溫宏平

(山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 太原 030619)

0 前 言

目前，混凝土的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在混凝土比例中，細(xì)集料天然砂的比例占到25%～35%，天然砂以河砂為主，許多地方天然砂的用量得到控制，在新形勢(shì)下采用低碳產(chǎn)品機(jī)制砂在工程中替代天然砂。在國(guó)內(nèi)外一些水泥混凝土工程中根據(jù)就近取材，就地取材的原則，適時(shí)地建立破碎廠現(xiàn)場(chǎng)破碎制備機(jī)制砂，節(jié)能環(huán)保，但機(jī)制砂中石粉含較大、顆粒大小不穩(wěn)，尤其在配置C30以上的混凝土工程應(yīng)用中，出現(xiàn)工作波動(dòng)大，導(dǎo)致施工質(zhì)量難以控制，如混凝土收縮和徐變問(wèn)題很嚴(yán)重，石粉含量的增加使得混凝土與鋼筋的與鋼筋的握裹力減小，預(yù)應(yīng)力張拉損失嚴(yán)重，外觀質(zhì)量出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷等問(wèn)題。因此，深入研究機(jī)制砂混凝土施工質(zhì)量波動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)顯得尤為重要[1-3]。

本文研究機(jī)制砂混凝土中石粉含量波動(dòng)、顆粒細(xì)度模數(shù)、漿體流變性及觸變性等技術(shù)指標(biāo)的波動(dòng)性調(diào)試機(jī)制砂混凝土施工工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

1)水泥：P·O 42.5 級(jí)，指標(biāo)見(jiàn)表 1。

表1 性能指標(biāo)

2)水：滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的飲用水。

3)石粉：亞甲藍(lán)值0.65%，表觀密度為2.467 kg/m3。

4)機(jī)制砂：亞甲藍(lán)值5.2%，表觀密度為2.325 kg/m3。

5)碎石：粒徑 4.75～26.5 mm,技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表 2。

表2 粗骨料技術(shù)指標(biāo)

1.2 儀器設(shè)備

1)標(biāo)準(zhǔn)篩：4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm。

2)電子天平：精度0.1 g。

3)搗棒：直徑10 mm,長(zhǎng)350 mm銅棒。

4)激光粒度儀：型號(hào)Winner802，測(cè)試范圍1～10 000 nm，精度誤差≤1%。

5)比表面積：FBT-9，測(cè)量精度<1%。

6)流變儀：MCR102，法向力±0.01～±50 N，分辨率 ≤1 mN。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)制砂性能測(cè)試

選取試驗(yàn)用機(jī)制砂兩份，進(jìn)行級(jí)配試驗(yàn)性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 級(jí)配試驗(yàn)

級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。圖1中給出了《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)機(jī)制砂Ⅱ區(qū)級(jí)配上下限。由圖1可知：機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)2.7，粒形圓潤(rùn)，級(jí)配連續(xù)，級(jí)配曲線接近中線值屬于中砂；另外選取試驗(yàn)用石粉進(jìn)行負(fù)壓篩分試驗(yàn)，得出0.075 mm以上的顆粒達(dá)到10.5%，因此，石粉中有少量機(jī)制砂。

圖1 機(jī)制砂級(jí)配曲線

2.2 石粉的粒度分布測(cè)試[4-5]

水泥粉表示為S，石粉表示為G，將機(jī)制砂分別過(guò)0.075 mm篩，按照3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%等量替代水泥，組成石粉-水泥復(fù)合體系，對(duì)應(yīng)表示為G3、G5、G7、G9、G11、G13、G15，采用激光粒度測(cè)試復(fù)合體系的粒度分布值。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)以顆粒的直徑為橫坐標(biāo)，累積通過(guò)率為縱坐標(biāo)作圖，把FulleL曲線與水泥、石粉及復(fù)合體系的分布繪制在一起，結(jié)果如圖2。

圖2 水泥、G石粉及復(fù)合體系與理想FulleL曲線的累積分布

從圖2可以看出，發(fā)現(xiàn)水泥粉體的粒度分布較為理想,堆積密度較大；另外，水泥、石粉及不同比例復(fù)合體系的粒度分布與最緊密堆積FulleL曲線有存在一些差異,發(fā)現(xiàn)較細(xì)顆粒含量偏少,較粗顆粒偏多，粒徑分布不均勻，因此，利用FulleL方程進(jìn)一步計(jì)算粒度分布,可以看出最大粒徑為192 um，計(jì)算出各個(gè)曲線與中間粒徑比例的交點(diǎn)值，結(jié)果見(jiàn)表4，在G9的位置出現(xiàn)拐點(diǎn)，粒徑值為4.91。

表3 G累計(jì)分布曲線與FulleL曲線的交點(diǎn)坐標(biāo)

據(jù)研究發(fā)現(xiàn)水泥粉體符合LLSB特性方程式[5]：

L(d)=100exp[-(d/de)n]

(1)

式中，L(d)為累積篩余百分?jǐn)?shù)，%；de為累積篩余36.8%時(shí)粒徑，de越小顆粒群越細(xì)；n為均勻性系數(shù)，n值越小顆粒分布越廣大小越不均勻。

對(duì)式(1)進(jìn)行取對(duì)數(shù)后轉(zhuǎn)化為：

lnln(100/L(d))=nln(d/de)=nln(d)+b

(2)

以In(d)為橫坐標(biāo)、ln(ln(100/L(d)))為縱坐標(biāo),利用oLigin軟件進(jìn)行LLSB擬合,來(lái)描述粉體粒度分布的寬窄程度，結(jié)果見(jiàn)表5。其中L2表示相關(guān)系數(shù)的平方。

表5 G和復(fù)合體系粉體的LLSB擬合參數(shù)

由表5可知，水泥粉、石粉及水泥-石粉復(fù)合體系均符合LLSB分布,水泥粉的n值均小于石粉及水泥-石粉復(fù)合體系，粒度分布較寬,在原始粒度分布上也可看出水泥粉在0～1.5 μm的顆粒含量比石粉及混合體系多，因此，分布比較寬；隨著石粉摻量增加，相關(guān)性逐漸增加，摻量為9%時(shí)，n值為0.957 6，de為21.02，線性相關(guān)性為0.996 8，線性相關(guān)性的值最大，整體均勻性最好；當(dāng)石粉摻量超過(guò)11%以后，各項(xiàng)指標(biāo)均開(kāi)始下降，顆粒分布不均勻，整體性開(kāi)始變差。

2.3 機(jī)制砂級(jí)配確定

根據(jù)機(jī)制砂顆粒分布不均勻等特征，選擇最大粒徑為4.75 mm和2.36 mm兩種規(guī)格的混合料，配置石粉用量為5%、9%、11%、15%四種粉體測(cè)試其細(xì)度模數(shù)、壓碎值、比表面積及亞甲藍(lán)等物理指標(biāo)[6]，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 混合料粉體的物理指標(biāo)

從表6中可以看出最大粒徑為4.75 mm混合料對(duì)顆粒細(xì)度模數(shù)變化從3.08降到2.77，波動(dòng)大，最大粒徑為2.36 mm的混合物細(xì)度模數(shù)在2.74～2.89，細(xì)度模數(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)變化不大，因此，在選擇機(jī)制砂時(shí)需要控制石粉的最大粒徑；進(jìn)一步測(cè)試混合料的亞甲藍(lán)MBV值從1.0增加到1.2，說(shuō)明在混合料中有機(jī)質(zhì)石粉顆粒主要受石粉的影響；通過(guò)壓碎值試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果為19.2%，比表面積為410 m2/kg，其數(shù)據(jù)滿足《建設(shè)用砂》(GB T 14684—2011)中Ⅰ砂的要求；因此，石粉含量控制在9%左右效果較好。

2.4 不同石粉含量對(duì)水泥-石粉體系漿體流變性影響[9]

機(jī)制砂除去0.075 mm以下的顆粒，水灰比用0.36、0.38、0.40、0.42四種比例，采用流變儀測(cè)定石粉摻量為3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%取代水泥制備凈漿的粘度值見(jiàn)圖3，屈服應(yīng)力如圖4所示。

圖3 粘度的變化趨勢(shì)

圖4 屈服強(qiáng)度的變化趨勢(shì)

從圖3可以看出，隨著水灰比增加，粘度降低，當(dāng)水灰比超過(guò)0.40后，石粉對(duì)粘度影響不大；圖中還可以發(fā)現(xiàn)水灰比小于0.38時(shí)，石粉摻量從5%到9%的粘度下降劇烈；超過(guò) 9%下降平緩，因此摻量為0.36時(shí)，隨著石粉摻量增加其粘度出現(xiàn)先顯著降低后逐步穩(wěn)定的特征；水灰比為0.38和0.40時(shí)，整體粘度波動(dòng)不大，在摻量為9%時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其流變性能最好；水灰比為0.42時(shí)，最佳摻量為7%；根據(jù)最優(yōu)石粉用量確定水灰比的關(guān)系為：0.38≈0.40>0.42>0.36。

從圖4屈服強(qiáng)度的變化趨勢(shì)圖可以看出，隨著水灰比變化，屈服應(yīng)力先增大后減小，粘度的變化趨勢(shì)正好相反，屈服應(yīng)力最大的水灰比是0.40，超過(guò)0.40后屈服應(yīng)力變小，這是由于自由水增多導(dǎo)致顆粒間距離增大，那么顆粒間的作用力即屈服應(yīng)力變小；但水灰比為0.42屈服應(yīng)力比0.38還是高得多，結(jié)合屈服應(yīng)力與粘度現(xiàn)象，選擇流動(dòng)性好、穩(wěn)定性高、屈服應(yīng)力小、粘度大的最佳水灰比應(yīng)為0.40。

2.5 機(jī)制砂混凝土初始配合比

按照《普通混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程》(JG J55—2011)要求配置坍落度為180～220 mm的C40機(jī)制砂混凝土[7-8]，基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表7，采用0、5%、9%、11%、15%四個(gè)石粉含量替代部分水泥用量進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)，測(cè)試0 h、1 h、2 h坍落度和擴(kuò)展度。

表7 基準(zhǔn)配合比 單位：kg/m3

初始坍落度見(jiàn)圖5～6。從圖5和圖6對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不加石粉的混凝土和易性不好，有泌水現(xiàn)象，混合料離析嚴(yán)重，這是因?yàn)槿鄙偌?xì)骨料，粗集料的包裹性差而出現(xiàn)的不良現(xiàn)象。從表7及圖5～6進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，石粉摻量增加后上述現(xiàn)象得到改善，當(dāng)石粉摻量為9%時(shí)，坍落度為195 mm,擴(kuò)展度為378 mm,整體效果最好；超過(guò)9%后，效果變差，說(shuō)明石粉含量高，表面粗糙度，吸水能力強(qiáng)，導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土需水量增加，因此粘稠度變大，流動(dòng)性能變差。

圖5 無(wú)G粉機(jī)制砂混凝土初始坍落度

圖6 加G粉機(jī)制砂混凝土初始坍落度

經(jīng)時(shí)損失見(jiàn)表8，根據(jù)表8的結(jié)果發(fā)現(xiàn)在1 h和2 h后，不同石粉摻量的經(jīng)時(shí)損失也存在相似的現(xiàn)象，尤其在2 h的時(shí)候混凝土整體失去工作性能，流動(dòng)度幾乎不變，擴(kuò)展度變?yōu)榱恪?/p>

表8 混凝土坍落度及擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失

2.6 微觀結(jié)構(gòu)氣泡間隙率影響

為觀察砂漿的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，采用硬化后混凝土氣泡間隙測(cè)定儀對(duì)砂漿試試件表面的情況進(jìn)行測(cè)試，選取樣品中水灰比應(yīng)為0.38,0.40，0.42三種樣品，微觀結(jié)果測(cè)試如圖7～9所示。

圖7 水灰比0.38試樣微觀圖

圖8 水灰比0.40試樣微觀圖

圖9 水灰比0.42試樣微觀圖

從圖7～9中可以看出，水灰比為0.38和0.42試樣在進(jìn)行試驗(yàn)后的樣品中空隙較多，樣品進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，0.40空隙較小，同時(shí)發(fā)現(xiàn)試樣破壞后出現(xiàn)粘結(jié)磨損，因而效果較好，從微觀結(jié)構(gòu)分析中進(jìn)一步說(shuō)明水灰比為0.40時(shí)效果明顯，強(qiáng)度最好。

2.7 機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)

采用混凝土性能試驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)所確定的機(jī)制砂含量、水灰比用量、吸水樹(shù)脂摻量的性能，混凝土配合比/kg，C(水泥)∶S(砂子)∶G(石子)=1∶1.68∶2.62，水膠比為0.40，石粉摻量為9%新拌和混凝土工作性，得出混凝土拌合物的初始流動(dòng)性很好，沒(méi)有離析泌水現(xiàn)象，含沙量好，棍度為中，初始坍落度為190 mm；放置1 h后其坍落度為170 mm,坍落度損失小，整體來(lái)說(shuō)工作性良好。新拌混凝土料制作標(biāo)準(zhǔn)試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)測(cè)試3，7，28 d強(qiáng)度，結(jié)果如表9所示。

表9 不同齡期的強(qiáng)度值

通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可以看出，3 d強(qiáng)度為22.4 MPa；隨著齡期的增加，7 d強(qiáng)度為30.5 MPa；28 d的強(qiáng)度為41.5 MPa，整體來(lái)說(shuō)早期強(qiáng)度較低，但滿足C40混凝土強(qiáng)度要求。

3 結(jié) 論

1)機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)控制在2.7，石粉摻量為9%，MBV值為1.0～1.2，壓碎值為19.2%，符合混凝土中細(xì)集料的技術(shù)要求。

2)對(duì)于不同含量的石粉-水泥復(fù)合體系進(jìn)行粒度分布測(cè)試以及利用oLigin軟件進(jìn)行LLSB擬合的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，石粉及混合體系在0～1.5 um的顆粒含量多；另外當(dāng)石粉摻量為9%時(shí)，n值為0.957 6，de為21.02，線性相關(guān)性為0.996 8，整體均勻性最好。

3)通過(guò)配置不同石粉比例機(jī)制砂的混凝土檢測(cè)其坍落

度和擴(kuò)展度及經(jīng)時(shí)損失后發(fā)現(xiàn)，石粉摻量為9%時(shí)，機(jī)制砂混凝土工作性最好；進(jìn)一步采用流變儀測(cè)定其石粉水泥凈漿的粘度值與屈服應(yīng)力得出石粉摻量為9%，水灰比為0.40時(shí)，混凝土的流動(dòng)性好、穩(wěn)定性高、屈服應(yīng)力小、粘度大，整體效果最佳。

4)通過(guò)混凝土配合比，C(水泥)∶S(砂子)∶G(石子)=1∶1.68∶2.62，水膠比為0.40，石粉用量為9%，測(cè)定28 d強(qiáng)度為45.2 MPa，發(fā)現(xiàn)該機(jī)制砂能夠滿足C40混凝土強(qiáng)度要求。

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