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機(jī)制砂石粉含量對混凝土性能影響探析

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機(jī)制砂石粉含量對混凝土性能影響探析

【摘要】文章通過試驗(yàn)研究,探討了石粉含量對C40機(jī)制砂混凝土工作性能、力學(xué)性能、勻質(zhì)性與干燥收縮的影響。結(jié)果表明:石粉可提高機(jī)制砂混凝土拌合物的粘聚性與保水性、避免泌水離析,同時(shí)提高混凝土的抗折、劈拉與抗壓強(qiáng)度,且石粉含量在10%~15%范圍時(shí),對混凝土工作性能與強(qiáng)度的提高作用最佳;隨石粉含量增加,混凝土勻質(zhì)性提升,而石粉含量超過10%后,對勻質(zhì)性提升趨于穩(wěn)定;機(jī)制砂混凝土的早期干縮隨石粉含量增加而增加,而7d后的干縮在石粉含量為10%時(shí)最大。研究成果為高石粉含量機(jī)制砂在山區(qū)高速公路橋梁工程中應(yīng)用提供了技術(shù)支撐,為合理控制石粉含量提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)制砂;石粉;工作性能;力學(xué)性能;干燥收縮;勻質(zhì)性。

1工程概況

石粉是在機(jī)制砂生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粒徑小于75μm的顆粒,其與機(jī)制砂的礦物組成、化學(xué)成分一致,與天然砂中泥粉有本質(zhì)區(qū)別[1-2]。國內(nèi)外大量研究表明[2-8],機(jī)制砂并非“越干凈越好”,機(jī)制砂中適量的石粉有助于提升混凝土的性能。文獻(xiàn)[9]認(rèn)為C30~C60混凝土中機(jī)制砂石粉含量限值可控制在10%;文獻(xiàn)[10]認(rèn)為C25~C45混凝土中機(jī)制砂石粉最佳含量在11%~14%之間,C60混凝土合理石粉含量在6%~9%之間;文獻(xiàn)[11]認(rèn)為C30機(jī)制砂混凝土的最佳石粉含量為9%~12%;文獻(xiàn)[12]認(rèn)為C35和C45機(jī)制砂混凝土的石粉合理含量為7%~13%和5%~8%??傮w來看,大部分研究都表明機(jī)制砂石粉含量可以高于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn),但不同強(qiáng)度等級混凝土的機(jī)制砂石粉含量限值差異較大,即使相同強(qiáng)度等級混凝土,石粉含量也沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此,本文針對四川樂(山)西(昌)高速公路橋梁工程C40混凝土,采用工程現(xiàn)場原材料,通過試驗(yàn)研究,分析機(jī)制砂的石粉含量對混凝土工作性能、力學(xué)性能、勻質(zhì)性與體積穩(wěn)定性的影響,為高石粉含量機(jī)制砂混凝土工程應(yīng)用提供支撐。

2原材料與試驗(yàn)方法

2.1原材料

①水泥:拉法基P.O42.5水泥,3d抗壓強(qiáng)度28.7MPa,28d抗壓強(qiáng)度51.9MPa;②粉煤灰:習(xí)水Ⅱ級粉煤灰,燒失量7.3%,需水量比100%,28d活性指數(shù)74.0%;③機(jī)制砂:瀘州石板灘石灰?guī)r機(jī)制砂,技術(shù)指標(biāo)見表1;④石:瀘州石板灘碎石,粒徑5~25mm,壓碎值7.4%,針片狀含量4.5%;⑤石粉:由石板灘機(jī)制砂生產(chǎn)過程中風(fēng)選而得,其成分與機(jī)制砂一致;⑥外加劑:聚羧酸高性能減水劑;⑦水:自來水。

2.2配合比

通過水洗、摻配石粉的方法,調(diào)整機(jī)制砂中石粉含量為0、5%、10%、15%和20%,以探討石粉含量對混凝土性能的影響。按照DB51/T1995-2015《機(jī)制砂橋梁高性能混凝土技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),調(diào)整用水量與外加劑摻量,以保持混凝土的坍落度基本一致,各組配合比如表2所示。

2.3試驗(yàn)方法

①混凝土拌和物性能按GB/T50080—2016《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。②混凝土的力學(xué)性能依據(jù)GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。③混凝土的干燥收縮按照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。④根據(jù)GB/T4340.1-2009《金屬維氏硬度試驗(yàn)方法》,采用HV-1000Z顯微硬度計(jì)測試混凝土試件28d顯微硬度。

3結(jié)果分析與討論

3.1對混凝土拌合物性能的影響

當(dāng)混凝土拌合物的坍落度基本相同時(shí)(200±10mm),其擴(kuò)展度、含氣量與表觀狀態(tài)等見表3與圖1??梢姡酆繉炷涟韬衔锕ぷ鳡顟B(tài)有較大影響。機(jī)制砂不含石粉時(shí),混凝土拌合物較松散、包裹性差,出現(xiàn)泌水離析,表面有明顯大氣泡。石粉含量增加到5%時(shí),由于其微填充效應(yīng),混凝土拌合物粘聚性與保水性提高,包裹性與泌水性能有所改善,表面大氣泡也減少;同時(shí)用水量減小,擴(kuò)展度增加,石粉的摻加表現(xiàn)出一定減水作用和潤滑效應(yīng)。石粉含量增加到10%時(shí),混凝土粉體材料總量增多,比表面積加大,吸附水量增多,需增加用水量與外加劑摻量以到達(dá)一致的坍落度;另外,較多的粉體材料,也使得漿體富裕量與粘稠度增加,混凝土拌合物包裹性好,擴(kuò)展度達(dá)到510mm,流動性進(jìn)一步提升,但氣泡不宜排出,表面氣泡少且含氣量增加。石粉含量增加到15%時(shí),用水量與外加劑摻量持續(xù)增加,此時(shí)混凝土拌合物因粘稠度高,翻鏟稍吃力,擴(kuò)展度減小,流動性下降,大氣泡較少,含氣量進(jìn)一步增加。當(dāng)石粉含量到達(dá)20%時(shí),混凝土拌合物過于黏稠,擴(kuò)展度下降至460mm,流動性明顯變差,翻鏟較吃力,含氣量增加至2.9%,表面氣泡較少,排氣不暢,施工時(shí)易在模板壁富集而形成氣孔、麻面等缺陷。

3.2對混凝土勻質(zhì)性的影響

混凝土勻質(zhì)性差時(shí),表面顯微硬度差異明顯[13]。因此,通過硬化混凝土試件表面顯微硬度測試,研究石粉含量對混凝土勻質(zhì)性的影響,測試結(jié)果見圖2。可見,適量的石粉可改善混凝土的整體勻質(zhì)性。當(dāng)機(jī)制砂不含石粉時(shí),硬化混凝土試件上部的顯微硬度值最小,上下部位的顯微硬度差值最大,主要因混凝土拌合物包裹性差,出現(xiàn)泌水離析,且粉煤灰上浮,混凝土整體勻質(zhì)性較差。隨石粉含量增加,石粉的微集料效應(yīng)增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)性,改善泌水性能,試件上下部的顯微硬度差逐漸減小,混凝土的整體勻質(zhì)性改善明顯。當(dāng)石粉含量超過10%后,上下部顯微硬度差值的降幅也減緩,混凝土勻質(zhì)性改善趨于穩(wěn)定。但由于漿體過于粘稠,混凝土工作性能變差,排氣不暢,含氣量增加,試件上下部表面的顯微硬度均出現(xiàn)小幅下降。

3.3對混凝土力學(xué)性能的影響

機(jī)制砂中不同石粉含量對C40混凝土抗折、劈裂抗拉與抗壓強(qiáng)度的影響見表4。隨石粉含量增加,混凝土的強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。石粉含量達(dá)到10%時(shí),各項(xiàng)強(qiáng)度均達(dá)到最大值,7d齡期時(shí)較不含石粉混凝土的抗折、劈裂抗拉與抗壓強(qiáng)度分別提高18.5%、15.3%與11.8%,28d齡期時(shí)則分別提高15.3%、14.3%與11.9%。石粉含量增加到15%后,混凝土強(qiáng)度開始出現(xiàn)緩慢下降。當(dāng)石粉含量達(dá)到20%時(shí),混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)下降較明顯,幾乎與不含石粉時(shí)混凝土強(qiáng)度接近??梢?,石粉含量在10%~15%時(shí),其對混凝土強(qiáng)度的增加作用較明顯。分析原因在于:一方面石粉粒徑小,具有微集料填充效應(yīng),提高了混凝土拌合物的保水性與粘聚性,提升了混凝土的勻質(zhì)性以及混凝土微結(jié)構(gòu)的致密性[8];同時(shí)石粉對CH和C-S-H的形成起到晶核作用,加速水泥的水化,另外,石粉本身也可以與C3A反應(yīng),形成水化碳鋁酸鈣[14-15]。但石粉含量達(dá)到一定程度時(shí),過多的石粉反而破壞了混凝土中粉體材料的密實(shí)堆積結(jié)構(gòu),且粉體材料比表面積增大,需水量與外加劑用量增多,漿體過于粘稠,拌合物工作性能差,排氣不暢,硬化混凝土微結(jié)構(gòu)密實(shí)度差,有害孔增多、凝膠孔減少[12],從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

3.4對混凝土干燥收縮的影響

圖3為不同石粉含量機(jī)制砂混凝土的干燥收縮率測試結(jié)果。總體來看,石粉含量對機(jī)制砂混凝土干燥收縮的影響與齡期有關(guān),這與文獻(xiàn)[9]的測試結(jié)果相似。在1~3d齡期時(shí),石粉的晶核效應(yīng)較明顯,加速了水泥的水化進(jìn)程,從而使得早期收縮增加,且隨石粉含量增加,混凝土的干縮增加。在7~360d齡期段,各組試件均在7~60d齡期的干縮發(fā)展較快,60d齡期后干縮趨于穩(wěn)定,且在各齡期均表現(xiàn)為石粉含量為10%的試件干縮最大,其次是石粉含量15%的試件,然后依次是石粉含量20%、5%與0%的試件。3d后水分散失加快,石粉含量越高,因用水量增加,使得混凝土干縮增加。另外,大多數(shù)石粉不能參與水泥水化而且起到微集料的填充作用,特別是石粉含量到達(dá)一定程度時(shí),微集料填充效應(yīng)較明顯,提升混凝土的致密性,改善毛細(xì)孔結(jié)構(gòu),增加毛細(xì)孔曲折程度,從而減小水分流失,降低混凝土干縮。

4結(jié)論

(1)機(jī)制砂中的石粉能提高混凝土拌合物的粘聚性與保水性,避免泌水離析。石粉含量在10%~15%時(shí),對混凝土工作性能提升作用最佳;石粉含量超過15%后,混凝土工作性能下降、含氣量增加明顯,對混凝土的強(qiáng)度與耐久性不利。(2)隨石粉含量增加,混凝土的勻質(zhì)性逐漸提升,當(dāng)石粉含量超過10%后,混凝土試件表面上下部顯微硬度差值變化不大,對混凝土勻質(zhì)性的改善效果趨于穩(wěn)定。(3)石粉具有微集料效應(yīng)與晶核作用,可提高機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度,石粉含量在10%~15%時(shí),對機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度提升最佳。石粉對機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度增強(qiáng)作用最明顯,其次是劈裂抗拉強(qiáng)度,對抗壓強(qiáng)度提高相對最小。(4)石粉對機(jī)制砂混凝土的干燥收縮與齡期相關(guān),1~3d時(shí)的干縮隨石粉含量增加而增加,而7d后的干縮在石粉含量為10%時(shí)最大。綜上所述,機(jī)制砂中含有適量的石粉有助于提升混凝土的性能,針對樂西高速橋梁工程應(yīng)用的C40機(jī)制砂混凝土,其機(jī)制砂中石粉含量可以放寬至10%~15%。

作者:余澤文 袁飛飛 周孝軍 丁慶軍 單位:四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司 西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院 武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室