不同石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響

宋德明 宋業(yè)政 張存暖

（山東臨沂水利工程總公司 276006）

隨著河砂資源的日益減少，機(jī)制砂的使用迫在眉睫。實(shí)踐表明：使用粒形良好、級(jí)配合理、潔凈耐久的機(jī)制砂，可以增加混凝土的密實(shí)度、提高混凝土的強(qiáng)度、改善耐久性。但是，機(jī)制砂的石粉含量以多少為宜？《水工混凝土施工規(guī)范》中規(guī)定機(jī)制砂的石粉含量為6%～18%，不同石粉含量對(duì)混凝土的性能影響如何？帶著這些問題，我們對(duì)機(jī)制砂進(jìn)行了混凝土性能對(duì)比試驗(yàn)。

1 機(jī)制砂的顆粒級(jí)配特征

機(jī)制砂是利用細(xì)碎石子軋制、篩分制得的。篩分小于0.160mm的為石粉。圖1顯示了6%～18%石粉含量的機(jī)制砂的篩分曲線，可以看出，曲線大部分落在II區(qū)范圍內(nèi)，僅石粉段超出，這符合石粉含量較多的機(jī)制砂篩分曲線的一般規(guī)律。機(jī)制砂可用級(jí)配范圍的細(xì)度模數(shù)為2.81～3.89，適宜級(jí)配范圍的細(xì)度模數(shù)為2.34～3.19。

圖1 不同石粉含量機(jī)制砂篩分曲線

2 不同石粉含量的混凝土性能試驗(yàn)

2.1 拌和物性能

由表1的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，三種不同石粉含量的混凝土坍落度和含氣量以及凝結(jié)時(shí)間沒有大的改變，均滿足要求。隨著石粉含量的增加，坍落度和含氣量略為變小，但是拌和物的密度有增大之趨勢(shì)，說明石粉能增加混凝土的密實(shí)性。

表1 拌和物性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 物理力學(xué)性能

2.2.1 抗壓性能

圖2 不同石粉含量的機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度增長曲線

a.由圖2可以看出，石粉含量高的混凝土3天、7天、28天和90天強(qiáng)度均略低于石粉含量低的混凝土，但差別不大。強(qiáng)度增長曲線特征一致。

b.7天前立方體抗壓強(qiáng)度與軸向抗壓強(qiáng)度基本相同，28天后的軸壓強(qiáng)度低于立方體抗壓強(qiáng)度5%～7%。

2.2.2 抗拉性能

a.軸拉強(qiáng)度大約是劈裂抗拉強(qiáng)度的一半，是立方體抗壓強(qiáng)度的1/13。

b.軸拉強(qiáng)度隨著石粉含量的增加而微低，在石粉含量6%～18%的范圍內(nèi)軸拉強(qiáng)度的差別只有0.2MPa（見表 2）。

表2 劈裂抗拉強(qiáng)度、軸拉強(qiáng)度、極限拉伸值試驗(yàn)結(jié)果

c.從軸拉強(qiáng)度隨齡期的增長規(guī)律來看，7天前的軸拉強(qiáng)度較低，僅占最大軸拉強(qiáng)度的40%，3天的軸拉強(qiáng)度不足1.0MPa（見圖3）。反映出了機(jī)制砂混凝土前期抗拉強(qiáng)度低的客觀規(guī)律。

圖3 軸向拉伸強(qiáng)度曲線

d.極限拉伸。試驗(yàn)結(jié)果表明：石粉含量高的混凝土極限拉伸值比石粉含量低的混凝土略低，其中7天極限拉伸值為（85～90）×10-6，應(yīng)該重視混凝土的初期防裂措施（見圖4）。

圖4 機(jī)制砂混凝土極限拉伸增長線

2.2.3 彈性模量

試驗(yàn)表明：軸壓彈模與軸拉彈模接近一致，兩者的平均之差小于0.2GPa。石粉含量高的混凝土軸壓彈模和軸拉彈模均略低于石粉含量低的混凝土。各組混凝土的28天軸壓彈模在35.3～36.2GPa；28天軸拉彈模在36.4～37.2GPa（見表3）。軸壓彈性模量隨令期的增長規(guī)律見圖5。

表3 軸壓彈模與軸拉彈模試驗(yàn)結(jié)果

圖5 彈性模量過程線

含有石粉的機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉、軸壓彈模關(guān)系密切，兩者呈線性相關(guān)（見圖6）。

a.抗壓強(qiáng)度（R）與劈裂抗拉的關(guān)系為

劈裂抗拉（MPa）=0.127R+0.4516

b.抗壓強(qiáng)度（R）與彈性模量的關(guān)系為

彈性模量（GPa）=0.286R+25.9

2.3 耐久性

3組混凝土養(yǎng)護(hù)至28天齡期后進(jìn)行了抗?jié)B試驗(yàn)和抗凍試驗(yàn)。抗?jié)B試驗(yàn)采用逐級(jí)加壓至2.0MPa，劈開試件觀察滲水高度的方法。抗凍融試驗(yàn)采用快凍法觀測(cè)相對(duì)動(dòng)彈模的下降值。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

圖6 機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉、軸壓彈模關(guān)系

a.抗?jié)B結(jié)果表明：不同石粉含量的混凝土抗?jié)B等級(jí)均大于W19。其中，滲水高度還隨著石粉含量的增加而減小。因此，石粉含量在6.0%～18%之間時(shí)，適當(dāng)增加石粉含量對(duì)抗?jié)B有利。

b.各組混凝土的抗凍等級(jí)均超過F300。石粉含量為18.0%的一組經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，相對(duì)動(dòng)彈性模量仍在80%以上，達(dá)到了耐久100年混凝土的抗凍指標(biāo)。

表4 抗?jié)B、抗凍試驗(yàn)結(jié)果

2.4 變形性能

a.混凝土干縮率隨著石粉含量的增加而增大，石粉含量為6.0%的混凝土180天干縮率為302×10-6，石粉含量為18.0%的混凝土180天干縮率為328×10-6（見表5）。隨著石粉含量由6%增至18%，干縮率增加9%。

表5 混凝土干縮試驗(yàn)結(jié)果

b.自生體積變形試驗(yàn)。由圖7可以看出，石粉含量為6.0%和11.4%的兩組混凝土自生體積變形接近，石粉含量為18.0%的混凝土無論早期的微小膨脹還是后期的收縮均比其他兩組略大。

圖7 自生體積變形試驗(yàn)結(jié)果

2.5 熱學(xué)性能

對(duì)三組混凝土進(jìn)行了包括線膨脹系數(shù)、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)和絕熱溫升在內(nèi)的熱學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

各組混凝土的線膨脹系數(shù)均為6.3×10-6/℃，30℃時(shí)的比熱在0.9639～0.9678kJ/（kg·℃）之間，導(dǎo)熱系數(shù)在8.307～8.315kJ/（m·h·℃）之間，導(dǎo)溫系數(shù)在0.002819～0.002824m2/h之間，不同石粉含量混凝土的比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)沒有明顯差別，非常接近一致。

機(jī)制砂混凝土的絕熱升溫在36.2～37.2℃之間，石粉含量高的混凝土絕熱溫升值略高。

為了研究機(jī)制砂中石粉含量對(duì)膠凝體系水化熱的影響，進(jìn)行了細(xì)石粉摻量和細(xì)砂的對(duì)比試驗(yàn)（見表7）。

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以看出，同樣是摻加80μm細(xì)石粉，摻量為10%的3天、7天、14天水化熱均高于摻量為5%的，而同樣摻加10%的情況下，摻加80μm細(xì)石粉和摻加315μm的細(xì)砂相比，各齡期細(xì)石粉的水化熱均比摻加細(xì)砂的水化熱高。由此可以認(rèn)定膠凝材料體系中細(xì)顆粒的粒徑和含量對(duì)水化熱有影響，細(xì)石粉的含量增加會(huì)提高水化熱。因此，在水化熱需要控制的混凝土中，80μm細(xì)石粉的含量應(yīng)該得到控制。

表6 熱學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

表7 水化熱試驗(yàn)配比及結(jié)果

3 結(jié)語

a.不同石粉含量的混凝土拌和物的坍落度、含氣量、凝結(jié)時(shí)間與黃砂混凝土拌和物的坍落度、含氣量、凝結(jié)時(shí)間接近一致，滿足水工混凝土的施工要求。

b.抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉、軸心抗壓、軸心抗拉、彈性模量、極限拉伸等物理力學(xué)性能，隨著石粉含量的增多，各種抗壓、抗拉強(qiáng)度略低于石粉含量低的混凝土，但差別不大。

石粉含量高的混凝土的軸壓（拉）彈模和極限拉伸值也比石粉含量低的混凝土略低，但都基本一致。

c.不同石粉含量混凝土的抗?jié)B性均達(dá)到W19等級(jí)，只是在滲透水高度上略有差異；抗凍性能也同樣全部達(dá)到F300等級(jí)，最低的相對(duì)動(dòng)彈模仍在80%以上，達(dá)到了耐久100年混凝土的抗凍指標(biāo)。

d.不同石粉含量混凝土的干縮和自生體積變形規(guī)律是：隨著石粉含量的增多，干縮和自生體積變形也以相應(yīng)增多。在石粉含量6%～18%之間，干縮和自生體積變形也增加1%～10%。

e.熱學(xué)性能。不同石粉含量混凝土的線脹系數(shù)、導(dǎo)熱導(dǎo)溫系數(shù)沒有多大差異，基本保持一致。

f.機(jī)制砂的顆粒級(jí)配應(yīng)為：小于0.6mm的顆粒含量不能小于30%，大于4.75mm的顆粒含量不能超過10%。

總之，三種不同石粉含量的混凝土進(jìn)行的各項(xiàng)性能試驗(yàn)結(jié)果表明：石粉含量超量摻入可能使混凝土力學(xué)性能略有下降、體積變形性能略有增加，但能提高混凝土的抗?jié)B性和抗凍性，對(duì)混凝土的和易性具有改善功能，能提高混凝土的耐久性。建議推廣使用。