灰巖石粉微粒含量對混凝土力學性能的影響

王 國 賓

(三峽大學水利與環境學院,湖北 宜昌 443002)

0 引言

隨著我國基礎設施規模的日益擴大，天然砂的產量已不能滿足商品混凝土生產的需求，據統計我國2016年商品混凝土產量達17.9億m3，增長7.4個百分點，增速同比提高5.3%。除此之外，許多地區出現的超采、超挖現象更是破壞了當地的生態平衡[1]。作為天然砂的替代品，人工砂的出現不僅有效緩解了砂資源的匱乏，同時也有利于當地自然環境的保護[2]。在人工砂生產過程中不可避免的產生一定量的石粉，并且這些石粉中含有大量的微粒，石粉中微粒的含量很大程度影響了人工砂混凝土的力學性能。適量的石粉微粒不僅可以減少水泥的用量，降低水化放熱，而且有利于提高混凝土強度[3,4]。為了探明石粉微粒對人工砂混凝土強度的影響規律，擬通過進行不同石粉微粒含量的人工砂混凝土力學性能試驗，以掌握其影響規律并進一步提出能使混凝土力學性能較優時石粉微粒含量的建議控制范圍，可為實際生產提供理論支撐。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

試驗所用人工砂石粉采用某水電站工程灰巖砂石及混凝土系統生產制得，以微粒含量為11.5%(占人工砂的質量比)的原級配人工砂為基準，通過水洗或外摻石粉微粒(人工砂粉磨細通過0.08 mm方孔篩)的方法，共得到微粒含量分別為5.0%，6.5%，8.0%，9.3%，11.5%，12.8%，14.0%的7種人工砂石粉，化學成分見表1。試驗采用的華新P.MH42.5中熱硅酸鹽水泥，其物理力學性能測試結果見表2，粉煤灰采用曲靖F類Ⅰ級粉煤灰，性能測試結果見表3。減水劑采用江蘇博特有限公司生產的PCA-1型聚羧酸高性能減水劑。引氣劑采用江蘇博特新材料有限公司生產的GYQ混凝土引氣劑。粗骨料采用該水電站灰巖砂石及混凝土系統生產的二級配灰巖碎石，粒徑5 mm～20 mm(小石)與20 mm～40 mm(中石)比例1∶1，其物理性能指標見表4。拌合用水采用實驗室生活用自來水，其水質滿足DL/T 5152—2001水工混凝土水質分析試驗規程對拌合用水的要求。

表1 人工砂中石粉的化學成分 %

表2 華新P.MH42.5中熱硅酸鹽水泥物理性能指標

1.2 試驗方法

表3 曲靖F類Ⅰ級粉煤灰物理性能指標 %

表4 灰巖碎石物理性能指標

根據DL/T 5330—2005水工混凝土配合比設計規程進行不同石粉微粒含量的混凝土試拌與調整試驗，人工砂石粉微粒含量11.5%時，C30混凝土的基準配合比見表5。其他微粒含量的混凝土配合比由試拌試驗來確定。試拌過程中保持水膠比、砂率、粉煤灰摻量、減水劑摻量與基準配合比相同，坍落度按160 mm～180 mm、含氣量按4%～5%控制。

表5 C30混凝土的基準配合比

依據DL/T 5150—2001水工混凝土試驗規程規定的試驗方法進行試驗，測試混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度的試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，采用尺寸為100 mm×196 mm×600 mm的“八字形”試件進行混凝土28 d軸拉強度和28 d極限拉伸值試驗，“八字形”試件為異形試件。

1.3 試驗設備

混凝土抗壓強度試驗使用YAW-2000F1型電液伺服壓力試驗機進行，加載速率0.5 MPa/s(即11.25 kN/s)。

使用PWS-E200電液伺服動靜萬能試驗機和三峽大學自主設計的混凝土劈裂裝置進行混凝土劈裂抗拉強度試驗，試驗加載速率為0.04 MPa/s(即0.9 kN/s)。

軸心抗拉所用儀器為PWS-E200電液伺服動靜萬能試驗機、混凝土極限拉伸試驗夾具、優泰uT7110Y靜態應變采集儀，試驗采用在試件兩側粘貼150 mm應變片的方式測量極限拉伸試件的變形量，并根據試驗最終確定極限拉伸值。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

根據上述試驗方法分別進行不同石粉微粒含量的C30混凝土力學性能試驗，每次試驗結果取3塊試件的平均值[5]，記錄其試驗結果見表6。

2.2 石粉微粒含量對抗壓強度的影響

由表6的抗壓強度試驗數據可知，混凝土7 d，28 d，90 d抗壓強度隨石粉微粒含量而變化的規律大致相同，即微粒含量在5%～11.5%之間時，混凝土抗壓強度隨著石粉微粒含量的增加而提高；石粉微粒含量高于11.5%的條件下，抗壓強度又隨微粒含量的增加而緩慢下降。從總體上看，石粉微粒含量在6.5%～12.8%之間時，其對C30混凝土抗壓強度影響程度較小。石粉微粒含量在11.5%時，混凝土7 d抗壓強度最高；微粒含量在12.8%時混凝土28 d抗壓強度最高；微粒含量在9.3%時，混凝土90 d抗壓強度最高。因此，石粉微粒含量在6.5%～12.8%之間時，混凝土抗壓強度較高。

表6 不同微粒含量C30混凝土的力學性能試驗結果

2.3 石粉微粒含量對劈裂抗拉強度的影響

由表6的劈裂抗拉強度試驗結果可知，石粉微粒含量9.3%時，C30混凝土劈裂抗拉強度最高；當微粒含量在5%～9.3%之間時，混凝土各齡期(7 d,28 d,90 d)劈裂抗拉強度隨石粉微粒含量的增加而提高；微粒含量大于9.3%的條件下，劈裂抗拉強度又隨微粒含量的增加而下降。從總體上看，微粒含量在6.5%～12.8%之間時，混凝土劈裂抗拉強度較高。

2.4 石粉微粒含量對軸拉強度和極限拉伸值的影響

由表6可以看出，微粒含量在5%～14%之間時，石粉微粒對混凝土28 d軸心抗拉強度和28 d極限拉伸值二者的影響規律相近，二者都隨著微粒含量的增加而呈現出先增后減的趨勢。當微粒含量8%時，混凝土28 d軸心抗拉強度最高；微粒含量9.3%時，混凝土28 d極限拉伸值最高。綜合來看，當石粉中微粒含量在6.5%～12.8%時，C30混凝土的軸心抗拉強度、極限拉伸值較優。

3 結語

綜合以上幾方面的研究結果可知，當石粉中微粒含量控制在6.5%～12.8%時，混凝土的力學性能，包括抗壓強度、劈裂抗拉強度、軸心抗拉強度與極限拉伸值等較優。

[1] 續聰聰,袁鵬飛，張 潔.石灰石粉混凝土抗壓強度試驗研究[J].山西建筑,2017,43(11):128-129.

[2] 毛晶晶.機制砂混凝土的應用現狀與研究進展[J].山西建筑,2015,41(27):123-124.

[3] Lovato P S,Possan E,Angela B.Masuero,et al.Modeling of mechanical properties and durability of recycled aggregate concretes[J].Construction & Building Materials,2012,26(1):437-447.

[4] 安明喆,蘇 陽,王 月,等.粗骨料石粉含量對C50高性能混凝土性能的影響研究[J].中國鐵道科學,2013,34(4):27-32.

[5] 黃亞梅,王立華.灰巖人工砂石粉對混凝土微觀結構及力學性能影響[J].人民長江,2017,48(6):70-73.