李衛(wèi)超，唐文亮，黃 平，張康財（.中電建安徽長九新材料股份有限公司，安徽 池州 4700；.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 40004）

目前，我國商品混凝土中主要使用天然砂，但天然砂已經(jīng)不能滿足市場的需求[1]。同時，機制砂應(yīng)用在商品混凝土的技術(shù)不完善、不成熟，機制砂混凝土尚未大規(guī)模應(yīng)用[2-3]。當(dāng)前形勢下，研發(fā)、生產(chǎn)機制砂有利于滿足我國建設(shè)用砂石料的巨大需求，為長江保護提供有力保障；同時對促進我國砂石集料生產(chǎn)設(shè)備和商品混凝土技術(shù)發(fā)展有著非常重要的作用[4]。

1 項目簡介

中電建安徽長九神山灰?guī)r礦項目（以下簡稱長九項目）包含礦山、廊道、碼頭 3 大工程。按照 7 000 萬 t/a 生產(chǎn)規(guī)模建立建筑集料生產(chǎn)線，礦區(qū)加工的建筑集料通過長距離帶式輸送機輸送至長江牛頭山專用碼頭。

礦石自然類型主要分為泥晶灰?guī)r、微晶泥晶灰?guī)r，飽和抗壓強度平均值為 64.9 MPa，礦石吸水率屬于較易吸附型[5]。系統(tǒng)采取干法生產(chǎn)，兩段一閉路破碎篩分、成品砂整形的工藝流程，生產(chǎn) 31.5～4.75 mm 的級配建筑集料及＜4.75 mm 機制砂，成品率約 98.5%。長九項目產(chǎn)品見表1。

表1 長九項目產(chǎn)品表

2 原材料性能

試驗材料選用江蘇海門海螺 P·II 52.5 水泥；上海寶鋼 II級 C 類粉煤灰[6]、S 95 級礦渣粉；江蘇博特 PCA-I 型聚羧酸高性能減水劑；江西贛江優(yōu)質(zhì)天然砂、長九神山灰?guī)r礦項目的高品質(zhì)機制砂、碎石。

2.1 細集料

細集料分為天然砂、混合砂（由細度模數(shù) 3.4 的機制砂與細度模數(shù) 2.0 的天然細砂按 5∶5 質(zhì)量比例混合而成）、機制砂 5%（干篩 0.075 mm 以下的顆粒含量為 5%）、機制砂 7% （干篩 0.075 mm 以下的顆粒含量為 7%）、機制砂 10%（干篩 0.075 mm 以下的顆粒含量為 10%）、機制砂 12%（干篩 0.075 mm 以下的顆粒含量為 12%）、機制砂 15%（干篩 0.075 mm 以下的顆粒含量為 15%），共計7 種規(guī)格，主要物理力學(xué)性能見表2，顆粒級配見表3。

表2 細集料主要物理力學(xué)性能

表3 細集料顆粒級配

從表2 、表3 可以看出，各品種細集料均能滿足 2 區(qū)中砂的級配要求。隨著機制砂中的石粉含量增加，亞甲藍 MB值逐漸增大；機制砂 10%、機制砂 12% 和機制砂 15% 的亞甲藍值（MB）＞1.4 g/kg。

2.2 粗集料

粗集料主要物理力學(xué)性能見表4。

表4 粗集料主要物理力學(xué)性能

2.3 石 粉

篩除 0.075 mm 以上部分顆粒，用勃氏比表面積儀測得的比表面積為 336 m2/kg，亞甲藍值（MB）為 4.0 g/kg，用激光粒度儀測得的粒度分布結(jié)果見圖1。

從石粉的粒度分析可以看出，石粉的粒徑分布在 1～23 μm 不等，中位徑在 9 μm，顆粒大小與粉煤灰接近。

圖1 石粉粒度分布結(jié)果

3 水膠比選擇試驗

3.1 混凝土配合比選定

諸多研究表明，隨著石粉含量的增加，最佳砂率呈逐漸下降趨勢[7-8]，天然砂砂率最高，機制砂 5% 再次之，15% 機制砂最佳砂率最低。在保持水膠比不變的情況下，在下列水膠比試驗中，采用三級配石子（連續(xù)粒級碎石，由5～10 mm 碎石：10～20 mm 碎石：16～31.5 mm 碎石按30∶40∶30 質(zhì)量比例配制而成）、P·II 52.5 水泥配制，得到試驗配合比見表5～表7。

表5 水膠比 0.30 時選擇試驗配合比（7 組）

表6 水膠比 0.35 時選擇試驗配合比（7 組）

表7 水膠比 0.45 時選擇試驗配合比（7 組）

3.2 試驗結(jié)果和分析

根據(jù)表5～表7 配合比，配制相應(yīng)的混凝土，得到混凝土拌合物性能和抗壓強度結(jié)果見表8～表10。

表8 水膠比 0.30 時試驗結(jié)果

從表8 可看出，在低水膠比情況下，混凝土在大流動度時和易性好、含氣量低，但是混凝土比較黏，在 15% 石粉含量混凝土?xí)r尤為明顯；從 3 d、7 d、28 d 抗壓強度數(shù)據(jù)可看出，強度發(fā)展良好，28 d 抗壓強度普遍在 62.7～69.5 MPa。

表9 水膠比 0.35 時試驗結(jié)果

從表9 和可看出，0.35 水膠比混凝土和易性良好，強度發(fā)展趨勢與 0.30 水膠比混凝土發(fā)展趨勢基本一致。

表10 水膠比 0.45 時選擇試驗結(jié)果

從表10 可看出，減水劑摻量調(diào)整到位的情況下，混凝土流動性可以得到很好的保證，使用機制砂做細集料時減水劑摻量不足易導(dǎo)致坍落度損失過快。

在保證混凝土工作性情況下，0.35 水膠比條件下 28 d強度滿足 C 50 混凝土抗壓強度要求。初步選定此水膠比進行混凝土性能試驗。

4 混凝土性能試驗

4.1 混凝土性能試驗配合比

鑒于水膠比試驗時原減水劑沒有考慮保坍需求，混凝土坍落度損失較大，現(xiàn)增加保坍型組分[9-10]，以減水劑∶保坍組分∶水=1 000∶160∶50 比例進行配制，得到的復(fù)合型減水劑 PCA， 進行以下混凝土性能試驗[11]。配合比見表11。

表11 C 50 混凝土性能試驗配合比（7 組）

4.2 混凝土拌合物性能

混凝土拌合物性能試驗包括坍落度、坍落擴展度、含氣量的初始值和 1 h 經(jīng)時損失，泌水率，壓力泌水率，以及混凝土的初、終凝時間，具體結(jié)果見表12。

表12 C 50 混凝土拌合物性能結(jié)果

從表12 可看出，使用復(fù)合型減水劑后，混凝土保坍效果得到明顯改善，1 h 坍落度和擴展度損失不明顯；石粉增加了機制砂混凝土拌合物的黏聚性和保水性，改善離析泌水現(xiàn)象。與混凝土初始含氣量相比，部分配合比的混凝土 1 h含氣量增加，部分減小，但含氣量經(jīng)時變化總體較小，均未超過 1.5%。

天然砂混凝土的初、終凝時間最長，混合砂混凝土次之，機制砂混凝土凝結(jié)時間最短，不同石粉含量的機制砂混凝土凝結(jié)時間差別不大。

4.3 混凝土力學(xué)性能

4.3.1 混凝土抗壓強度

圖2 為 C 50 混凝土樣品 3 d、7 d、28 d 性能試驗的抗壓強度。從圖2可看出，不同石粉含量機制砂混凝土各齡期強度與天然砂、混合砂混凝土各齡期強度基本接近，可以說試驗所用機制砂中的石粉及其含量對抗壓強度無明顯影響。在機制砂混凝土體系中，灰?guī)r礦石粉中的石灰石顆粒有利于早期強度的發(fā)展；石粉在一定程度上改善了機制砂的堆積密度，起到了很好的填充作用，增加了漿體和界面過渡區(qū)的密實度，提高了混凝土的強度。

圖2 混凝土抗壓強度

4.3.2 混凝土抗折強度

圖3 為 C 50 混凝土樣品 3 d、7 d、28 d 性能試驗的抗折強度，由圖3 可得，不同石粉含量機制砂混凝土抗折強度與天然砂和混合砂混凝土抗折強度值相當(dāng)。

圖3 混凝土抗折強度

4.3.3 混凝土劈拉強度

圖4 為 C 50 混凝土樣品 3 d、7 d、28 d 性能試驗的劈拉強度。由圖4 可得，不同石粉含量機制砂配制的混凝土28 d 劈拉強度與天然砂和混合砂配制的混凝土劈拉強度值基本一致。

圖4 混凝土劈拉強度

4.3.4 混凝土抗拉性能

對 C 50 混凝土分別進行抗拉性能試驗，包括軸拉強度、極限拉伸值、抗拉彈性模量。28 d 軸拉強度和抗拉彈模結(jié)果見圖5。

圖5 混凝土 28 d 抗拉性能

從圖5 可得，不同石粉含量機制砂配制的混凝土 28 d劈拉強度與天然砂和混合砂配制的混凝土軸拉強度和抗拉彈性模量值相近。

4.3.5 混凝土靜力受壓彈性模量

圖6 為混凝土試驗樣品 28 d 靜力受壓彈性模量。

圖6 混凝土 28 d 靜力受壓彈性模量

總體而言，混凝土靜力受壓彈性模量與抗壓強度相關(guān)?；炷量估瓘椥阅Ａ亢挽o力受壓彈性模量結(jié)果對比見圖7。

圖7 混凝土 28 d 彈性模量對比

從圖7 可看出，使用不同細集料配制同強度等級混凝土?xí)r，靜力受壓彈性模量和抗拉彈性模量有一定差別，靜力受壓彈性模量要略高于抗拉彈性模量。

4.4 混凝土耐久性能

不同配合比混凝土的 28 d 抗?jié)B性能、抗凍性能、收縮等見表13。

表13 混凝土耐久性能試驗結(jié)果

從表13 可看出，經(jīng)過 100 次凍融循環(huán)后，各組混凝土的相對動彈模都略有下降，但都＞90%，機制砂混凝土的抗凍性與天然砂混凝土相近?；炷恋目箖鲂灾饕Q于混凝土的含氣量、氣泡質(zhì)量以及孔隙的水飽和度，與采用機制砂還是天然砂不具相關(guān)性。

同強度等級的混凝土，用天然砂配制的混凝土收縮最小，機制砂配制的混凝土收縮較大，但不同石粉含量機制砂混凝土的收縮值差別不大。原因可能是細粉含量偏高，吸附了大量的游離水，在混凝土內(nèi)部相對濕度降低時導(dǎo)致混凝土的收縮增加。

5 經(jīng)濟性分析

根據(jù)現(xiàn)階段原材料的市場價格，P·II 52.5 水泥 500 元/t，C 類 Ⅱ 級粉煤灰 160 元/t，S 95 礦粉 340 元/t，天然砂（淡化海砂）120 元/t，機制砂 80 元/t，（5～25）mm 石子 100 元/t，（5～31.5）mm 石子 100 元/t，復(fù)合型保坍減水劑 3 600 元/t，拌合用水使用自來水，約 5 元/t，石粉按零成本計算。選取 C 50 混凝土的若干個有代表性配合比進行成本計算，分析對比中電建長九神山灰?guī)r礦機制砂混凝土的經(jīng)濟性。相應(yīng)混凝土成本見表14。

表14 C 50 配合比混凝土成本

在機制砂價格 ≤80 元/t 時，對于 C 50 混凝土而言，機制砂混凝土成本明顯低于天然砂混凝土和混合砂混凝土，降低 20 元/m3以上，成本優(yōu)勢明顯。綜合以上經(jīng)濟性分析可以看出，機制砂混凝土成本優(yōu)勢明顯。

6 結(jié) 語

(1) 試驗選用的天然砂、水泥、粉煤灰、礦粉等滿足相關(guān)標準要求。長九項目機制砂相關(guān)技術(shù)指標滿足優(yōu)級品技術(shù)要求，顆粒粒型飽滿少棱角，粒型、級配接近天然砂。

(2) 在低水膠比情況下，混凝土在大流動度時和易性好、含氣量低，但是混凝土比較黏，在 15% 石粉含量混凝土?xí)r尤為明顯，且漿料多、石子顯少。在使用三級配石子時，0.35 水膠比混凝土和易性良好，強度發(fā)展趨勢與 0.30水膠比混凝土發(fā)展趨勢基本一致。在保證混凝土工作性的情況下，選定水膠比為 0.35 進行混凝土性能試驗可靠。

(3) 與天然砂混凝土相比，長九項目機制砂混凝土的初、終凝時間明顯縮短，但不同石粉含量的機制砂混凝土初、終凝時間差別不大。

(4) 長九項目機制砂混凝土的抗壓強度、抗折強度、劈拉強度與天然砂混凝土、混合砂混凝土的強度相當(dāng)；靜力受壓彈性模量和抗拉彈模與天然砂混凝土、混合砂混凝土沒有明顯差異；抗?jié)B性能、抗凍性能與天然砂混凝土基本相同，但機制砂混凝土的 28 d 收縮值較天然砂混凝土略大。

(5) 長九項目機制砂配制 C 50 混凝土可降低成本 20 元/m3以上。成本優(yōu)勢明顯。