謝勇詹鎮(zhèn)峰李從波(佛山市華通混凝土有限公司;廣州大學(xué)土木工程學(xué)院)
機制砂石粉含量對混凝土變形性能的影響
謝勇1詹鎮(zhèn)峰2李從波2
(1佛山市華通混凝土有限公司;2廣州大學(xué)土木工程學(xué)院)
機制砂中石粉含量對混凝土硬化體的性能會產(chǎn)生一定影響。本文通過測試混凝土的軸心抗壓強度、彈性模量、軸心抗拉強度、極限拉伸值以及干縮值,研究了不同石粉含量的混凝土變形性能,結(jié)果表明:石粉起到晶核和微集料作用,能提高混凝土的強度;隨著石粉含量的增加,混凝土的軸心抗壓強度、彈性模量、軸心抗拉強度升高,極限拉伸值則先升后降;機制砂混凝土的干縮值高于河砂,且隨著石粉含量的增加而增大。
機制砂;石粉含量;變形性能
石粉是指機制砂生產(chǎn)過程產(chǎn)生的細小顆粒,《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL352-2006)中將石粉定義為小于0.16mm顆粒,《建筑用砂》(GB/T14684-2001)中將小于0.075mm顆粒稱為石粉,一般在剛破碎出來的原砂中會含有10%~20%的石粉。為滿足國標(biāo)的要求,控制石粉的含量,制砂企業(yè)只能采取電動收塵或水洗的方法生產(chǎn)機制砂,尤其是在生產(chǎn)用于高強度混凝土的機制砂時,必須采用水洗法。而進行水洗時,為洗除機制砂中小于0.075mm的顆粒,就必然要附帶損失一些小于0.60mm,甚至1.18mm以下的顆粒,這樣既浪費了大量的水資源也降低了砂的產(chǎn)量,同時破壞了機制砂原有的級配[1]。
近年來,隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益增加,天然砂資源的短缺已成為不爭的事實,機制砂也成為解決砂資源短缺的主要途徑。隨著機制砂的使用越來越廣泛,國內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞該主題開展了大量研究,基本探明了石粉對混凝土性能的影響規(guī)律及作用機理,使得機制砂的理論研究和工程應(yīng)用取得了長足發(fā)展,對石粉在混凝土的作用認識也越深入,如陳家瓏[2]研究認為:帶石粉(必須是真正的石粉,而不能是泥粉)的人工砂,能明顯改善混凝土的和易性、提高混凝土的強度;賀圖升[1]等人的研究結(jié)果認為配制中低強度混凝土?xí)r,水灰比較大、水泥用量少,機制砂中的石粉補充了細顆粒,增加了混凝土拌合物的稠度,拌合物的粘聚性隨著石粉含量的增加而增加,離析現(xiàn)象隨石粉含量增加明顯改善,拌合物的泌水情況得到改善,同時石粉能改善混凝土的耐久性,等等。總之,適量的石粉既能改善混凝土拌合物的性能,又對混凝土的強度和耐久性有幫助。但有關(guān)石粉含量對混凝土的變形性能影響的研究較少,本文將探索在同樣水灰比下,不同石粉含量對混凝土的變形性能的影響。
2.1 原材料
水泥:粵海牌中熱硅酸鹽水泥,韶關(guān)昌山水泥廠有限公司生產(chǎn),強度等級為P·MH42.5;
表1 水泥物理力學(xué)性能試驗結(jié)果
碎石:石灰?guī)r碎石,二級配 20~40mm,5~20mm,w (20~40mm):w(5~20mm)=60:40
砂:機制石灰石巖人工砂,原狀砂石粉含量為12.2%,細度模數(shù)為3.05;河砂:細度模數(shù)為2.45。
表2 人工砂的級配組成
外加劑:FDN-440T,萘系高效減水劑,摻量為1.3%
2.2 試驗方法
本試驗各項性能測試均執(zhí)行SL352-2006《水工混凝土試驗規(guī)程》進行
2.3 試驗方案及配合比
本試驗設(shè)計兩個中等強度等級的水灰比0.55和0.45,所設(shè)計的配合比見表3所示,其中石粉含量通過人工途徑重新配制。
表3 機制砂普通混凝土配合比(W/C=0.55)
3.1 石粉含量對抗壓強度的影響
圖1、圖2分別為水灰比0.55、0.45的石粉含量與混凝土強度的關(guān)系圖,從結(jié)果中可以看出:
⑴兩種水灰比情況下,石粉含量對混凝土強度的影響規(guī)律極為相似,即隨著石粉含量的增加,混凝土的強度呈增長的趨勢;
⑵相同水灰比,比較河砂和機制砂混凝土強度可以看出,石粉含量低(本試驗中≤9%)的機制砂混凝土低于河砂,隨著石粉含量增加,機制砂混凝土的強度高于河砂。
以上的試驗結(jié)果表明石粉對混凝土強度有增強作用,其原因可以歸結(jié)為兩方面:一是石粉起著填充的作用,可以使混凝土結(jié)構(gòu)變得更加密實,有利于強度的提高;二是本文所采用的機制砂母巖為石灰石,石灰石粉起到一定的活性作用,文獻[3]解釋了石灰石粉的強度效應(yīng)可能與以下因素有關(guān):一是石粉中的石灰石微粒在水泥水化早期對Ca(OH)2和C-S-H的形成起晶核作用,加速了熟料礦物特別是C3S礦物的水化;另一個可能的原因是石灰石微粒能與水泥中的C3A反應(yīng)形成水化半碳鋁酸鈣、單碳鋁酸鈣或三碳鋁酸鈣;還有一種可能就是在硅酸鹽礦物水化中,少量的石灰石微粒能進入C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)中形成碳化水化硅酸鹽鈣。
圖1 石粉含量對抗壓強度的影響(W/C=0.55)
圖2 石粉含量對抗壓強度的影響(W/C=0.45)
3.2 石粉含量對軸心抗壓強度、彈性模量的影響
彈性模量是水泥混凝土材料的基本力學(xué)指標(biāo),它反映了混凝土在壓力作用下抵抗變形的能力,也是表征材料的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的重要參數(shù)。
圖3 石粉含量與軸心抗壓強度的關(guān)系
圖4 石粉含量與彈性模量的關(guān)系
圖3、圖4為水灰比0.55,石粉含量與軸心強度、彈性模量的關(guān)系,其中石粉含量為0%的是指河砂。從圖中可以看出:隨著石粉含量的增加,機制砂混凝土的軸心抗壓強度和彈性模量呈上升的趨勢,石粉含量為18%的軸心抗壓強度和彈性模量值比6%的分別提高12.5%和11.8%;與河砂混凝土相比,河砂的軸心抗壓強度高于石粉含量6%和12%,但低于18%,彈性模量高于6%,低于12%和18%。
彈性模量反映出材料的變形性能,彈性模量越大,同樣應(yīng)力下,變形越小。石粉含量增加,混凝土強度提高,這是造成彈性模量提高的原因之一,同時,機制砂的顆粒粗糙,多棱角,相互之間咬合較好,抗變形能力增強。
3.3 石粉含量對軸心抗拉強度、極限拉伸值的影響
軸心抗拉強度和極限拉伸值是衡量混凝土抗裂性的重要指標(biāo),提高混凝土的極限拉伸值對改善混凝土抗裂能力非常重要。
圖5、圖6分別為不同石粉含量下,0.55水灰比的混凝土軸心抗拉強度和極限拉伸值。從結(jié)果中可以看出:
圖5 石粉含量與軸心抗拉強度的關(guān)系
圖6 石粉含量與極限拉伸值的關(guān)系
⑴混凝土軸心抗拉強度與石粉含量呈現(xiàn)較好的規(guī)律,即隨著石粉含量的增加,軸心抗拉強度逐漸增大,同時,相同水灰比下,機制砂混凝土的軸心抗拉強度高于河砂混凝土;
⑵極限拉伸值隨石粉含量的變化規(guī)律是先增后降,石粉含量為18%時,極限拉伸值低于河砂。
機制砂混凝土的軸心抗拉強度高于河砂,可能與機制砂的顆粒形貌有較大的關(guān)系,由于機制砂的表面粗糙,多棱角,相互之間的咬合較好,可使混凝土有較好的抗拉性能;而極限拉伸值在18%時,反而下降可能是由于石粉含量增大后,漿體體積增加,導(dǎo)致混凝土的脆性增大,拉伸破壞時變形量變小。
3.4 石粉含量對混凝土干縮值的影響
圖7、圖8分別是干縮值與齡期、干縮值與石粉含量的關(guān)系圖,從結(jié)果中可以看出:
圖7 干縮變形與齡期的關(guān)系
圖8 石粉含量與干縮變形的關(guān)系
⑴隨著石粉含量的增加,混凝土的干縮值呈上升的趨勢,以90天齡期為例,W/C=0.55的18%石粉含量的干縮值是6%的1.19倍,W/C=0.45的是1.16倍;
⑵機制砂混凝土和河砂混凝土的干縮規(guī)律基本一致,表現(xiàn)為早期增長快,60天齡期后趨緩,但到90d齡期時,混凝土干縮仍在繼續(xù);
⑶與河砂混凝土相比,機制砂混凝土各齡期的干縮值均大于河砂,以90天齡期為例,W/C=0.55的機制砂混凝土干縮值約增加了4.4%~24.7%;W/C=0.45約增加了5.3%~25.5%,人工砂混凝土干縮較大,對混凝土抗裂能力不利。
⑴機制砂中的石粉在混凝土中起到晶核作用和微集料填充作用,能提高混凝土的強度。
⑵隨著石粉含量的增加,混凝土的軸心抗壓強度、彈性模量、軸心抗拉強度逐漸提高,極限拉伸值則呈現(xiàn)出先增后降的規(guī)律。
⑶機制砂混凝土的干縮值高于河砂混凝土,同時,各齡期的干縮值隨石粉含量的增加而增大。
[1]賀圖升,周明凱,等.石粉對機制砂混凝土拌合物泌水率的影響[J].混凝土.2007,(2):58-60.
[2]陳家瓏.合理利用人工砂中的石粉[J].新型建筑材料,2004,(5):48-50.
[3]李北星,周明凱.石灰?guī)r機制砂中石粉作摻合料對混凝土工作性和強度的影響[J].公路,2007,(12):141-145.