用機(jī)制砂配制高性能混凝土試驗(yàn)研究

李衛(wèi)超，唐文亮，黃 平，張康財(cái)（.中電建安徽長九新材料股份有限公司，安徽 池州 4700；.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 40004）

目前，我國商品混凝土中主要使用天然砂，但天然砂已經(jīng)不能滿足市場的需求[1]。同時(shí)，機(jī)制砂應(yīng)用在商品混凝土的技術(shù)不完善、不成熟，機(jī)制砂混凝土尚未大規(guī)模應(yīng)用[2-3]。當(dāng)前形勢下，研發(fā)、生產(chǎn)機(jī)制砂有利于滿足我國建設(shè)用砂石料的巨大需求，為長江保護(hù)提供有力保障；同時(shí)對促進(jìn)我國砂石集料生產(chǎn)設(shè)備和商品混凝土技術(shù)發(fā)展有著非常重要的作用[4]。

1 項(xiàng)目簡介

中電建安徽長九神山灰?guī)r礦項(xiàng)目（以下簡稱長九項(xiàng)目）包含礦山、廊道、碼頭 3 大工程。按照 7 000 萬 t/a 生產(chǎn)規(guī)模建立建筑集料生產(chǎn)線，礦區(qū)加工的建筑集料通過長距離帶式輸送機(jī)輸送至長江牛頭山專用碼頭。

礦石自然類型主要分為泥晶灰?guī)r、微晶泥晶灰?guī)r，飽和抗壓強(qiáng)度平均值為 64.9 MPa，礦石吸水率屬于較易吸附型[5]。系統(tǒng)采取干法生產(chǎn)，兩段一閉路破碎篩分、成品砂整形的工藝流程，生產(chǎn) 31.5～4.75 mm 的級配建筑集料及＜4.75 mm 機(jī)制砂，成品率約 98.5%。長九項(xiàng)目產(chǎn)品見表1。

表1 長九項(xiàng)目產(chǎn)品表

2 原材料性能

試驗(yàn)材料選用江蘇海門海螺 P·II 52.5 水泥；上海寶鋼 II級 C 類粉煤灰[6]、S 95 級礦渣粉；江蘇博特 PCA-I 型聚羧酸高性能減水劑；江西贛江優(yōu)質(zhì)天然砂、長九神山灰?guī)r礦項(xiàng)目的高品質(zhì)機(jī)制砂、碎石。

2.1 細(xì)集料

細(xì)集料分為天然砂、混合砂（由細(xì)度模數(shù) 3.4 的機(jī)制砂與細(xì)度模數(shù) 2.0 的天然細(xì)砂按 5∶5 質(zhì)量比例混合而成）、機(jī)制砂 5%（干篩 0.075 mm 以下的顆粒含量為 5%）、機(jī)制砂 7% （干篩 0.075 mm 以下的顆粒含量為 7%）、機(jī)制砂 10%（干篩 0.075 mm 以下的顆粒含量為 10%）、機(jī)制砂 12%（干篩 0.075 mm 以下的顆粒含量為 12%）、機(jī)制砂 15%（干篩 0.075 mm 以下的顆粒含量為 15%），共計(jì)7 種規(guī)格，主要物理力學(xué)性能見表2，顆粒級配見表3。

表2 細(xì)集料主要物理力學(xué)性能

表3 細(xì)集料顆粒級配

從表2 、表3 可以看出，各品種細(xì)集料均能滿足 2 區(qū)中砂的級配要求。隨著機(jī)制砂中的石粉含量增加，亞甲藍(lán) MB值逐漸增大；機(jī)制砂 10%、機(jī)制砂 12% 和機(jī)制砂 15% 的亞甲藍(lán)值（MB）＞1.4 g/kg。

2.2 粗集料

粗集料主要物理力學(xué)性能見表4。

表4 粗集料主要物理力學(xué)性能

2.3 石 粉

篩除 0.075 mm 以上部分顆粒，用勃氏比表面積儀測得的比表面積為 336 m2/kg，亞甲藍(lán)值（MB）為 4.0 g/kg，用激光粒度儀測得的粒度分布結(jié)果見圖1。

從石粉的粒度分析可以看出，石粉的粒徑分布在 1～23 μm 不等，中位徑在 9 μm，顆粒大小與粉煤灰接近。

圖1 石粉粒度分布結(jié)果

3 水膠比選擇試驗(yàn)

3.1 混凝土配合比選定

諸多研究表明，隨著石粉含量的增加，最佳砂率呈逐漸下降趨勢[7-8]，天然砂砂率最高，機(jī)制砂 5% 再次之，15% 機(jī)制砂最佳砂率最低。在保持水膠比不變的情況下，在下列水膠比試驗(yàn)中，采用三級配石子（連續(xù)粒級碎石，由5～10 mm 碎石：10～20 mm 碎石：16～31.5 mm 碎石按30∶40∶30 質(zhì)量比例配制而成）、P·II 52.5 水泥配制，得到試驗(yàn)配合比見表5～表7。

表5 水膠比 0.30 時(shí)選擇試驗(yàn)配合比（7 組）

表6 水膠比 0.35 時(shí)選擇試驗(yàn)配合比（7 組）

表7 水膠比 0.45 時(shí)選擇試驗(yàn)配合比（7 組）

3.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

根據(jù)表5～表7 配合比，配制相應(yīng)的混凝土，得到混凝土拌合物性能和抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表8～表10。

表8 水膠比 0.30 時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

從表8 可看出，在低水膠比情況下，混凝土在大流動(dòng)度時(shí)和易性好、含氣量低，但是混凝土比較黏，在 15% 石粉含量混凝土?xí)r尤為明顯；從 3 d、7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)可看出，強(qiáng)度發(fā)展良好，28 d 抗壓強(qiáng)度普遍在 62.7～69.5 MPa。

表9 水膠比 0.35 時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

從表9 和可看出，0.35 水膠比混凝土和易性良好，強(qiáng)度發(fā)展趨勢與 0.30 水膠比混凝土發(fā)展趨勢基本一致。

表10 水膠比 0.45 時(shí)選擇試驗(yàn)結(jié)果

從表10 可看出，減水劑摻量調(diào)整到位的情況下，混凝土流動(dòng)性可以得到很好的保證，使用機(jī)制砂做細(xì)集料時(shí)減水劑摻量不足易導(dǎo)致坍落度損失過快。

在保證混凝土工作性情況下，0.35 水膠比條件下 28 d強(qiáng)度滿足 C 50 混凝土抗壓強(qiáng)度要求。初步選定此水膠比進(jìn)行混凝土性能試驗(yàn)。

4 混凝土性能試驗(yàn)

4.1 混凝土性能試驗(yàn)配合比

鑒于水膠比試驗(yàn)時(shí)原減水劑沒有考慮保坍需求，混凝土坍落度損失較大，現(xiàn)增加保坍型組分[9-10]，以減水劑∶保坍組分∶水=1 000∶160∶50 比例進(jìn)行配制，得到的復(fù)合型減水劑 PCA， 進(jìn)行以下混凝土性能試驗(yàn)[11]。配合比見表11。

表11 C 50 混凝土性能試驗(yàn)配合比（7 組）

4.2 混凝土拌合物性能

混凝土拌合物性能試驗(yàn)包括坍落度、坍落擴(kuò)展度、含氣量的初始值和 1 h 經(jīng)時(shí)損失，泌水率，壓力泌水率，以及混凝土的初、終凝時(shí)間，具體結(jié)果見表12。

表12 C 50 混凝土拌合物性能結(jié)果

從表12 可看出，使用復(fù)合型減水劑后，混凝土保坍效果得到明顯改善，1 h 坍落度和擴(kuò)展度損失不明顯；石粉增加了機(jī)制砂混凝土拌合物的黏聚性和保水性，改善離析泌水現(xiàn)象。與混凝土初始含氣量相比，部分配合比的混凝土 1 h含氣量增加，部分減小，但含氣量經(jīng)時(shí)變化總體較小，均未超過 1.5%。

天然砂混凝土的初、終凝時(shí)間最長，混合砂混凝土次之，機(jī)制砂混凝土凝結(jié)時(shí)間最短，不同石粉含量的機(jī)制砂混凝土凝結(jié)時(shí)間差別不大。

4.3 混凝土力學(xué)性能

4.3.1 混凝土抗壓強(qiáng)度

圖2 為 C 50 混凝土樣品 3 d、7 d、28 d 性能試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度。從圖2可看出，不同石粉含量機(jī)制砂混凝土各齡期強(qiáng)度與天然砂、混合砂混凝土各齡期強(qiáng)度基本接近，可以說試驗(yàn)所用機(jī)制砂中的石粉及其含量對抗壓強(qiáng)度無明顯影響。在機(jī)制砂混凝土體系中，灰?guī)r礦石粉中的石灰石顆粒有利于早期強(qiáng)度的發(fā)展；石粉在一定程度上改善了機(jī)制砂的堆積密度，起到了很好的填充作用，增加了漿體和界面過渡區(qū)的密實(shí)度，提高了混凝土的強(qiáng)度。

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度

4.3.2 混凝土抗折強(qiáng)度

圖3 為 C 50 混凝土樣品 3 d、7 d、28 d 性能試驗(yàn)的抗折強(qiáng)度，由圖3 可得，不同石粉含量機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度與天然砂和混合砂混凝土抗折強(qiáng)度值相當(dāng)。

圖3 混凝土抗折強(qiáng)度

4.3.3 混凝土劈拉強(qiáng)度

圖4 為 C 50 混凝土樣品 3 d、7 d、28 d 性能試驗(yàn)的劈拉強(qiáng)度。由圖4 可得，不同石粉含量機(jī)制砂配制的混凝土28 d 劈拉強(qiáng)度與天然砂和混合砂配制的混凝土劈拉強(qiáng)度值基本一致。

圖4 混凝土劈拉強(qiáng)度

4.3.4 混凝土抗拉性能

對 C 50 混凝土分別進(jìn)行抗拉性能試驗(yàn)，包括軸拉強(qiáng)度、極限拉伸值、抗拉彈性模量。28 d 軸拉強(qiáng)度和抗拉彈模結(jié)果見圖5。

圖5 混凝土 28 d 抗拉性能

從圖5 可得，不同石粉含量機(jī)制砂配制的混凝土 28 d劈拉強(qiáng)度與天然砂和混合砂配制的混凝土軸拉強(qiáng)度和抗拉彈性模量值相近。

4.3.5 混凝土靜力受壓彈性模量

圖6 為混凝土試驗(yàn)樣品 28 d 靜力受壓彈性模量。

圖6 混凝土 28 d 靜力受壓彈性模量

總體而言，混凝土靜力受壓彈性模量與抗壓強(qiáng)度相關(guān)。混凝土抗拉彈性模量和靜力受壓彈性模量結(jié)果對比見圖7。

圖7 混凝土 28 d 彈性模量對比

從圖7 可看出，使用不同細(xì)集料配制同強(qiáng)度等級混凝土?xí)r，靜力受壓彈性模量和抗拉彈性模量有一定差別，靜力受壓彈性模量要略高于抗拉彈性模量。

4.4 混凝土耐久性能

不同配合比混凝土的 28 d 抗?jié)B性能、抗凍性能、收縮等見表13。

表13 混凝土耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

從表13 可看出，經(jīng)過 100 次凍融循環(huán)后，各組混凝土的相對動(dòng)彈模都略有下降，但都＞90%，機(jī)制砂混凝土的抗凍性與天然砂混凝土相近。混凝土的抗凍性主要取決于混凝土的含氣量、氣泡質(zhì)量以及孔隙的水飽和度，與采用機(jī)制砂還是天然砂不具相關(guān)性。

同強(qiáng)度等級的混凝土，用天然砂配制的混凝土收縮最小，機(jī)制砂配制的混凝土收縮較大，但不同石粉含量機(jī)制砂混凝土的收縮值差別不大。原因可能是細(xì)粉含量偏高，吸附了大量的游離水，在混凝土內(nèi)部相對濕度降低時(shí)導(dǎo)致混凝土的收縮增加。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)現(xiàn)階段原材料的市場價(jià)格，P·II 52.5 水泥 500 元/t，C 類 Ⅱ 級粉煤灰 160 元/t，S 95 礦粉 340 元/t，天然砂（淡化海砂）120 元/t，機(jī)制砂 80 元/t，（5～25）mm 石子 100 元/t，（5～31.5）mm 石子 100 元/t，復(fù)合型保坍減水劑 3 600 元/t，拌合用水使用自來水，約 5 元/t，石粉按零成本計(jì)算。選取 C 50 混凝土的若干個(gè)有代表性配合比進(jìn)行成本計(jì)算，分析對比中電建長九神山灰?guī)r礦機(jī)制砂混凝土的經(jīng)濟(jì)性。相應(yīng)混凝土成本見表14。

表14 C 50 配合比混凝土成本

在機(jī)制砂價(jià)格 ≤80 元/t 時(shí)，對于 C 50 混凝土而言，機(jī)制砂混凝土成本明顯低于天然砂混凝土和混合砂混凝土，降低 20 元/m3以上，成本優(yōu)勢明顯。綜合以上經(jīng)濟(jì)性分析可以看出，機(jī)制砂混凝土成本優(yōu)勢明顯。

6 結(jié) 語

(1) 試驗(yàn)選用的天然砂、水泥、粉煤灰、礦粉等滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。長九項(xiàng)目機(jī)制砂相關(guān)技術(shù)指標(biāo)滿足優(yōu)級品技術(shù)要求，顆粒粒型飽滿少棱角，粒型、級配接近天然砂。

(2) 在低水膠比情況下，混凝土在大流動(dòng)度時(shí)和易性好、含氣量低，但是混凝土比較黏，在 15% 石粉含量混凝土?xí)r尤為明顯，且漿料多、石子顯少。在使用三級配石子時(shí)，0.35 水膠比混凝土和易性良好，強(qiáng)度發(fā)展趨勢與 0.30水膠比混凝土發(fā)展趨勢基本一致。在保證混凝土工作性的情況下，選定水膠比為 0.35 進(jìn)行混凝土性能試驗(yàn)可靠。

(3) 與天然砂混凝土相比，長九項(xiàng)目機(jī)制砂混凝土的初、終凝時(shí)間明顯縮短，但不同石粉含量的機(jī)制砂混凝土初、終凝時(shí)間差別不大。

(4) 長九項(xiàng)目機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與天然砂混凝土、混合砂混凝土的強(qiáng)度相當(dāng)；靜力受壓彈性模量和抗拉彈模與天然砂混凝土、混合砂混凝土沒有明顯差異；抗?jié)B性能、抗凍性能與天然砂混凝土基本相同，但機(jī)制砂混凝土的 28 d 收縮值較天然砂混凝土略大。

(5) 長九項(xiàng)目機(jī)制砂配制 C 50 混凝土可降低成本 20 元/m3以上。成本優(yōu)勢明顯。