基于碳中和背景下機制砂耦合作用混凝土性能研究

溫宏平

(山西工程科技職業大學，山西 太原 030619)

0 前 言

目前，混凝土的應用越來越廣泛，在混凝土比例中，細集料天然砂的比例占到25%～35%，天然砂以河砂為主，許多地方天然砂的用量得到控制，在新形勢下采用低碳產品機制砂在工程中替代天然砂。在國內外一些水泥混凝土工程中根據就近取材，就地取材的原則，適時地建立破碎廠現場破碎制備機制砂，節能環保，但機制砂中石粉含較大、顆粒大小不穩，尤其在配置C30以上的混凝土工程應用中，出現工作波動大，導致施工質量難以控制，如混凝土收縮和徐變問題很嚴重，石粉含量的增加使得混凝土與鋼筋的與鋼筋的握裹力減小，預應力張拉損失嚴重，外觀質量出現嚴重缺陷等問題。因此，深入研究機制砂混凝土施工質量波動關鍵技術顯得尤為重要[1-3]。

本文研究機制砂混凝土中石粉含量波動、顆粒細度模數、漿體流變性及觸變性等技術指標的波動性調試機制砂混凝土施工工藝。

1 實驗部分

1.1 原材料

1)水泥：P·O 42.5 級，指標見表 1。

表1 性能指標

2)水：滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的飲用水。

3)石粉：亞甲藍值0.65%，表觀密度為2.467 kg/m3。

4)機制砂：亞甲藍值5.2%，表觀密度為2.325 kg/m3。

5)碎石：粒徑 4.75～26.5 mm,技術指標見表 2。

表2 粗骨料技術指標

1.2 儀器設備

1)標準篩：4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm。

2)電子天平：精度0.1 g。

3)搗棒：直徑10 mm,長350 mm銅棒。

4)激光粒度儀：型號Winner802，測試范圍1～10 000 nm，精度誤差≤1%。

5)比表面積：FBT-9，測量精度<1%。

6)流變儀：MCR102，法向力±0.01～±50 N，分辨率 ≤1 mN。

2 結果與討論

2.1 機制砂性能測試

選取試驗用機制砂兩份，進行級配試驗性能測試，結果見表3。

表3 級配試驗

級配曲線見圖1。圖1中給出了《建設用砂》(GB/T 14684—2011)機制砂Ⅱ區級配上下限。由圖1可知：機制砂細度模數2.7，粒形圓潤，級配連續，級配曲線接近中線值屬于中砂；另外選取試驗用石粉進行負壓篩分試驗，得出0.075 mm以上的顆粒達到10.5%，因此，石粉中有少量機制砂。

圖1 機制砂級配曲線

2.2 石粉的粒度分布測試[4-5]

水泥粉表示為S，石粉表示為G，將機制砂分別過0.075 mm篩，按照3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%等量替代水泥，組成石粉-水泥復合體系，對應表示為G3、G5、G7、G9、G11、G13、G15，采用激光粒度測試復合體系的粒度分布值。

根據測試數據以顆粒的直徑為橫坐標，累積通過率為縱坐標作圖，把FulleL曲線與水泥、石粉及復合體系的分布繪制在一起，結果如圖2。

圖2 水泥、G石粉及復合體系與理想FulleL曲線的累積分布

從圖2可以看出，發現水泥粉體的粒度分布較為理想,堆積密度較大；另外，水泥、石粉及不同比例復合體系的粒度分布與最緊密堆積FulleL曲線有存在一些差異,發現較細顆粒含量偏少,較粗顆粒偏多，粒徑分布不均勻，因此，利用FulleL方程進一步計算粒度分布,可以看出最大粒徑為192 um，計算出各個曲線與中間粒徑比例的交點值，結果見表4，在G9的位置出現拐點，粒徑值為4.91。

表3 G累計分布曲線與FulleL曲線的交點坐標

據研究發現水泥粉體符合LLSB特性方程式[5]：

L(d)=100exp[-(d/de)n]

(1)

式中，L(d)為累積篩余百分數，%；de為累積篩余36.8%時粒徑，de越小顆粒群越細；n為均勻性系數，n值越小顆粒分布越廣大小越不均勻。

對式(1)進行取對數后轉化為：

lnln(100/L(d))=nln(d/de)=nln(d)+b

(2)

以In(d)為橫坐標、ln(ln(100/L(d)))為縱坐標,利用oLigin軟件進行LLSB擬合,來描述粉體粒度分布的寬窄程度，結果見表5。其中L2表示相關系數的平方。

表5 G和復合體系粉體的LLSB擬合參數

由表5可知，水泥粉、石粉及水泥-石粉復合體系均符合LLSB分布,水泥粉的n值均小于石粉及水泥-石粉復合體系，粒度分布較寬,在原始粒度分布上也可看出水泥粉在0～1.5 μm的顆粒含量比石粉及混合體系多，因此，分布比較寬；隨著石粉摻量增加，相關性逐漸增加，摻量為9%時，n值為0.957 6，de為21.02，線性相關性為0.996 8，線性相關性的值最大，整體均勻性最好；當石粉摻量超過11%以后，各項指標均開始下降，顆粒分布不均勻，整體性開始變差。

2.3 機制砂級配確定

根據機制砂顆粒分布不均勻等特征，選擇最大粒徑為4.75 mm和2.36 mm兩種規格的混合料，配置石粉用量為5%、9%、11%、15%四種粉體測試其細度模數、壓碎值、比表面積及亞甲藍等物理指標[6]，結果見表6。

表6 混合料粉體的物理指標

從表6中可以看出最大粒徑為4.75 mm混合料對顆粒細度模數變化從3.08降到2.77，波動大，最大粒徑為2.36 mm的混合物細度模數在2.74～2.89，細度模數相對來說變化不大，因此，在選擇機制砂時需要控制石粉的最大粒徑；進一步測試混合料的亞甲藍MBV值從1.0增加到1.2，說明在混合料中有機質石粉顆粒主要受石粉的影響；通過壓碎值試驗檢測結果為19.2%，比表面積為410 m2/kg，其數據滿足《建設用砂》(GB T 14684—2011)中Ⅰ砂的要求；因此，石粉含量控制在9%左右效果較好。

2.4 不同石粉含量對水泥-石粉體系漿體流變性影響[9]

機制砂除去0.075 mm以下的顆粒，水灰比用0.36、0.38、0.40、0.42四種比例，采用流變儀測定石粉摻量為3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%取代水泥制備凈漿的粘度值見圖3，屈服應力如圖4所示。

圖3 粘度的變化趨勢

圖4 屈服強度的變化趨勢

從圖3可以看出，隨著水灰比增加，粘度降低，當水灰比超過0.40后，石粉對粘度影響不大；圖中還可以發現水灰比小于0.38時，石粉摻量從5%到9%的粘度下降劇烈；超過 9%下降平緩，因此摻量為0.36時，隨著石粉摻量增加其粘度出現先顯著降低后逐步穩定的特征；水灰比為0.38和0.40時，整體粘度波動不大，在摻量為9%時出現轉折點，其流變性能最好；水灰比為0.42時，最佳摻量為7%；根據最優石粉用量確定水灰比的關系為：0.38≈0.40>0.42>0.36。

從圖4屈服強度的變化趨勢圖可以看出，隨著水灰比變化，屈服應力先增大后減小，粘度的變化趨勢正好相反，屈服應力最大的水灰比是0.40，超過0.40后屈服應力變小，這是由于自由水增多導致顆粒間距離增大，那么顆粒間的作用力即屈服應力變小；但水灰比為0.42屈服應力比0.38還是高得多，結合屈服應力與粘度現象，選擇流動性好、穩定性高、屈服應力小、粘度大的最佳水灰比應為0.40。

2.5 機制砂混凝土初始配合比

按照《普通混凝土設計規程》(JG J55—2011)要求配置坍落度為180～220 mm的C40機制砂混凝土[7-8]，基準配合比設計見表7，采用0、5%、9%、11%、15%四個石粉含量替代部分水泥用量進行上述實驗，測試0 h、1 h、2 h坍落度和擴展度。

表7 基準配合比 單位：kg/m3

初始坍落度見圖5～6。從圖5和圖6對比發現，不加石粉的混凝土和易性不好，有泌水現象，混合料離析嚴重，這是因為缺少細骨料，粗集料的包裹性差而出現的不良現象。從表7及圖5～6進一步發現，石粉摻量增加后上述現象得到改善，當石粉摻量為9%時，坍落度為195 mm,擴展度為378 mm,整體效果最好；超過9%后，效果變差，說明石粉含量高，表面粗糙度，吸水能力強，導致機制砂混凝土需水量增加，因此粘稠度變大，流動性能變差。

圖5 無G粉機制砂混凝土初始坍落度

圖6 加G粉機制砂混凝土初始坍落度

經時損失見表8，根據表8的結果發現在1 h和2 h后，不同石粉摻量的經時損失也存在相似的現象，尤其在2 h的時候混凝土整體失去工作性能，流動度幾乎不變，擴展度變為零。

表8 混凝土坍落度及擴展度經時損失

2.6 微觀結構氣泡間隙率影響

為觀察砂漿的內部微觀結構，采用硬化后混凝土氣泡間隙測定儀對砂漿試試件表面的情況進行測試，選取樣品中水灰比應為0.38,0.40，0.42三種樣品，微觀結果測試如圖7～9所示。

圖7 水灰比0.38試樣微觀圖

圖8 水灰比0.40試樣微觀圖

圖9 水灰比0.42試樣微觀圖

從圖7～9中可以看出，水灰比為0.38和0.42試樣在進行試驗后的樣品中空隙較多，樣品進行測試時發現，0.40空隙較小，同時發現試樣破壞后出現粘結磨損，因而效果較好，從微觀結構分析中進一步說明水灰比為0.40時效果明顯，強度最好。

2.7 機制砂混凝土強度試驗

采用混凝土性能試驗進一步檢驗所確定的機制砂含量、水灰比用量、吸水樹脂摻量的性能，混凝土配合比/kg，C(水泥)∶S(砂子)∶G(石子)=1∶1.68∶2.62，水膠比為0.40，石粉摻量為9%新拌和混凝土工作性，得出混凝土拌合物的初始流動性很好，沒有離析泌水現象，含沙量好，棍度為中，初始坍落度為190 mm；放置1 h后其坍落度為170 mm,坍落度損失小，整體來說工作性良好。新拌混凝土料制作標準試件，在標準條件下養護測試3，7，28 d強度，結果如表9所示。

表9 不同齡期的強度值

通過強度試驗結果可以看出，3 d強度為22.4 MPa；隨著齡期的增加，7 d強度為30.5 MPa；28 d的強度為41.5 MPa，整體來說早期強度較低，但滿足C40混凝土強度要求。

3 結 論

1)機制砂的細度模數控制在2.7，石粉摻量為9%，MBV值為1.0～1.2，壓碎值為19.2%，符合混凝土中細集料的技術要求。

2)對于不同含量的石粉-水泥復合體系進行粒度分布測試以及利用oLigin軟件進行LLSB擬合的結果中發現，石粉及混合體系在0～1.5 um的顆粒含量多；另外當石粉摻量為9%時，n值為0.957 6，de為21.02，線性相關性為0.996 8，整體均勻性最好。

3)通過配置不同石粉比例機制砂的混凝土檢測其坍落

度和擴展度及經時損失后發現，石粉摻量為9%時，機制砂混凝土工作性最好；進一步采用流變儀測定其石粉水泥凈漿的粘度值與屈服應力得出石粉摻量為9%，水灰比為0.40時，混凝土的流動性好、穩定性高、屈服應力小、粘度大，整體效果最佳。

4)通過混凝土配合比，C(水泥)∶S(砂子)∶G(石子)=1∶1.68∶2.62，水膠比為0.40，石粉用量為9%，測定28 d強度為45.2 MPa，發現該機制砂能夠滿足C40混凝土強度要求。

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