機制砂中不同因素對混凝土性能影響研究

 

作為連接膠凝材料和粗骨料的媒介，砂的摻入對混凝土強度、耐久性等起著至關(guān)重要的作用。利用機制砂替代河砂配制混凝土，石粉含量、泥含量以及砂率的選擇是當(dāng)前面臨的主要問題，機制砂石粉含量一般10%～20%，我國現(xiàn)行國家標準對機制砂石粉含量限值做出了嚴格的制約，因此一定程度上制約了機制砂的應(yīng)用。相關(guān)研究和機制砂標準制訂時均將含粉量作為重要內(nèi)容來對待，研究人員就石粉含量對混凝土性能影響開展了大量相關(guān)研究，結(jié)果如下：

 

①石粉作用機理。石粉作用于混凝土增加了水泥漿體含量，同時提高了混凝土的流動性，石粉顆粒較小還可起到微滾珠作用，改善混凝土和易性，石粉的微集料堆積作用填充于混凝土中的內(nèi)部空隙，增大了拌合物的密實，后期石粉以及其他膠凝材料的水化產(chǎn)物相互搭接作用使混凝土硬化漿體的抗壓強度增大。

 

②石粉摻量。機制砂中石粉含量為8%～12%時，混凝土和易性較好，且滿足施工需要；超過15%以上時，混凝土和易性雖然滿足施工要求，但較為黏稠，在攪拌和泵送過程中需要較大的阻力。

 

③抗壓強度。隨著石粉含量的增加，機制砂混凝土強度呈上升趨勢，石粉含量為15%時達到最大值，繼續(xù)增加石粉含量會降低抗壓強度。

 

④抗凍性能。石粉的摻入可以改善機制砂混凝土的抗凍性，石粉含量為5%～10%時，在200次凍融循環(huán)后，隨著石粉含量的增加，混凝土的質(zhì)量損失和強度損失均減小，超過了10%，混凝土抗凍性下降。

 

相關(guān)研究工作局限于機制砂石粉含量，但機制砂在破碎、堆放、運輸過程中不僅產(chǎn)生大量石粉，含泥量也隨之增大，同時石粉的粒徑制約著新拌混凝土的和易性，系統(tǒng)開展機制砂中不同因素對混凝土性能的影響研究非常重要。

 

本文立足于三因素三水平正交試驗，通過探究機制砂石粉含量、泥含量以及砂率的影響程度，展開混凝土強度以及凍融試驗，旨在發(fā)現(xiàn)相關(guān)規(guī)律以提高機制砂在混凝土施工過程中的利用水平。

 

1、正交試驗

 

1.1 試驗原材料

 

本研究采用的原材料如下：水泥：P.O42.5，淮北相山水泥廠；機制砂：石灰石制機制砂，各項指標見表1，其細度模數(shù)2.8%，石粉含量7.0%，堆積密度1538kg/m3。石粉：與機制砂同石料，化學(xué)組成見表2；粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，化學(xué)組成見表2，永城裕東粉煤灰廠生產(chǎn)；混凝土外加劑：高性能聚羧酸減水劑，摻量為水泥質(zhì)量的0.5%。

 

1.2 配合比確定

 

選取的機制砂為沖洗干凈顆粒，并收集生產(chǎn)過程中被水沖洗掉的石粉，添加到無石粉的機制砂中，配制出不同石粉含量的機制砂，不同石粉含量、泥含量、砂率的機制砂配制混凝土配合比保持一致，即水膠比（0.45）、外加劑摻量（0.5%）相等，粉煤灰摻量（20%）保持一致。

 

1.3 試驗方法

 

設(shè)計一個三因素三水平正交試驗表見表3。

 

2、試驗結(jié)果與分析

 

2.1 正交試驗結(jié)果

 

對制約混凝土抗壓強度的影響因素和水平進行正交試驗設(shè)計，計算出極差和方差，結(jié)果見表4和表5。

 

極差的大小可以得出試驗因素對混凝土強度的影響情況，石粉含量的變化對混凝土強度影響差到2.4MPa，而泥含量的變化對強度的影響差僅僅只有1.1MPa，可見石粉含量水平比泥含量水平重要多一些。由此可以得出結(jié)論：

 

（1）石粉含量對混凝土強度的影響最大，其次是砂率，再次是泥含量。

 

（2）石粉含量為12%、砂率為42%、泥含量為2.5%時混凝土強度好。

 

2.2 強度發(fā)展趨勢分析

 

在標準養(yǎng)護條件下混凝土硬化漿體28ｄ抗壓強度隨石粉含量、泥含量、砂率變化如表6所示，綜合分析不同石粉含量試件A1、A2、A3的強度可知，隨著石粉含量的增加強度呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，石粉含量為12%時，強度達到最大值，A1、A3相較于A2分別為98.07%、93.85%；不同泥含量的強度發(fā)展趨勢如B1、B2、B3所示，隨著泥含量的增加強度呈現(xiàn)先增后降發(fā)展，泥含量為2.5%時強度達到最大值，B1、B3相較于B2分別為98.59%、97.36%；C1、C2、C3為不同砂率下強度發(fā)展趨勢，砂率的增加使得強度先增大后減小，砂率為42%時強度達到峰值，C1、C3相較于C2分別為95.78%、95.25%。

 

A2、B2、C2均為同一配合比，且為最高強度，A、B、C中強度的極差值呈A（3.5MPa）＞C（2.7MPa）＞B（1.5MPa），即改變石粉含量強度發(fā)生變化的趨勢大于砂率的變化，砂率的變化趨勢大于泥含量的變化趨勢，與正交試驗的分析結(jié)果相同。

其主要原因如下：

①石粉的主要成分是CaO，作用于水泥膠凝材料中發(fā)生水化反應(yīng)主要水化產(chǎn)物為Ca（OH）2，與水泥早期的水化產(chǎn)物相同，硬化漿體的水化結(jié)晶增多且彼此相互搭接形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，混凝土強度得以提升，未參與水化的惰性石粉微粒依據(jù)自身微集料填充作用，增加混凝土密實度，但隨著石粉含量的增加膠凝漿體的需水量增大，相同流動度的情況下勢必提高水的用量，水的加入增大了原有配合比中的水膠比，微結(jié)構(gòu)下形成水化結(jié)晶相互搭接形成的網(wǎng)絡(luò)狀密實度下降，最終導(dǎo)致強度降低。

②砂率是調(diào)節(jié)混凝土和易性的主要參考指標，砂作為膠凝材料和粗集料結(jié)合的橋梁，依據(jù)自身優(yōu)良的級配填充于混凝土硬化過程中形成的大尺寸空隙，降低硬化混凝土的空隙率，從而提高強度，隨著砂率的提高，砂的用量逐漸增大，需要包裹砂的漿體量也逐漸增大，相同膠凝漿體下不足以包裹增多的砂量，致使硬化混凝土中相對游離的砂量增多，與粗骨料膠結(jié)性下降，終使強度降低。

③泥的粒徑尺寸較小，攪拌過程中摻入混凝土中可以降低混凝土的空隙率，一定范圍內(nèi)隨著集料中泥含量的增加，混凝土硬化強度隨之增大，但泥的絡(luò)合性較差，幾乎不具備膠凝特性，隨著摻量的增大勢必會降低砂子與膠凝材料的粘結(jié)性，導(dǎo)致混凝土強度下降。

 

2.3 凍融性能影響

 

依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082－2009）對混凝土進行200次凍融循環(huán)，質(zhì)量損失率結(jié)果如表6所示。對比不同石粉含量A1、A2、A3質(zhì)量損失率，隨著石粉含量的增加質(zhì)量損失率呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，石粉含量為12%時，質(zhì)量損失率最小，A1、A3分別為A2的108.42%、216.84%；不同泥含量、砂率發(fā)展趨勢與不同石粉含量的混凝土凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率一致，泥含量為2.5%質(zhì)量損失率最小，B1、B3相較于B2分別為106.31%、116.31%；砂率為42%時質(zhì)量損失率達到最小值，C1、C3相較于C2分別為191.58%、207.37%。A2、B2、C2質(zhì)量損失率相同，A、B、C中質(zhì)量損失率的極差值呈A（1.11%）＞C（1.02%）＞B（0.63%），即石粉的影響因素最大，其次是砂率，再次是泥含量。

 

凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率變化一定程度上體現(xiàn)了混凝土強度的發(fā)展趨勢，混凝土凝結(jié)硬化后其強度增大，空隙率較低，微結(jié)構(gòu)密實度增大，經(jīng)凍融循環(huán)后，強度較高的硬化漿體表面剝蝕率較低。

 

2.4 工作性影響

 

新拌混凝土工作性發(fā)展情況如表7所示，對比不同石粉摻量（A1、A2、A3）、不同泥含量（B1、B2、B3）、不同砂率（C1、C2、C3）下新拌混凝土坍落度發(fā)展變化，不同石粉摻量新拌混凝土2ｈ坍落度的損失百分比高于不同含泥量和不同砂率，即石粉含量制約坍落度變化的因素最為突出，其次是含泥量，最后是砂率。

 

3、結(jié)論

（1）石粉含量對混凝土強度的影響最大，其次是砂率，再次是泥含量，對應(yīng)的高強度的條件是石粉含量為12%、砂率為42%、泥含量為2.5%，最佳度條件下，混凝土強度達到56.9MPa。

 

（2）凍融性研究表明：適量的石粉、泥含量、砂率可以優(yōu)化硬化混凝土的孔結(jié)構(gòu)和空隙率，有利于混凝土強度及抗凍性能的提高。