%、18%）的石粉，進行混凝土物理性能、工作性能的研究，配合比如表5所示。通過觀測混凝土的狀態(tài)和坍落度，以及不同摻量的3d、7d、28d抗壓強度及28d抗折強度，從而研究石粉含量對混凝土性能的影響。

2.3 試驗方法

混凝土坍落度參照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試[3];混凝土抗壓、抗折強度參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行[4]，配制成標(biāo)準(zhǔn)試塊，拆模之后自然養(yǎng)護到規(guī)定齡期進行性能測試。

2.4 試驗結(jié)果分析

2.4.1 不同機制砂摻量對混凝土性能影響

不同含量機制砂取代河砂的混凝土性能變化見表6，從表中可以看出，隨著機制砂含量的增加，新拌混凝土的坍落度逐漸減小，當(dāng)摻量超過80%時，坍落度超出了設(shè)計要求，這是由于機制砂本身吸水率較高，當(dāng)水膠比不變，隨著機制砂的增多，混凝土的坍落度下降。

從表6中可以看出，隨著機制砂摻量的增加，新拌混凝土的坍落度逐漸降低，這是因為機制砂摻量的增加導(dǎo)致石粉含量增多，所以石粉需要的用水量增加，但水膠比不變，所以混凝土的坍落度下降，而且機制砂顆粒粗糙，有棱角，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部形成較多孔隙，所以需要更多的漿體材料來包裹，導(dǎo)致混凝土膠凝材料和用水量不足，從而降低新拌混凝土的流動性。

隨著機制砂含量的增加，混凝土3d、7d和28d抗壓強度都呈現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，當(dāng)含量為40%時，抗壓強值最大。因為機制砂多棱角、級配不均勻，但具有較好的機械咬合力，而河沙呈圓形顆粒，級配均勻，但咬合力不足，二者混合正好彌補了相互之間的不足，混合砂級配得到了提高，進而增強了混凝土的密實度，提高了混凝土抗壓強度。但當(dāng)機制砂含量超過40%之后各齡期強度均呈減少的趨勢，一方面因為機制砂含量的增加，導(dǎo)致細骨料級配不良，混凝土內(nèi)部空隙增加，內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，降低混凝土抗壓強度;另一方面因為坍落度過小造成拌合物流動性較差，水化程度降低，內(nèi)部形成裂紋，導(dǎo)致混凝土抗壓強度降低。

隨著機制砂含量的增加，28d抗折強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因為機制砂顆粒雖然級配不良，但是它們相互之間各棱角的機械咬合力程度高，從而提高了混凝土的整體穩(wěn)定性，而河砂正好填充了機制砂之間的空隙，機制砂量的增多，反而會使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙增多，降低抗折強度。

2.4.2 不同粉煤灰摻量對機制砂混凝土性能影響

不同粉煤灰摻量40%機制砂混凝土性能分析，結(jié)果見表7。

從表7中可以看出，粉煤灰替代量的增多可以增大混凝土的坍落度，這是因為適量的粉煤灰可以加速水泥水化，改善了混凝土的流動性，由于粉煤灰大多為微圓形顆粒，表面光滑，在混凝土中起到了滾軸的作用，因而具有減水作用。

隨著粉煤灰含量的增加，混凝土的3d、7d抗壓強度有所下降，28d抗壓強度則呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，當(dāng)粉煤灰含量為20%時，混凝土28d抗壓強度達到最高。這是因為粉煤灰的顆粒正好填補了細骨料和水泥之間微小孔隙，使得細顆粒的級配趨向合理;并在混凝土中發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，產(chǎn)物為膠凝狀，填充了內(nèi)部孔隙，使混凝土更加致密，提高混凝土后期強度[5]。當(dāng)含量達到30%后強度反而降低，這是由于隨著粉煤灰含量的增多，超過水化所需的水，在混凝土中形成較大空隙，降低混凝土強度，并且由于水泥膠凝材料逐漸減少，導(dǎo)致混凝土的粘結(jié)強度不夠，混凝土整體密實性降低，抗壓強度下降。3d、7d早期強度降低，是因為粉煤灰取代水泥后與水泥一同發(fā)生水化反應(yīng)，粉煤灰水化速度小于水泥，所以粉煤灰含量越多，早期強度反而呈現(xiàn)降低的趨勢。

隨著粉煤灰含量的增加，28d抗壓強度先增大后減小，這是由于混凝土中的微小孔隙被粉煤灰填充，改善了膠凝材料的流動性，使水化更加充分，提高了混凝土的抗折強度[5]，但粉煤灰含量超過20%后，導(dǎo)致水泥膠凝材料減少，粘結(jié)強度不夠，抗折強度反而下降。

2.4.3 不同石粉含量對機制砂混凝土性能影響

表8是不同石粉含量40%機制砂、20%粉煤灰取代水泥膠凝材料混凝土性能分析，石粉含量過大時，導(dǎo)致坍落度過小，這是由于混凝土水灰比不變，石粉含量增多導(dǎo)致用水量不足，進而導(dǎo)致混凝土坍落度降低。

根據(jù)表8中數(shù)據(jù)可知，坍落度與機制砂含量呈現(xiàn)反比例關(guān)系，這一方面是因為石粉具有吸水性，石粉含量的增加會加大混凝土的需水量[6]，另一方面是由于石粉比表面積較大，隨著石粉的增多，細集料比表面增大，導(dǎo)致了用水量不足，因此當(dāng)水膠比和膠凝材料不變的條件下，坍落度會隨著石粉含量增加而降低[7];

隨著石粉含量的增加，混凝土的3d、7d、28d抗壓強度先增強后減弱，當(dāng)含量在13%時抗壓強度達到最大，這一方面是因為石粉活性低，顆粒比水泥顆粒更小，所以對材料之間的微小孔隙起到了填充作用，石粉的加入正好能彌補機制砂表面粗糙、孔隙率較大問題，把混凝土內(nèi)部懸空骨架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為密實結(jié)構(gòu)，可以提高混凝土的密實性和耐久性能;另一方面是因為在水化過程中具有晶核效應(yīng)，可以加速水化產(chǎn)物的產(chǎn)生，提高水泥漿體的粘結(jié)強度[8]。而過多的石粉會導(dǎo)致混凝土粗細骨料級配不合理，對混凝土內(nèi)部骨架造成影響，反而使密實度降低，進而降低抗壓強度[9]。

隨著石粉含量的增加，28d抗折強度先增大后降低，因為適量的石粉可以使拌合物具有一定的稠度，增大混凝土的粘聚性，可以使其強度提高，但石粉含量不能過多，否則會削弱混凝土的粘結(jié)性，進而降低它的抗折強度。

綜上所述，當(dāng)選用機制砂取代河砂時，可采用機制砂取代河砂量40%、粉煤灰含量為水泥膠凝材料的20%及機制砂石粉含量13%，此摻量下的C30機制砂混凝土的性能發(fā)展較好。

3 結(jié)論

（1）隨著機制砂含量的增加，新拌混凝土的坍落度逐漸降低，需水量隨之增大;抗壓強度呈現(xiàn)為先增加后減小，當(dāng)含量為40%時，混凝土的抗壓強度最大。

（2）隨著粉煤灰含量的增加，改善了新拌混凝土坍落度，抗壓強度先增加后降低，含量達到20%時，抗壓強度最好，說明粉煤灰提高流動性，填充內(nèi)部空隙，混凝土更加致密，提高強度。

（3）適量的石粉可以在一定程度上改善混凝土的工作性能，增大其抗壓強度，當(dāng)石粉含量在大約13%時，混凝土抗壓和抗折強度達到最好;當(dāng)石粉含量高于13%，降低混凝土工作性能和抗壓強度。因此，當(dāng)機制砂摻入為40%，粉煤灰為20%和石粉含量為13%時，C30混凝土的抗壓強度最高。

參考文獻：

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