石粉在C50機(jī)制砂混凝土中的影響 試驗及應(yīng)用分析

基金項目：

中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金項目“廣西典型固體廢棄物道路領(lǐng)域綜合資源化利用技術(shù)研發(fā)中心”（編號：桂科ZY21195043）；廣西科技計劃項目“高陡邊坡生態(tài)防護(hù)升級及穩(wěn)定性監(jiān)控技術(shù)研究”（編號：桂科AB21220069）

作者簡介：

黃曉龍（1988—），碩士，工程師，主要從事道路建養(yǎng)研究工作。

文章以某新建高速公路橋梁工程用C50機(jī)制砂混凝土為背景，采用區(qū)內(nèi)石灰?guī)r機(jī)制砂制備混凝土試塊進(jìn)行研究，分析了機(jī)制石粉對機(jī)制砂砂漿流變性和C50機(jī)制砂混凝土工作性、力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：適宜的機(jī)制石粉摻量能夠改善水泥砂漿的流變性；隨著機(jī)制石粉摻量的增加，C50機(jī)制砂混凝土的坍落度與擴(kuò)展度均呈先增加后降低的趨勢，28 d抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律也類似。同時，以最佳機(jī)制石粉摻量制備的C50混凝土進(jìn)行工程實踐，取得了良好的施工效果。

機(jī)制石粉；流變性；C50機(jī)制砂混凝土；坍落度

U445.47+1 A 26 084 3

0 引言

近年來國家建筑工程、高速鐵路以及公路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)任務(wù)很大，在建設(shè)過程中會用到大量的砂石骨料，而天然砂石開采量大的結(jié)果會導(dǎo)致人類生存的環(huán)境日益受到破壞，國家對此提出了一系列禁止天然砂石開采的政策，因此機(jī)制砂得到了工程界的重視與應(yīng)用，這也符合新時代低碳經(jīng)濟(jì)與“雙碳”目標(biāo)發(fā)展的方向。

機(jī)制砂作為目前生產(chǎn)混凝土和建設(shè)混凝土結(jié)構(gòu)物的主要材料，其由于母巖巖性的不同具有多棱角、表面粗糙、與膠凝材料界面性能良好的優(yōu)良特性，但也會常常發(fā)生級配不良或者含石粉量過大引起的水泥混凝土拌和物工作性不佳、強(qiáng)度低且耐久性差的問題。唐俊等［1］采用卵石機(jī)制砂制備水泥混凝土，發(fā)現(xiàn)摻加卵石機(jī)制砂質(zhì)量8%～12%的石粉可提高新拌混凝土的流動性、保水性及強(qiáng)度，其中8%摻量時各項性能最佳。郭立賢等［2］以花崗巖與石灰?guī)r兩種母巖生產(chǎn)的機(jī)制砂進(jìn)行混凝土性能測試，結(jié)果表明，在石粉含量為7%時，兩種機(jī)制砂制備的混凝土各項力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于河砂。張波等［3］使用天然砂與亞甲藍(lán)值≤0.5、石粉含量在5%～7%的機(jī)制砂制備混凝土，其強(qiáng)度隨著齡期增加強(qiáng)度逐漸增加，且強(qiáng)度未出現(xiàn)倒縮。王曉海等［4］研究石粉摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度和抗凍性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，適宜的石粉摻量可以提升混凝土的和易性與強(qiáng)度，石粉摻量在3%～10%的機(jī)制砂混凝土密實性增加，抗凍性優(yōu)異。本研究以某高速公路橋梁工程C50混凝土用機(jī)制砂為研究對象，通過室內(nèi)試驗與工程應(yīng)用，研究石粉對混凝土多個性能指標(biāo)的影響，為區(qū)內(nèi)石灰?guī)r機(jī)制砂應(yīng)用于橋梁工程C50混凝土提供指導(dǎo)意義。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

（1）普硅水泥： 強(qiáng)度等級為42.5，其性能指標(biāo)見表1。

（2）粉煤灰：一級粉煤灰，取自湘潭火電廠，d50粒徑為15.89 μm。

（3）粗集料：石灰?guī)r類的碎石，粒徑為5～25 mm連續(xù)級配。

（4）細(xì)骨料：石灰?guī)r類的機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.8。

（5）減水劑：聚羧酸類，減水率為20%。

1.2 試驗方案

1.2.1 不同機(jī)制石粉下砂漿的流變性試驗方案

表2是試驗設(shè)計的方案，按照此表稱取相應(yīng)的材料，然后加入膠砂拌和鍋中制備成砂漿。在同一剪切速率下使用流變儀測定漿體剪切應(yīng)力值，數(shù)據(jù)處理后得到屈服應(yīng)力和黏度。

1.2.2 不同機(jī)制石粉摻量下C50機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計方案

石粉在C50機(jī)制砂混凝土中的影響試驗及應(yīng)用分析/黃曉龍，焦曉東，吳祖熹

表3是試驗設(shè)計的方案，按照此表稱取相應(yīng)的材料，然后將稱取的材料加入混凝土拌和鍋中制備成混凝土，按照GB/T 50080-2016、GB/T 50081-2019標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行混凝土的養(yǎng)護(hù)、工作性能以及力學(xué)性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)制石粉對機(jī)制砂砂漿流變性能的影響

表4的試驗結(jié)果表明，石粉摻量的增加使得砂漿漿體的屈服應(yīng)力先逐漸減小然后再逐漸增加，黏度也表現(xiàn)出同樣的發(fā)展的規(guī)律［5-6］。在石粉摻量為4%時達(dá)到最小值，表明適量的石粉含量能提高機(jī)制砂砂漿的流變性，漿體在剛開始發(fā)生流動時需要克服的運(yùn)動阻力小。這主要是由于適宜摻量的石粉具有“形態(tài)滾珠”效應(yīng)，在砂漿制備的過程中起著“潤滑劑”的作用，使水泥與水泥顆粒之間、水泥與砂子顆粒之間的運(yùn)動阻力大大降低，提高了砂漿體系的工作性［6-7］；而隨著石粉摻量的進(jìn)一步增加，水泥的相對含量降低，而且由于大量石粉表面孔隙的吸水效應(yīng)導(dǎo)致拌和物系統(tǒng)內(nèi)的流動水減少，使石粉自身的物理“滾珠效應(yīng)”不明顯，導(dǎo)致水泥砂漿體系的流變性變差。

2.2 石粉摻量對C50機(jī)制砂混凝土試件坍落度和擴(kuò)展度的影響

從圖1～2中看出，隨著石粉含量的增加，C50機(jī)制砂混凝土坍落度與擴(kuò)展度呈先增大后降低的趨勢。這表明，適量石粉對機(jī)制砂混凝土拌和物性能有一定的改善作用。但當(dāng)石粉含量過高時，機(jī)制砂混凝土的工作性不如不含石粉的。這可能是由于石粉的比表面積與所使用的水泥比表面積差不多大，石粉的摻入起到了補(bǔ)充混凝土中砂漿漿體的作用，使得漿體的相對比例增加，同時附著在粗集料的表面，使其粗集料與漿體之間的界面更加潤滑，在一定程度上提高了混凝土的流動性；但隨石粉含量繼續(xù)增加，大量石粉表面孔隙的吸水效應(yīng)使得石粉的需水量增加，同時漿體過多引起漿體的黏粒增加，使得混凝土拌和物的工作性降低。從圖1～2中可看出，這與前述的流變性測試結(jié)果具有一致性。

2.3 石粉摻量對C50機(jī)制砂混凝土試件抗壓強(qiáng)度的影響

圖3的試驗結(jié)果表明，增加石粉的摻量可以使得混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度先逐漸升高再逐漸降低，但提高程度不大。在石粉摻量為6%時，28 d齡期抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到62 MPa， 8%以上石粉摻量時28 d抗壓強(qiáng)度逐漸下降，但均高于不摻石粉的。石粉摻量為6%的S4混凝土試樣28 d抗壓強(qiáng)度比未摻石粉的S1混凝土試樣強(qiáng)度提高了16%。這可能是由于在養(yǎng)護(hù)早期，較少量的石粉摻入后，一方面起到微集料的填充效應(yīng)，使得材料的孔隙率進(jìn)一步降低，密實度進(jìn)一步增加，進(jìn)而抗壓強(qiáng)度增加；另一方面石粉也起到微晶核效應(yīng)，為水化產(chǎn)物C-S-H凝膠提供一個附著場所，當(dāng)水化產(chǎn)物遇到固相的顆粒時會使其附著沉淀在石粉表面，進(jìn)一步加快水化的速率與進(jìn)程，生成更多的微納米級水化產(chǎn)物，填充材料的孔隙，使凝結(jié)硬化后的混凝土結(jié)構(gòu)孔隙率大大降低，缺陷減少，強(qiáng)度得以提升。但是石粉摻入量超過適宜值后會使得材料體系的顆粒級配發(fā)生變化，進(jìn)而對機(jī)制砂水泥混凝土的骨架產(chǎn)生影響，使混凝土的漿體與骨料的比例值與最佳值不吻合，故抗壓強(qiáng)度有所降低。

2.4 工程實踐效果分析

某高速公路項目預(yù)制梁采用以上試驗原材料進(jìn)行C50機(jī)制砂混凝土試配應(yīng)用，石粉摻量為上述試驗的最佳值6%，相應(yīng)的配合比設(shè)計見表5。

現(xiàn)場性能測試結(jié)果見表6。由表6可知，6%石粉摻量的新拌C50機(jī)制砂混凝土的坍落度為220 mm，擴(kuò)展度達(dá)到520 mm，混凝土到達(dá)前場澆筑施工前的自流動狀態(tài)良好，在施工過程中達(dá)到自流動自密實的效果，同時28 d抗壓強(qiáng)度測試達(dá)到62 MPa，滿足設(shè)計要求。從圖4預(yù)制梁的外觀來看，混凝土結(jié)構(gòu)物密實，未出現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)性能和使用功能的裂縫、露筋、嚴(yán)重蜂窩和縫隙夾渣。

3 結(jié)語

（1）適宜的機(jī)制石粉摻量對機(jī)制砂砂漿的流變性具有促進(jìn)作用，6%石粉摻量的機(jī)制砂砂漿流變性能和工作性能最好。

（2）隨著機(jī)制石粉摻量的增加，石粉摻量在6%以內(nèi)時，C50機(jī)制砂混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度先升高，而石粉摻量在8%以上時抗壓強(qiáng)度降低。28 d齡期的抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)到62 MPa。

（3）以6%摻量的機(jī)制石粉摻入C50混凝土中進(jìn)行工程實踐應(yīng)用，其工作性能與抗壓強(qiáng)度均達(dá)到良好的施工效果，制備的預(yù)制梁外觀未出現(xiàn)明顯的質(zhì)量問題，總體應(yīng)用效果顯著。

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收稿日期：2022-10-20