不同間斷級配機(jī)制砂對新拌混凝土性能的影響研究

田 星（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊(duì)，陜西 西安 710014）

隨著國家經(jīng)濟(jì)水平的快速提升，土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)數(shù)量層出不窮，導(dǎo)致建筑工程材料的使用量大幅提升。河砂作為重要的建筑材料之一，其大量開采對環(huán)境和水土造成嚴(yán)重的不利影響。此外，不同的采挖條件及生產(chǎn)方式使得天然河砂的級配存在差異性，進(jìn)而影響實(shí)體混凝土的性能[1-3]。因此，為了響應(yīng)國家建設(shè)環(huán)境友好型可持續(xù)發(fā)展社會(huì)，研究者將機(jī)制砂替代天然河砂應(yīng)用于土木工程混凝土的級配設(shè)計(jì)中。因此，全面掌握機(jī)制砂的特性，分析其特性參數(shù)對混凝土各種性能的影響具有十分重要的工程意義。

機(jī)制砂的性能參數(shù)主要包括顆粒形狀、級配、細(xì)度模數(shù)、含泥量及壓碎值等指標(biāo)。目前，研究者已經(jīng)分析了機(jī)制砂生產(chǎn)工藝、性能參數(shù)及其對混凝土的影響。李北星及岳海軍等人[4,5]分析了機(jī)制砂粒徑、級配類型、細(xì)度模數(shù)等參數(shù)對水泥混凝土各種性能的影響，得出粒徑越大、細(xì)度模數(shù)越小，混凝土的性能越好；蔣正武等人[6]同樣認(rèn)為混凝土性能與機(jī)制砂的粒徑成正相關(guān)關(guān)系；季韜等人[7]分析了機(jī)制砂比表面積對水泥混凝土性能的影響，認(rèn)為一定條件的機(jī)制砂比表面積，水泥混凝土性能達(dá)到最優(yōu)。上述研究均表明機(jī)制砂對于提升混凝土性能具有顯著的作用。然而，機(jī)制砂的顆粒級配在應(yīng)用過程中存在不良現(xiàn)象，因此，研究機(jī)制砂級配類型及細(xì)度模數(shù)對混凝土性能的影響極為重要。在此背景下，本文開展了機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)以及不同級配類型對新拌混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響，以期為機(jī)制砂的材料優(yōu)選提供一定的借鑒，助力研制高性能新拌混凝土，進(jìn)一步推廣機(jī)制砂的應(yīng)用市場。

1 試驗(yàn)材料及方法

測試材料主要包括機(jī)制砂、碎石、水泥、粉煤灰、礦粉、減水劑以及自來水。其中，機(jī)制砂來自河北一家石料廠；粗骨料類型為石灰?guī)r碎石，最大粒徑為25mm，最小粒徑為5mm；水泥等級為42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，需水量達(dá)到98%；礦粉的比表面積為410m2/kg；減水劑的固含量為12%，減水率超過25%。

為分析機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對水泥混凝土各種性能的影響，分別采用細(xì)度模數(shù)為1.5 和細(xì)度模數(shù)為4 進(jìn)行不同比例的摻配獲取細(xì)度模數(shù)為2、2.5、3的機(jī)制砂。

為分析機(jī)制砂級配類型對水泥混凝土各種性能的影響，保持細(xì)度模數(shù)為2.5 的機(jī)制砂，但是搭配的各個(gè)粒徑級配比例不同（分別為均勻分布型、兩邊粒徑比例多、粗粒徑比例多、中間粒徑比例多共計(jì)四種機(jī)制砂級配），其粒徑比例分布如表1所示。

針對不同細(xì)度模數(shù)及不同級配類型機(jī)制砂的水泥混凝土材料組成比例如表2所示，所有條件下的減水劑均為4.6kg/m3。

表2 不同條件下的水泥混凝土材料組成比例/kg/m3

混凝土制備方法：將粉煤灰、礦粉、機(jī)制砂、石子等骨料倒入涂抹潤滑劑的模具中進(jìn)行拌合，然后加入一半的水，再將剩下的水與減水劑拌合后倒入其中，拌合均勻后進(jìn)行振搗抹平，放置于室溫下成型脫模，最后放于養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28d。

所采用的工作性能及力學(xué)性能測試方法嚴(yán)格按照規(guī)范GB/T 50080—2000《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[8]及GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]中規(guī)定的測試步驟及計(jì)算方法進(jìn)行。

2 機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對新拌混凝土性能的影響

2.1 機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對新拌混凝土工作性能的影響

根據(jù)上述規(guī)范中確定的測試方法獲取不同類型機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)下水泥混凝土坍落度及擴(kuò)展度，測試結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)的增加，水泥混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均呈現(xiàn)增加的趨勢，其中擴(kuò)展度的增加速率更顯著。對于水泥混凝土坍落度而言，當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)從2 增加到3，其坍落度從210mm 增加到234mm，增幅達(dá)到11.4%；對于水泥混凝土擴(kuò)展度而言，當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)從2增加到3，其坍落度從500mm 增加到600mm，增幅達(dá)到20%。這是由于當(dāng)機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)較低時(shí)，其內(nèi)部細(xì)集料含量較多，使得機(jī)制砂內(nèi)部級配不連續(xù)，導(dǎo)致水泥混凝土內(nèi)部材料的骨架結(jié)構(gòu)體系較弱，導(dǎo)致其流動(dòng)性增加，使得水泥混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均增加。

圖1 機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對混凝土工作性能的影響

2.2 機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對新拌混凝土力學(xué)強(qiáng)度的影響

根據(jù)上述規(guī)范中確定的測試方法獲取不同類型機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)下水泥混凝土坍落度及擴(kuò)展度，測試結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)的增加，水泥混凝土的28d抗壓強(qiáng)度有所增加后略微降低。對于水泥混凝土28d抗壓強(qiáng)度而言，當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)從2 增加到2.5，其28d 抗壓強(qiáng)度從43MPa 增加到47MPa，增幅達(dá)到9.3%；當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)從2.5 增加到3，其28d抗壓強(qiáng)度從47MPa降低到45MPa，降幅達(dá)到4.4%。這是由于當(dāng)機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)較低時(shí)，其內(nèi)部細(xì)集料含量較多，使得機(jī)制砂內(nèi)部級配不連續(xù)，導(dǎo)致水泥混凝土內(nèi)部材料的骨架結(jié)構(gòu)體系較弱，力學(xué)強(qiáng)度較低[10-11]；但是當(dāng)細(xì)度模數(shù)過大時(shí)，內(nèi)部的細(xì)集料含量太低，導(dǎo)致吸水量減小，內(nèi)部的水化反應(yīng)效果減弱，導(dǎo)致水化反應(yīng)產(chǎn)物少，影響了其抗壓強(qiáng)度的形成，故當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)從2.5 增加到3，水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度反而下降。

圖2 機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

3 機(jī)制砂級配對新拌混凝土性能的影響

3.1 機(jī)制砂級配類型對新拌混凝土工作性能的影響

根據(jù)上述規(guī)范中確定的測試方法獲取不同類型機(jī)制砂級配類型下水泥混凝土坍落度及擴(kuò)展度，測試結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，兩邊多的機(jī)制砂制備的水泥混凝土坍落度及擴(kuò)展度最低，其他類型的機(jī)制砂制備的水泥混凝土，坍落度及擴(kuò)展度相差不多，相對最高的為均勻分配的機(jī)制砂制備的水泥混凝土，分別比兩邊多的機(jī)制砂制備的水泥混凝土坍落度及擴(kuò)展度高29.1%、3.9%。這是由于兩邊多的機(jī)制砂內(nèi)部中的細(xì)集料和粗集料含量均較大，一方面較好彌補(bǔ)了水泥混凝土中細(xì)集料不足的情況，另一方面提升了水泥混凝土的骨架結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)而使得該種類型的水泥混凝土內(nèi)部材料粘結(jié)力較高，流動(dòng)性最差。

圖3 機(jī)制砂級配類型對混凝土工作性能的影響

3.2 機(jī)制砂級配類型對新拌混凝土力學(xué)強(qiáng)度的影響

根據(jù)上述規(guī)范中確定的測試方法獲取不同類型機(jī)制砂級配類型下水泥混凝土的28d抗壓強(qiáng)度，測試結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，兩邊多的機(jī)制砂制備的水泥混凝土28d抗壓強(qiáng)度最高，其次為均勻分配的機(jī)制砂制備的水泥混凝土，另外兩種水泥混凝土的28d抗壓強(qiáng)度相差不多。與中間多的機(jī)制砂制備的水泥混凝土抗壓強(qiáng)度相比，兩邊多的機(jī)制砂制備的水泥混凝土28d 抗壓強(qiáng)度從41MPa 提升到45MPa，增幅達(dá)到9.7%。這是由于兩邊多的機(jī)制砂內(nèi)部中的細(xì)集料和粗集料含量均較大，一方面較好彌補(bǔ)了水泥混凝土中細(xì)集料不足的情況，可以產(chǎn)生充足的水化產(chǎn)物；另一方面提升了水泥混凝土的骨架結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)而使得該種類型的水泥混凝土內(nèi)部材料粘結(jié)力較高，流動(dòng)性最差，形成了穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，使得其具有較高的抗壓強(qiáng)度。

圖4 機(jī)制砂級配類型對混凝土力學(xué)強(qiáng)度的影響

綜合上述細(xì)度模數(shù)以及級配類型對水泥混凝土工作性能及力學(xué)強(qiáng)度影響的分析，本文種最合理的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為2、級配類型為兩邊多的級配類型。

4 結(jié)語

（1）隨著機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)的增加，水泥混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均呈現(xiàn)增加的趨勢，其中擴(kuò)展度的增加速率更顯著。對于水泥混凝土坍落度而言，當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)從2 增加到3，其坍落度從210mm 增加到234mm，增幅達(dá)到11.4%；對于水泥混凝土擴(kuò)展度而言，當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)從2增加到3，其坍落度從500mm增加到600mm，增幅達(dá)到20%。

（2）隨著機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)的增加，水泥混凝土的28d 抗壓強(qiáng)度有所增加后略微降低。對于水泥混凝土28d 抗壓強(qiáng)度而言，當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)從2 增加到2.5，其28d 抗壓強(qiáng)度從43MPa 增加到47MPa，增幅達(dá)到9.3%；當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)從2.5增加到3，其28d抗壓強(qiáng)度從47MPa降低到45MPa，降幅達(dá)到4.4%。

（3）兩邊多的機(jī)制砂制備的水泥混凝土坍落度及擴(kuò)展度最低，其他類型的機(jī)制砂制備的水泥混凝土坍落度及擴(kuò)展度相差不多，相對最高的為均勻分配的機(jī)制砂制備的水泥混凝土，分別比兩邊多的機(jī)制砂制備的水泥混凝土坍落度及擴(kuò)展度高29.1%、3.9%。

（4）兩邊多的機(jī)制砂制備的水泥混凝土28d抗壓強(qiáng)度最高，其次為均勻分配的機(jī)制砂制備的水泥混凝土，另外兩種水泥混凝土的28d抗壓強(qiáng)度相差不多.

（5）綜合細(xì)度模數(shù)以及級配類型對水泥混凝土工作性能及力學(xué)強(qiáng)度的影響，最合理的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為2、級配類型為兩邊多。