李鳳蘭，孫秋彥，朱 倩

（華北水利水電學(xué)院河南省水工結(jié)構(gòu)與材料工程重點(diǎn)學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450011）

卵石破碎原狀機(jī)制砂石粉含量限值試驗(yàn)研究

李鳳蘭，孫秋彥，朱 倩

（華北水利水電學(xué)院河南省水工結(jié)構(gòu)與材料工程重點(diǎn)學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450011）

采用石粉（粒徑小于75μm的顆粒）含量為3%～13%的卵石破碎原狀機(jī)制砂配制強(qiáng)度等級(jí)C30，C40和C50混凝土，分析了石粉含量對(duì)混凝土拌合物工作性能及混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，對(duì)卵石沖洗后加以破碎的原狀機(jī)制砂，其石粉含量可超出現(xiàn)行建筑用砂規(guī)范的限值，控制在13%以內(nèi)時(shí)可滿足混凝土拌合物的工作性能和現(xiàn)行規(guī)范對(duì)混凝土基本力學(xué)性能的要求。該研究對(duì)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝的革新和生產(chǎn)效率的提高具有重要價(jià)值。

混凝土；卵石破碎原狀機(jī)制砂；石粉含量；拌合物工作性能；抗壓強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度；彈性模量

機(jī)制砂是由巖石爆破或采用河道卵石，經(jīng)機(jī)械破碎、篩分制成的粒徑小于5 mm的顆粒。機(jī)制砂富有棱角，同樣細(xì)度模數(shù)下的顆粒級(jí)配劣于天然砂，用于配制混凝土將在配合比、施工性能、力學(xué)和耐久性能等方面產(chǎn)生不同于天然砂混凝土的特點(diǎn)［1，2］。現(xiàn)行建筑用砂標(biāo)準(zhǔn)雖將機(jī)制砂列為建筑用砂，但出于控制含泥量的考慮而對(duì)石粉含量也進(jìn)行了嚴(yán)格限制［3，4］。為了能夠達(dá)到規(guī)定的石粉含量要求，機(jī)制砂生產(chǎn)均增加了水洗工藝，不僅增加生產(chǎn)成本、造成水資源浪費(fèi)，而且水洗石粉排放造成了河道水質(zhì)或風(fēng)沙等環(huán)境污染，不利于生產(chǎn)地域的環(huán)境保護(hù)。

基于對(duì)石粉含量能否放寬的問題，已取得了一些很有工程應(yīng)用價(jià)值的研究成果［2，5-9］。但對(duì)石粉含量的研究缺乏系統(tǒng)性與可比性，具體表現(xiàn)為：對(duì)石粉的顆粒范圍劃分不同；將石粉含量與機(jī)制砂生產(chǎn)工藝割裂開來，試驗(yàn)采用機(jī)制砂的高、低石粉含量通過外摻磨細(xì)石粉的方法實(shí)現(xiàn)，研究缺乏生產(chǎn)技術(shù)支撐；機(jī)制砂混凝土性能研究?jī)?nèi)容不全面，各種測(cè)試指標(biāo)基于不同的機(jī)制砂原材料。同時(shí)，針對(duì)河道卵石破碎機(jī)制砂混凝土的研究鮮見報(bào)道。

本文選用直接對(duì)卵石沖洗后進(jìn)行破碎而不再?zèng)_洗的原狀機(jī)制砂，通過研究石粉含量對(duì)強(qiáng)度等級(jí)C30，C40和C50機(jī)制砂混凝土性能的影響，提出具有工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的機(jī)制砂石粉含量限值范圍，對(duì)合理利用機(jī)制砂中的石粉，促進(jìn)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝的革新和生產(chǎn)效率的提高具有重要意義。

表1 水泥的物理力學(xué)性能Table1 Physical and mechanical properties of the cement

表2 石子物理力學(xué)性能Table2 Physical and mechanical properties of the crushed stone

1 試驗(yàn)概況

采用焦作堅(jiān)固水泥有限公司生產(chǎn)的“堅(jiān)固”牌32.5級(jí)和42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能見表1。粗集料采用5～10 mm和10～25 mm兩種級(jí)配的石灰?guī)r質(zhì)碎石按比例1∶1混合，其物理力學(xué)性能見表2。細(xì)集料選用焦作市附近山區(qū)規(guī)模較大的機(jī)制砂場(chǎng)生產(chǎn)的原狀石灰?guī)r質(zhì)機(jī)制砂，其物理力學(xué)性能見表3。試驗(yàn)用機(jī)制砂中的石粉含量，是經(jīng)過對(duì)原狀機(jī)制砂進(jìn)行篩分測(cè)定后進(jìn)行調(diào)整得到的。在本文中，石粉是指粒徑小于75μm的顆粒［3］。外加劑采用鄭州巨源混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)的JHY-6000萘系高效減水劑，實(shí)測(cè)減水率為15.5%。拌合物用自來水。

采用32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥配制強(qiáng)度等級(jí)C30的機(jī)制砂混凝土，采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥配制強(qiáng)度等級(jí)C40，C50的機(jī)制砂混凝土，各強(qiáng)度等級(jí)混凝土分別固定水灰比W／C、單位用水量mw、砂率βs和外加劑摻量，外加劑摻量為水泥用量mc的0.75%（按質(zhì)量計(jì)），石粉含量βsp取3%，7%，13%等3個(gè)級(jí)別。混凝土拌合物坍落度按35～50mm預(yù)計(jì)，混凝土原材料用量計(jì)算結(jié)果列于表4，表中mg，ms分別為單位體積混凝土的石子和機(jī)制砂用量。

試驗(yàn)按現(xiàn)行普通混凝土拌合物性能及力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行［10，11］。立方體抗壓強(qiáng)度fcu和劈裂抗拉強(qiáng)度ft試驗(yàn)采用邊長(zhǎng)150 mm的立方體試塊，軸心抗壓強(qiáng)度fc和彈性模量Ec試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件，抗彎強(qiáng)度ff試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×550 mm的梁試件。

表3 機(jī)制砂物理性能Table3 Physical properties of proto-machine-made sand

表4 原狀機(jī)制砂混凝土的配合比Table4 M ix proportion of proto-machine-made sand concrete

表5 混凝土拌合物工作性能試驗(yàn)結(jié)果Table5 Test results of fresh concrete workability

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

混凝土拌合物工作性能和混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表5所列。

2.1 混凝土拌合物的工作性能

由表5可見，適當(dāng)增加石粉含量有利于改善機(jī)制砂混凝土拌合物的流動(dòng)性，對(duì)拌合物粘聚性和保水性具有明顯改善效果。同時(shí)，盡管GA和GC兩組混凝土的坍落度明顯低于預(yù)計(jì)值，但試塊仍然易于振動(dòng)成型，坍落度值不再能夠準(zhǔn)確地表征高石粉含量原狀機(jī)制砂混凝土的成型難易程度。這一規(guī)律實(shí)質(zhì)上反映出了機(jī)制砂的固有特性。其一，機(jī)制砂顆粒表面粗糙、富有棱角，自身滾動(dòng)能力差，將導(dǎo)致混凝土拌合物流動(dòng)性降低。其二，機(jī)制砂具有較大的比表面積，需要消耗較多的漿體予以包裹才能達(dá)到與天然砂同樣的流動(dòng)性。在用砂量不變的條件下，石粉含量增加，機(jī)制砂顆粒的總量相應(yīng)減少，相對(duì)提高了除包裹機(jī)制砂以外的水泥漿體積，將提高拌合物的工作性。其三，在水泥用量不變的條件下，適當(dāng)增加石粉含量起到了增加拌合物中漿體總量的作用，從而提高拌合物的粘聚性和保水性。

值得注意的是，當(dāng)石粉含量較小而水灰比較大時(shí)，機(jī)制砂混凝土拌合物出現(xiàn)離析和泌水現(xiàn)象。如果使用高效減水劑，將進(jìn)一步降低水泥漿體稠度和粘度，使得混凝土拌合物出現(xiàn)嚴(yán)重的離析和泌水現(xiàn)象，混凝土成型后在表面出現(xiàn)較多的孔洞。

2.2 混凝土的基本力學(xué)性能

由表5數(shù)據(jù)可計(jì)算出，GA組、GB組和GC組分別滿足強(qiáng)度等級(jí)C30，C40和C50混凝土的配制強(qiáng)度要求，配制強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差依次達(dá)到5.3～6.5 MPa，6.3～9.4 MPa和6.0～8.0 MPa。

圖1示出了混凝土立方體抗壓強(qiáng)度fcu及軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值fc／fcu隨石粉含量βsp的變化情況?？梢娛酆枯^高時(shí)對(duì)C30混凝土抗壓強(qiáng)度影響較小，對(duì)C40混凝土抗壓強(qiáng)度有所提高，對(duì)C50混凝土抗壓強(qiáng)度有所減小；以同組混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度的平均值為基準(zhǔn)，可得到GA組、GB組和GC組混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度相對(duì)偏差依次為-3.1%～2.0%，-3.3%～6.5%和-3.3%～1.9%，軸心抗壓強(qiáng)度相對(duì)偏差依次為-4.8%～4.7%，-7.9%～8.6%和-4.9%～6.7%。這說明石粉含量對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度的影響大于對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響；對(duì)較高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的影響大于對(duì)較低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的影響。盡管如此，總體上看影響效果均比較小，實(shí)際工程應(yīng)用可以不考慮石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

圖1 抗壓強(qiáng)度隨石粉含量的變化Fig.1 Variations of fcuand fc／fcuw ithβsprespectively

石粉含量為3%時(shí)fc／fcu為0.77～0.92，石粉含量為7%及以上時(shí)fc／fcu為0.82～0.87，可以看出石粉含量較低時(shí)造成的混凝土拌合物離析和泌水導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度較大的離散性；同時(shí)由該比值按C30，C40和C50的順序由大到小進(jìn)行排序，說明機(jī)制砂的粗糙表面和多棱角形狀提供的自相嵌固作用，從一定程度上減小了軸心受壓混凝土的橫向變形，提高了混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度。但機(jī)制砂混凝土的脆性破壞特征依然隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高而愈加明顯，是與普通天然砂混凝土相一致的［1，12］。

由普通混凝土抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系［12］：ft＝0.39，可計(jì)算本試驗(yàn)各配合比混凝土對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度值。圖2示出了混凝土抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值及其與計(jì)算值的比值隨石粉含量βsp的變化情況?？梢姵鼼A3的實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值外，其他均大于計(jì)算值；隨著石粉含量的增加，C30混凝土的抗拉強(qiáng)度降低，而C40，C50混凝土的抗拉強(qiáng)度則提高；以同組混凝土抗拉強(qiáng)度的平均值為基準(zhǔn)，可得到GA組、GB組和GC組混凝土的抗拉強(qiáng)度相對(duì)偏差依次為±5.7%，-5.7%～5.4%和-9.0%～5.9%。這說明石粉含量對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度具有一定的影響作用，對(duì)強(qiáng)度等級(jí)高的混凝土影響相對(duì)明顯。觀察試塊的劈裂破壞情況，C30混凝土為水泥石粉復(fù)合材料劈裂，C50混凝土基本上是沿著粗骨料界面，說明石粉對(duì)水泥石的強(qiáng)度有直接影響。

圖2 抗拉強(qiáng)度隨石粉含量的變化Fig.2 Variations ofandw ithβsprespectively

由表5可見，隨著石粉含量的增加，混凝土抗彎強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度具有基本相同的變化規(guī)律，對(duì)C40混凝土的抗彎強(qiáng)度具有更為明顯的提高作用。

由普通混凝土彈性模量與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系［12］：Ec＝105／（2.2+34.7／fcu），可計(jì)算本試驗(yàn)各配合比混凝土對(duì)應(yīng)的彈性模量值，圖3示出了混凝土彈性模量實(shí)測(cè)值及其與計(jì)算值的比值隨石粉含量βsp的變化情況。可見隨著石粉含量的增加，彈性模量基本呈減小的規(guī)律，實(shí)測(cè)值及其與計(jì)算值的比值在1.07～1.33之間變化。這表明隨著石粉含量的增加，較多的水泥石粉漿體消弱了骨料整體架構(gòu)并加大了水泥石粉復(fù)合材料在受力時(shí)的粘性流動(dòng)及粘彈性變形，從而導(dǎo)致混凝土彈性模量的降低。

圖3 彈性模量隨石粉含量的變化Fig.3 Variation ofandw ithβsprepectively

總體而言，所配制的混凝土基本力學(xué)性能滿足現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求［13］。

3 結(jié) 論

在亞甲藍(lán)試驗(yàn)結(jié)果符合要求的條件下，卵石破碎原狀機(jī)制砂用于配制強(qiáng)度等級(jí)C30-C50混凝土?xí)r，石粉含量可突破現(xiàn)行《建筑用砂》（GB／T14684 -2001）的限制。根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，石粉含量由5%放寬到13%是可行的，既可保證混凝土拌合物的工作性能，又可滿足現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)混凝土基本力學(xué)性能的要求。

應(yīng)該注意，石粉含量較?。?%）和水灰比較大的混凝土拌合物將出現(xiàn)離析和泌水現(xiàn)象，使用高效減水劑將加重該現(xiàn)象的程度。

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［10］GB／T 50080-2002，普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.（GB／T 50080-2002，Standard for testmethod of performance on ordinary fresh concrete［S］.Beijng：China Building Industry Press，2003.（in Chinese））

［11］GB／T 50081-2002，普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.（GB／T 50081-2002，Standard for test methods of mechanical properties on ordinary concrete［S］.Beijing：China Building Industry Press，2003.（in Chinese））

［12］趙順波.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004（ZHAO Shun-bo.Design Principles of Concrete Structures［M］.Shanghai：Tongji University Press，2004.（in Chinese））

［13］GB50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.（GB50010-2002，Code for design of concrete structures［S］.Beijing：China Building Industry Press，2002.（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

Experimental Study on Lim it of Stone-powder of Gravel-crushed Proto-machine-made Sand for Concrete

LIFeng-lan，SUN Qiu-yan，ZHU Qian
（Henan Provincial Key Course Opening Laboratory of Hydraulic Structural and Material Engineering，North China Institute ofWater Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China）

The gravel-crushed proto-machine-made sands containing stone powder（particle size being less than 75 μm）with quantity content from 3%to 13%were used formixing concrete of grade C30，C40 and C50.The influences of stone powder contenton theworkability of fresh concrete and the compressive strength，tensile strength and elastic modulus of concrete were analyzed.It can be concluded that for the proto-machine-made sandsmade by the gravelswashed before crushed，the stone powder content can be taken over the limit specified in current standard of building sands.When the content is limited in 13%，the workability of fresh concrete is better，the compressive and tensile strength as well as the elastic modulus of concrete can satisfy the requirements of current code.The study is very important for the innovation of production techniques and the promotion of productivity.

concrete；gravel-crushed proto-machine-made sands；stone powder content；fresh concrete workability；compressive strength；tensile strength；elastic modulus

TU521.1；TU528.1

A

1001-5485（2010）08-0066-04

2009-10-27；

2010-01-17

鄭州市科技領(lǐng)軍人才資助項(xiàng)目（096SYJH23105）

李鳳蘭（1964-），女，河北武邑人，教授，主要從事土木工程材料研究，（電話）0371-69127380（電子信箱）lifl64＠ncwu.edu.cn。