石粉對機制砂再生混凝土性能的影響研究

龐建榮，李文杰，張 鑫，宋朝奇，李世尚

(滄州交通學院，河北 滄州 061100)

1 試驗設計

1.1 原材料

原材料主要包括再生混凝土、機制砂、石粉、水泥、石子和水等。其中，再生混凝土取料于城市堆積的建筑廢料，對建筑廢料進行破碎后，進行人工清洗篩分備用。再生粗骨料需要滿足最大粒徑為40 mm、針片狀顆粒含量小于15%，物理性質要滿足國標要求。機制砂是將天然石材經過人工破碎后得到的，經試驗測得其細度模數為3.0，屬中砂，顆粒級配屬于Ⅱ區。對所得機制砂進行篩分，選擇級配好的，經人工清洗曬干后使用。石粉為機制砂生產過程中的工業廢料，其主要成分與母巖相似。實驗使用的石粉為6%、12%和18%的三種添加量。水泥選用C30硅酸鹽水泥。

1.2 試驗方法

測定所用材料的物理性能，確定石子和再生混凝土骨料的最大粒徑、含水率、吸水率、壓碎指標及表觀密度。測定機制砂的細度模數、顆粒級配、表觀密度和含泥量。計算不同石粉含量混凝土的配合比。由于再生混凝土骨料的孔隙率和吸水率都比天然骨料要高，且再生骨料的原材料強度不同，破碎工藝不同，用普通的公式計算無法滿足要求。目前，比較受認可的計算再生混凝土配合比的方法是：在滿足混凝土和易性、強度要求、耐久性等條件的前提下，參照Bolomey公式，進行各組成材料基本用量的計算，再采用附加用水量的方法對混凝土的配合比進行調整優化，得到最終配合比。

采用正交試驗方法，試驗因子分別為A細骨料替代率，B粗骨料替代率，C石粉摻量，D水膠比，E混凝土等級，水平數為3個。利用矩陣分析方法將各個因素的水平、對試驗指標的影響用權重來表示，從而確定影響因素的主次順序和最優方案。根據實驗分析，不僅可以得出每個因素的最優水平，還可得到各個因素對整體指標影響的主次順序。根據試驗設計，制備150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，根據試驗操作規程測定混凝土的立方體抗壓強度和劈裂抗拉性能。

實驗需要利用坍落度筒、搗棒、鋼尺等工具測試新拌混凝土的坍落度、擴展度，以研究其工作性能。利用 NYL-2000型壓力機測試并記錄試塊抗壓強度來研究其力學性能。采用無損檢測方法，利用 NM-4A 非金屬超聲檢測分析儀測試試塊的動彈性模量變化來研究試塊的損傷程度。對各個齡期的混凝土進行質量稱量。混凝土攪拌完成后，制成標準試件并進行標準養護。養護28 d后，使試塊的強度達到要求，再進行抗壓強度和劈裂抗拉強度的實驗并做記錄。

2 石粉對機制砂再生混凝土性能的影響

2.1 石粉摻量對機制砂再生混凝土工作性能的影響

根據實驗數據分析，當石粉含量為12%時，混凝土工作性能最佳，含量增加或減少，混凝土工作性能都隨之降低。這主要是因為石粉的比表面積較小，可以填充混凝土漿體的空隙，使粗細骨料之間的碰撞減小，從而在很大的程度上有效改善了混凝土拌和物的和易性。石粉作用效果的大小受機制砂含量、再生骨料添加率、水膠比等影響，通過實驗分析，水膠比影響比重最大。石粉的加入，降低了混凝土拌和物的坍落度，增加了拌和物的黏聚性。

2.2 石粉摻量對機制砂再生混凝土抗壓性能的影響

試件的受壓破壞過程實際上是裂縫從產生、擴展一直到貫穿的整個過程。裂縫先從粗骨料和水泥石中間產生，再不斷蔓延。混凝土的抗壓強度作為混凝土強度質量的評價指標，十分重要，主要受水泥強度和水膠比的影響，石粉摻量可以提高抗壓強度，但提高的幅度不同，總體呈先增加后降低的趨勢。實驗中，石粉摻量在0%～12%，混凝土立方體的抗壓強度均隨石粉含量的增加而提高；大于12%后，會呈現出隨石粉含量的增加而降低的趨勢。當石粉含量為12%時，混凝土強度達到最優，隨再生粗骨料取代率增加，混凝土抗壓強度會出現先下降后增加且都小于無取代率時的抗壓強度，當取代率為60%時，混凝土抗壓強度達到最小值，取代率為90%時，會達到比較大的值。因此隨著混凝土強度的增加，再生混凝土的替代率也會隨之有較明顯的上升趨勢，這是增加再生混凝土替代率的一種方法，摻雜再生混凝土新構件的強度不會下降。

出現以上情況的原因是石粉在水泥的水化反應中發生了填充效應，使混凝土更密實，以提高混凝土強度。但當石粉含量超過12%時，會出現較多的負面作用，造成需水量增多，混凝土拌和物的和易性差，均勻性和密實度降低，這些情況會使混凝土抗壓強度出現下降的趨勢。

2.3 石粉含量對機制砂再生混凝土抗劈裂性能的影響

石粉摻量的添加在總體上來說，提高了劈裂抗拉的強度，但是這個幅度會隨著摻量的不同而發生不同的變化，它會與普通混凝土一樣經歷彈性階段、彈塑性階段與破壞性階段。混凝土的劈裂抗拉強度會比混凝土抗壓強度的值小，這個值一般為抗壓強度的1/5～1/10。石粉摻量在0%～12%時，劈裂抗拉強度會隨石粉含量的增加而有所提高；當大于12%后，隨石粉含量的增加，劈裂抗拉強度會有不同程度的降低。不論粗骨料取代率是多少，石粉含量為12%時，混凝土強度均達到最優值。

應適量地增加石粉，因為其顆粒較小，有包裹粗骨料的效果，可有效提高粗骨料與水泥之間的黏結強度，使抗拉強度提高。如果石粉摻量超過12%，那么劈裂抗拉強度就會隨著石粉摻量的增加出現下降趨勢。粗骨料的制備所產生的骨料強度有所不同，使得混凝土強度有變動。實驗采用同一強度的混凝土材料破碎后作為骨料，但由于破碎工藝的問題，導致材料強度不均，此問題有待解決。經實驗結果分析可知，隨著再生骨料強度提高，混凝土強度也會隨之增大，可以通過改善再生骨料的破碎工藝來保證再生骨料的強度。

3 結論

通過正交試驗并結合矩陣分析，得出原材料對機制砂再生混凝土強度影響的重要度依次為水膠比>石粉摻量>再生骨料替代率>機制砂替代率。要想增加石粉的摻量，就要配置合理的水膠比。石粉摻量為12%時，可以使機制砂、再生混凝土、抗壓強度和抗劈裂強度都達到最優的工作狀態。通過實驗數據得到，再生混凝土粗骨料取代率達到90%時，抗壓強度和抗劈裂強度均達到最大值。