朱華勝 周劍波 李傳書 苗永旺 曾永平 曾曉輝 辜英晗 沈衛(wèi)國 朱東敏 佘志清

(1中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2中鐵五局集團(tuán)有限公司拉林鐵路指揮部，貴州 貴陽550000；3中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；4武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430000；5貴州成智重工科技有限公司，貴州 貴陽 550000)

機(jī)制砂是經(jīng)除土開采、機(jī)械破碎等方式，篩分后得到的粒徑小于4.75mm的巖石、礦山尾礦或者工業(yè)廢渣顆粒[1-3]。母巖的物理性能、機(jī)械設(shè)備及加工工藝等因素決定了其質(zhì)量，故其性能與天然砂相比存在很大差異，具有含粉量高、顆粒多棱角、表面粗糙度大等特點，配置的混凝土易出現(xiàn)泌水、離析問題[4-6]。

機(jī)制砂代替天然砂作為混凝土細(xì)骨料已在鐵路[7]、公路[8]、隧道[9]等工程中廣泛應(yīng)用，然而，機(jī)制砂品質(zhì)受巖石材質(zhì)和生產(chǎn)工藝影響較大，其對混凝土性能產(chǎn)生重要影響。砂的表面形態(tài)和石粉含量與破碎方式密切相關(guān)，輥壓砂的表面最粗糙，其配置混凝土的抗壓強(qiáng)度高[10]。機(jī)制砂的粉含量高于天然砂，而一定的石粉含量對混凝土的工作性能和力學(xué)性能有改善作用[11-16]。級配和砂率是混凝土配合比設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)，有研究表明提高砂率是改善機(jī)制砂混凝土和易性的有效措施[17-18]。

在機(jī)制砂主要性能參數(shù)中，顆粒級配、砂率等作為機(jī)制砂品質(zhì)控制的關(guān)鍵指標(biāo)，其對混凝土性能有著重要影響，然而從目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀來看，常存在級配不良或超出級配范圍的情況，因此機(jī)制砂品質(zhì)如何合理控制是工程中重點關(guān)注的問題之一。為此，本文將機(jī)制砂顆粒組成分6組，從各組分的含量及顆粒組成比例角度，深入研究機(jī)制砂顆粒級配、砂率及石粉含量對混凝土性能的影響，可為實際工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料和方案

1）水泥

試驗用水泥為拉法基普通硅酸鹽水泥P.O 42.5。其基本性能如表1。

表1 水泥的基本性能

2）礦物摻合料

試驗用摻合料為Ⅱ級粉煤灰。粉煤灰基本性能如表2。

表2 II級粉煤灰基本性能

3）集料

試驗用粗骨料為級配碎石。該碎石由5～15mm和16～25mm兩種粒級碎石摻配而成，配合比例分別為40%、60%，混合后形成5～25mm連續(xù)級配碎石，表觀密度為2670kg/m-3，松散堆積密度1530kg/m-3。

細(xì)骨料為機(jī)制中砂，其性能指標(biāo)如表3所示。

4）外加劑

減水劑采用宜賓天龍化工TL-1000聚羧酸高性能減水劑，摻量為0.8%～1.2%，減水率30%。

對機(jī)制砂進(jìn)行篩分后取不同粒徑的重新配置，得到細(xì)度模數(shù)不同的機(jī)制砂試樣。石粉采用75μm篩篩出的原狀石粉。以B區(qū)石灰?guī)r機(jī)制砂的顆粒級配范圍作為參照基準(zhǔn)，設(shè)置了6種不同類型的級配，以研究級配、砂率等機(jī)制砂性能參數(shù)對C50石灰?guī)r機(jī)制砂自密實混凝土性能的影響。各類型機(jī)制砂基本參數(shù)如表3，顆粒級配曲線如圖1。

表3 實驗分組及參數(shù)

圖1 機(jī)制砂級配曲線

類型A為細(xì)砂，類型B、C、D、E為中砂，類型F為粗砂。根據(jù)規(guī)范中有關(guān)基準(zhǔn)組B區(qū)砂級配上、下限范圍，除類型F級配超出范圍外，其他類型均符合B區(qū)砂的級配要求。另外，類型B、類型D的級配與瀝青混合料的間斷級配相似，分別具有“倒S型”“S型”級配特征，前者有利于形成骨架結(jié)構(gòu)，后者有利于形成懸浮結(jié)構(gòu)；類型C屬于連續(xù)級配；類型A、E、F可以歸結(jié)為不良級配?；炷僚浜媳仍O(shè)計參數(shù)見表4。

表4 C50機(jī)制砂混凝土配合比

2 結(jié)果及分析

2.1 機(jī)制砂級配對混凝土性能的影響

C50機(jī)制砂混凝土工作性能各項指標(biāo)測試結(jié)果如表5及圖2所示。由于類型A、E、F機(jī)制砂均屬于不良級配，其所配制的自密實混凝土工作性能比較差。其中，類型A的級配中大于1.18mm顆粒組分含量過少、小于1.18mm顆粒組分含量過多，所配制的混凝土較黏，和易性較差，但保水性比較好；而類型E、F的級配中大于1.18mm顆粒組分含量過多，小于1.18mm顆粒組分含量過少，1.18mm篩檔含量均大于45%，所配制的自密實混凝土表現(xiàn)出離析、泌水、骨料堆積、和易性差等問題。因此，對于機(jī)制砂選取，不同組分含量過多或過少，都會導(dǎo)致混凝土工作性能變差。當(dāng)大于1.18mm顆粒組分含量過多時，混凝土出現(xiàn)泌水，骨料堆積出現(xiàn)離析；當(dāng)小于1.18mm顆粒組分含量過多時，混凝土變得較為黏稠，難以澆筑。

相比之下，類型B、C、D的級配優(yōu)于類型A、E、F，其大于1.18mm顆粒組分、小于1.18mm顆粒組分的含量比例保持在1:2左右，所配制的混凝土工作性能明顯更好，充分發(fā)揮出大于1.18mm顆粒組分在整個混凝土中使混凝土集料間更連續(xù)的作用。

另外，在類型B、C、D中，其大于1.18mm顆粒組分的顆粒組成比例有所改變，特別是類型D缺少粒徑2.36mm以上的顆粒，其相應(yīng)自密實混凝土的坍落度、擴(kuò)展度都小于類型B和類型C。因此，兩種組分含量多少及大于1.18mm顆粒組分顆粒間的組成比例，即機(jī)制砂顆粒級配及其顆粒間連續(xù)程度，是決定混凝土工作性能優(yōu)劣的重要因素。

表5 不同級配機(jī)制砂混凝土工作性能

圖2 級配對混凝土塌落度及流動度的影響

7d、28d齡期抗壓強(qiáng)度如圖3所示，在原材料配合比相同的情況下，由于機(jī)制砂顆粒級配不同，所配制的混凝土強(qiáng)度具有明顯差異。其中：①對于機(jī)制砂不良級配類型A、E、F，其所配制的混凝土強(qiáng)度均較低；②雖然類型B、C、D級配符合規(guī)范要求，但由于類型D大于1.18mm顆粒組分中2.36mm、4.75mm篩檔顆粒嚴(yán)重缺失，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度明顯偏低，其7d、28d強(qiáng)度比類型B降低8.8MPa、8.3MPa；而類型B、C大于1.18mm顆粒組分中含有2.36mm、4.75mm篩檔顆粒且按一定比例組成，其所配制的混凝土強(qiáng)度明顯提高，其中類型B的顆粒組成偏于骨架結(jié)構(gòu)，其對應(yīng)混凝土強(qiáng)度最高。因此，機(jī)制砂顆粒級配是影響混凝土強(qiáng)度的一個不容忽視的因素，且機(jī)制砂大于1.18mm顆粒組分的含量大小及顆粒間組成比例是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素。

圖3 級配對混凝土強(qiáng)度的影響

由試驗結(jié)果可知，細(xì)度模數(shù)僅是表征砂的粗細(xì)程度的宏觀指標(biāo)，無法反映顆粒級配的真實情況，不能作為判斷砂品質(zhì)好壞的衡量指標(biāo)。顆粒級配才是機(jī)制砂品質(zhì)好壞的內(nèi)在決定因素，對混凝土強(qiáng)度及工作性能影響效果顯著，生產(chǎn)時應(yīng)得到嚴(yán)格控制，并使顆粒級配曲線具有骨架密實特征。

以1.18mm篩孔為分界點，將機(jī)制砂顆粒組成分成兩個組分。大于1.18mm顆粒組分主要影響混凝土的泌水性，小于1.18mm顆粒組分主要影響混凝土的保水性及黏聚性。為保證混凝土具有良好的工作性能，應(yīng)使大于1.18mm顆粒和小于1.18mm顆粒組分的含量比例保持在1:2左右，并有效控制大于1.18mm顆粒組分顆粒組成比例。

2.2 機(jī)制砂砂率對混凝土性能的影響

砂漿在新拌混凝土中起到潤滑作用，砂漿數(shù)量的提高(砂率的提高)對提高混凝土的流動性有利。在機(jī)制砂高性能混凝土中，機(jī)制砂的比表面積大、吸水量較大，砂率的增加也對流動性的提高有一定的負(fù)面影響，特別是機(jī)制砂中的石粉含量大，提高砂率后對流動性的負(fù)面影響更明顯。實驗選用了幾種不同砂率，在相同水灰比條件下，分析了砂率對混凝土工作性能和強(qiáng)度的影響。試驗結(jié)果見表6。

表6 不同砂率對機(jī)制砂混凝土性能的影響

由于機(jī)制砂表面粗糙，棱角多，且石粉含量普遍較高，從而導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土和易性較易出現(xiàn)極端情況。砂率稍小，就容易出現(xiàn)離析泌水現(xiàn)象，砂率偏大，則表現(xiàn)為粘性過大，流動性顯著降低，因此，砂率的選取對于機(jī)制砂混凝土的重要性，相比河砂混凝土，顯得尤為重要。實驗選取砂率范圍36%～45%進(jìn)行了試配，C50高性能混凝土砂率在39%～42%時和易性最佳。由圖4和圖5可知，隨砂率增加，混凝土的塌落度基本不變，擴(kuò)展度不斷減小，強(qiáng)度顯著增加。因此，在保證混凝土拌和物黏聚性和保水性良好的前提下，建議混凝土中機(jī)制砂的砂率范圍為39%～42%。

圖4 砂率對混凝土塌落度及流動度的影響

圖5 砂率對混凝土強(qiáng)度的影響

2.3 機(jī)制砂石粉含量對混凝土性能的影響

適量的石粉能有效改善混凝土的各項性能，而過多的石粉含量會對混凝土性能產(chǎn)生不利的影響。因此，本文設(shè)計了0%～20%的石粉摻量，研究了石粉含量對混凝土和易性和力學(xué)性能的影響。試驗結(jié)果如表7所示。

由圖6可知，隨機(jī)制砂中石粉含量從0%增加到20%，機(jī)制砂混凝土的和易性發(fā)生了顯著變化，坍落度和擴(kuò)展度都經(jīng)歷了一個先增加后減小的趨勢。機(jī)制砂混凝土的坍落度和擴(kuò)展度在石粉含量達(dá)到12%左右時達(dá)到最大值，分別為262mm和570mm，隨后減小，當(dāng)石粉含量為20%時，已低于石粉含量為0時的水平。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，石粉含量達(dá)20%時的混凝土已十分粘稠，和易性大幅度下降。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能在于：機(jī)制砂顆粒之間的空隙被適量的石粉填充之后，混凝土和易性最佳，但隨著石粉含量的繼續(xù)增加，超出了機(jī)制砂顆粒的吸附能力，多余的石粉分散在骨料顆粒之間，吸收水分使?jié){體變得黏稠，破壞了石粉顆粒的微滾珠效應(yīng)，混凝土和易性下降，且石粉含量超出最佳含量越多，降低越明顯。

由圖7可知，隨機(jī)制砂中石粉含量從0%增加到20%，機(jī)制砂混凝土的7d和28d強(qiáng)度均有增長的趨勢，分別增長了5.7MPa和3.4MPa。石粉的摻入能起到微孔填充作用，填充機(jī)制砂之間的孔隙，進(jìn)而細(xì)化水泥混凝土的毛細(xì)孔，減小混凝土的孔隙率，改善混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，因此機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度隨石粉含量的增大而增加。但石粉含量過高時，會打破混凝土的密實狀態(tài)，降低混凝土強(qiáng)度。

圖6 石粉含量對混凝土塌落度及流動度的影響

圖7 石粉含量對混凝土強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

基于上述試驗結(jié)果及分析，本文得到如下結(jié)論：

1）機(jī)制砂混凝土容易出現(xiàn)離析、泌水等不良工作性能，其原因在于機(jī)制砂本身級配不合理，出現(xiàn)小于1.18mm的顆粒過少的情況。

2）在配制混凝土過程中，可通過調(diào)節(jié)機(jī)制砂中大于1.18mm和小于1.18mm顆粒的比例改善機(jī)制砂混凝土的級配，提高其保水性和黏聚性，保證混凝土強(qiáng)度。

3）在配制高性能混凝土?xí)r，機(jī)制砂砂率過低會出現(xiàn)離析泌水等現(xiàn)象，而砂率過高會顯著影響混凝土拌合物的流動性，砂率在39%～42%范圍內(nèi)時，混凝土工作性能和力學(xué)性能良好。

4）石粉可發(fā)揮微珠效應(yīng)，在一定程度上改善機(jī)制砂混凝土工作性能和力學(xué)性能，但過高的石粉含量會打破混凝土密實狀態(tài)，產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。