機(jī)制砂巖性對(duì)膠砂及水工混凝土的和易性與強(qiáng)度的影響研究

吳 憲

(盤錦市水利服務(wù)中心,遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

水工混凝土是指受水經(jīng)常性作用并保證建筑物能夠長(zhǎng)期正常使用的混凝土,其原材料組成包括外加劑、水、粗集料(卵石或碎石)、細(xì)集料(砂)和水泥等,被廣泛應(yīng)用于堤防護(hù)岸、水庫(kù)大壩、橋墩建材等水利工程領(lǐng)域[1]。級(jí)配碎石與細(xì)集料砂協(xié)同發(fā)揮骨架作用,這也是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要來源。砂的摻配比例、質(zhì)量、巖性對(duì)水工混凝土使用過程中的耐久性、力學(xué)性能及施工和易性具有重要作用[2]。目前,水工混凝土使用最多的細(xì)集料是天然砂,而天然砂的過度開采會(huì)對(duì)環(huán)境造成不利影響,其長(zhǎng)距離、大規(guī)模運(yùn)輸也會(huì)增大工程成本[3-4]。所以,在滿足經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保要求的情況下尋找新的砂源,對(duì)保證水利工程建設(shè)用砂需求具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

機(jī)制砂就是將開采出土后的母巖,經(jīng)破碎、整形、篩分等工藝技術(shù)處理后粒徑<4.75mm的集料,通常具有表面粗糙、石粉含量大、棱角多等特點(diǎn),機(jī)制砂巖性在不同程度上影響著混凝土性能。例如,李遵云等通過對(duì)比摻凝灰?guī)r、石英質(zhì)和石灰石機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度發(fā)現(xiàn),天然砂略低于機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度,機(jī)制砂石粉含量及配比與混凝土強(qiáng)度密切相關(guān);鄧俊雙等試驗(yàn)分析了低溫硫酸鹽侵蝕作用下天然砂和石灰石機(jī)制砂混凝土劣化行為,結(jié)果顯示硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕作用受機(jī)制砂石粉含量和級(jí)配變化的影響顯著;王立華等選用砂巖、石灰?guī)r和花崗巖進(jìn)行試驗(yàn)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同巖性機(jī)制砂在一定程度上影響著混凝土強(qiáng)度[5-7]。綜上分析,現(xiàn)有研究主要側(cè)重于不同巖性機(jī)制砂的影響分析,因未統(tǒng)一要求機(jī)制砂的級(jí)配和粒形普遍缺乏可比性,并且考慮機(jī)制砂表面組構(gòu)的研究較少。鑒于此,文章選用較為常見的6種機(jī)制砂,在粒形、級(jí)配相同情況下探討水工混凝土及膠砂和易性、強(qiáng)度受不同機(jī)制砂的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

水泥:選用山水水泥集團(tuán)生產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,比表面積358m2/kg,密度3.12g/cm3,細(xì)度(>80μm)0.3%,標(biāo)稠用水量29.1%,其初、終凝時(shí)間145min和250min,力學(xué)性能指標(biāo)如表1。

表1 水泥膠砂強(qiáng)度

機(jī)制砂:選用巖性為片麻巖(PM)、石英巖(SY)、石灰?guī)r(SH)、凝灰?guī)r(NH)、花崗巖(HG)和安山巖(AS)的6種機(jī)制砂,經(jīng)XRF成分分析確定6種巖性機(jī)制砂的成分,并測(cè)定機(jī)制砂壓碎指標(biāo)和MP值,如表2所示。

表2 機(jī)制砂成分組成、壓碎指標(biāo)和MB值

然后對(duì)原材料按表3所示片狀顆粒含量和級(jí)配,采用條形狀孔篩及標(biāo)準(zhǔn)方孔篩進(jìn)行篩分與配制。

表3 片狀顆粒含量及級(jí)配

減水劑:科之杰Point-S聚羧酸高性能減水劑,密度1050kg/m3,水泥凈漿流動(dòng)度240mm,減水率28.5%,含固量16.1%,推薦摻量0.5%～1.5%。

其它材料:粉煤灰用綏中電廠生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰,山東博肯硅材料有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)硅粉,沈陽建材廠生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石,由10～25mm、5～10mm粒徑石子按2∶1的比例混合配制而成。

1.2 試驗(yàn)方法

1)膠砂試驗(yàn)。膠砂強(qiáng)度和工作性能參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法》、《礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行測(cè)定,調(diào)整外加劑摻量確保膠砂流動(dòng)度處于150～160mm之間,膠砂配合比如表4所示。

表4 膠砂配合比

2)混凝土試驗(yàn)。混凝土強(qiáng)度和工作性能參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》、《普通混凝土拌合物性能測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)定,調(diào)整外加劑摻量確保拌合物擴(kuò)展度處于550～600mm之間,混凝土配合比如表5所示。

表5 混凝土配合比

2 結(jié)果與分析

2.1 膠砂性能

水泥膠砂對(duì)外加劑的適應(yīng)性受不同巖性機(jī)制砂影響較大,無論膠砂比大小,在達(dá)到規(guī)定流動(dòng)度的情況下PM與HG機(jī)制砂的外加劑摻量較高,其次是NH與AS,SH與SY機(jī)制砂的外加劑摻量較低,如圖1所示。

圖1 膠砂外加劑摻量

這是由于PM與HG機(jī)制砂具有較高的MB值和較強(qiáng)的外加劑吸附性,并且這兩種機(jī)制砂的比表面積較大,表面呈凸凹不平組構(gòu),雖然SH與AS機(jī)制砂具有相同的MB值,且都高于SY與NH機(jī)制砂,但SH機(jī)制砂表面比較光滑平整,所以在流動(dòng)度相同情況下該外加劑用量較少。

通過分析圖2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,無論膠砂比多少,SH機(jī)制砂配制的膠砂28d抗折強(qiáng)度均最高達(dá)到12.7MPa,從高到低依次為SH、AS、PM、HG和SY機(jī)制砂,NH機(jī)制砂配制的膠砂28d抗折強(qiáng)度最低為9.1MPa;另外,膠砂比0.28條件下,NH、SY、HG機(jī)制砂配制的膠砂28d抗壓強(qiáng)度低于AS、SH和PM機(jī)制砂,SY與NH機(jī)制砂配制的膠砂強(qiáng)度隨膠砂比的增加呈明顯上升趨勢(shì),其增幅高于其它巖性機(jī)制砂。究其原因可能是AS機(jī)制砂的壓碎指標(biāo)較小,SH機(jī)制砂的缺陷少且均質(zhì)性好,PM機(jī)制砂的機(jī)械咬合力強(qiáng),膠結(jié)面積大,HG機(jī)制砂存在較多缺陷;另外,NH、SY機(jī)制砂具有較好的外加劑適應(yīng)性,其表面光滑、膠結(jié)效果差可能是導(dǎo)致強(qiáng)度低的主要原因,壓碎指標(biāo)對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響隨膠砂比的增大開始逐漸顯現(xiàn)[8-10]。

(a)抗折強(qiáng)度(膠砂比0.28)

2.2 水工混凝土性能

在擴(kuò)展度相同情況下,采用PM與HG機(jī)制砂配制兩種水膠比混凝土所需的外加劑摻量均較高,從高到低外加劑摻量依次為HG、PM、AS、NH、SH和SY機(jī)制砂,試驗(yàn)結(jié)果與膠砂組保持一致,如圖3。

圖3 混凝土外加劑摻量

水膠比0.45時(shí),采用AS、SH、PM機(jī)制砂配制的混凝土28d抗壓強(qiáng)度較高依次為49.1MPa、48.3MPa和50.0MPa,而選用HG、NH、SY機(jī)制砂配制的28d抗壓強(qiáng)度較低依次為42.5MPa、42.2MPa和37.3MPa。水膠比為0.32時(shí),采用SH機(jī)制砂配制的混凝土28d抗壓強(qiáng)度最高為70.0MPa,其次為AS的67.1MPa、NH的67.5MPa、SY的60.2MPa、PM的60.0MPa,選用HG機(jī)制砂配制的28d抗壓強(qiáng)度最低為50.0MPa。混凝土外加劑摻量,如圖4所示。

(a)抗壓強(qiáng)度(水膠比0.45)

總體而言,混凝土對(duì)外加劑的適應(yīng)性受不同巖性機(jī)制砂的影響與膠砂組試驗(yàn)保持一致。結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果,無論水膠比的高低,選用AS、SH機(jī)制砂配制的混凝土強(qiáng)度均較高,利用NH與SY機(jī)制砂配制水膠比0.32混凝土的強(qiáng)度較高,而利用HG與PM機(jī)制砂配制水膠比0.45混凝土的強(qiáng)度較高。究其原因是SH機(jī)制砂的缺陷少、均質(zhì)性和分散性好,NH與SY機(jī)制砂的表面光滑,較高水膠比時(shí)骨料界面較差,減小水膠比可顯著增強(qiáng)界面膠結(jié)力;另外,HG與PM機(jī)制砂表面凸凹不平,較高水膠比時(shí)具有較大的機(jī)械咬合力,隨著水膠比的減小混凝土強(qiáng)度等級(jí)增大,其較高的壓碎指標(biāo)缺陷逐漸產(chǎn)生不利作用。

3 結(jié) 論

1)母巖化學(xué)組成、石粉吸附性、表面組構(gòu)與不同巖性機(jī)制砂對(duì)水工混凝土和膠砂的外加劑適應(yīng)性及和易性影響具有較大相關(guān)性,鈣質(zhì)整體上優(yōu)于硅質(zhì)機(jī)制砂,試驗(yàn)中呈現(xiàn)出石粉低吸附性和較好的分散性;另外,并非所有硅質(zhì)機(jī)制砂的分散性都不好,都有較高的石粉吸附性,如石英巖機(jī)制砂與外加劑具有較好適應(yīng)性,其石粉吸附性也較低。因此,硅質(zhì)機(jī)制砂較為復(fù)雜,要具體情況具體分析,即使花崗巖也有明顯的差異,這可能與礦山巖石的種類、雜質(zhì)含量、楓華程度及組成等有關(guān)。

2)水工混凝土及膠砂和易性、外加劑適應(yīng)性受不同巖性機(jī)制砂的影響存在明顯差異,但其強(qiáng)度受影響較低,這可能與機(jī)制砂壓碎指標(biāo)、表面組構(gòu)等因素有關(guān)。試驗(yàn)中,花崗巖組強(qiáng)度較低與樣品風(fēng)化程度、雜質(zhì)含量、巖石組成都可能有關(guān)。

3)試驗(yàn)表明,石灰?guī)r機(jī)制砂水工混凝土和膠砂具有較高的強(qiáng)度,這可能與石灰?guī)r機(jī)制砂缺陷較少、分散性較好、石粉吸附性低等因素有關(guān),采用該機(jī)制砂配制水工混凝土和膠砂的均勻性較好。