花岗岩机制砂石粉对C80高强高性能混凝土性能的影响及机理研究

文摘 2024-12-15 07:02 河南

高强高性能混凝土具有强度高、刚度大、耐久性好等技术优点，广泛适用于高层建筑、大跨度桥梁、海港码头、海洋平台等现代工程结构，是现代混凝土技术发展的重要方向。高强混凝土的制备技术与常规普通混凝土有所不同，在原材料选取、配合比设计、施工性能等要求方面与普通混凝土有较大的差异。随着河砂资源的日益匮乏，机制砂制备混凝土成为未来工程建设发展的重要方向。河砂制备高强高性能混凝土已经具备较为成熟的工程实践经验，相关研究成果也在广州新电视塔及东塔、天津高银117大厦等市政工程中得到广泛应用。高强高性能混凝土在水运工程中也有应用，如高桩码头PHC管桩通常采用C80高强混凝土。此外，伴随装配式码头技术的发展，具有优异的力学性能和耐久性的高强高性能混凝土具有更广阔的应用前景。

机制砂生产过程中通常产生大量＜0.075mm石粉，石粉的主要成分与母岩化学性质基本相同。针对机制砂石粉对普通混凝土、高性能混凝土的性能影响，人们已开展大量的研究工作，但对于机制砂高强高性能混凝土的研究较少，尤其对C80及以上的机制砂高强高性能混凝土鲜有研究。为更好地指导机制砂在高强高性能混凝土的工程应用，推动海工高强高性能混凝土技术的发展，有必要深入开展机制砂高强高性能混凝土制备技术的研究工作。为此，本文对花岗岩机制砂石粉含量对C80高强高性能混凝土工作性、流变性、力学性能、抗氯离子渗透性及收缩特性等宏观性能开展系统研究，并采用MIP、DSC-TG等微观测试技术分析机制砂石粉对高强高性能混凝土性能的影响机理。

1试验方案

1.1原材料与混凝土配合比

采用越秀PII52.5的硅酸盐水泥，7d和28d抗压强度分别为46.1、60.5MPa，抗折强度分别为7.5、9.0MPa，初凝和终凝时间分别为152、190min，细度为7.8%，氯离子含量为0.017%，不溶物含量为3.53%。

采用广东韶钢S95级矿渣粉的密度为2.90g/m³，比表面积为415m²/kg，流动度比为103%。

采用国电谏壁电厂Ⅰ级粉煤灰，密度为2.39g/m³，细度为9.2%，强度活性指数为82%，烧失量为2.71%，需水量比为95%。

硅灰的比表面积（BET法）为18m²/g，SiO₂含量为90.9%。

采用花岗岩干法生产的机制砂的细度模数为2.8，表观密度为2.63g/cm³，堆积密度为1.51g/cm³，石粉含量为4.5%，MB值为0.5，吸水率为0.5%。

花岗岩石粉为采用机制砂筛除0.075mm以上粒径后收集的石粉，参照GB/T30190-2013（石灰石粉混凝土》中石灰石粉亚甲蓝MB值测试方法测试的石粉MB值为0.26。对比试验用河砂的堆积密度为1.49g/cm³，表观密度为2.64g/cm³，细度模数为2.8，含泥量为0.8%，轻物质含量为0.1%，机制砂与河砂的颗粒级配如图1所示。水泥、矿渣粉及花岗岩石粉的化学成分如表1所示。粗骨料采用花岗岩生产的碎石，碎石采用5～10mm小石与10～20mm大石按照4：6比例复配使用。减水剂采用粉状高效聚羧酸减水剂。

C80机制砂高强高性能混凝土配合比见表2。胶凝材料总掺量为550kg/m³，采用15%粉煤灰、20%矿渣粉、5%硅灰等活性掺合料混掺，水胶比为0.26。利用上述基准机制砂通过筛除或添加部分石粉掺配成石粉含量为3%、6.5%及8.5%不同石粉含量的机制砂，利用上述不同石粉含量的机制砂形成A1～A4共4个机制砂混凝土配合比，并采用河砂作为对比配合比A5。通过调整外加剂的用量控制新拌混凝土的工作性，混凝土坍落度控制在(23±2)cm。

1.2试验测试

按照表2配合比成型混凝土，参照GB/T50080《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试新拌混凝土坍落度、扩展度及倒置坍落度筒排空时间；采用BrookfieldR/S-SST流变仪测定新拌混凝土砂浆的流变性能，包括屈服应力和塑性黏度等指标。流变仪加载过程包括预剪切阶段和数据采集阶段(图2)，预剪切阶段为叶片以剪切率为10s^-1—100s^-1—10s^-1的速度旋转60s，恒定10s^-1剪切30s，之后为数据采集阶段，叶片旋转速度在75s内以10s^-1线性增加到150s^-1，然后在75s内由150s^-1线性降低到10s^-1。

在硬化混凝土性能测试方面，首先对成型的混凝土试件标准养护7d和28d后参照GB/T50081(混凝土物理力学性能试验方法标准》测试混凝土抗压强度、劈裂抗裂强度；参照GB50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试混凝土的抗氯离子渗透性和干燥收缩。

在微观性能的测试方面，首先制取混凝土内核砂浆，经研磨后全部通过80μm方孔筛，在40℃下真空烘干48h，采用NETZSCH的STA449C型综合热分析仪测试粉样的吸放热过程及质量变化，试验扫描温度为0～1000℃，升温速度为10℃/min，N2保护。取混凝土砂浆内核，在105℃下的真空干燥箱中烘干24h后，在真空干燥器中冷却，然后进行MIP(压汞法mercury intrusion porosimetry)分析，试验采用MICROMERITICS INSTRUMENT公司生产的AutoPoreIV9500全自动压汞仪测试，仪器孔径的测量范围为0.003～1000μm，其中低压范围为0～30psi(0～207kPa)，高压范围为30～60000psi(207～413700kPa)。

2试验结果与分析

2.1花岗岩石粉对机制砂高强高性能混凝土工作性的影响

新拌混凝土工作性见表3及图3。随着石粉含量的增加，新拌混凝土对减水剂的需求增加。机制砂石粉含量对新拌混凝土的工作性具有一定的影响，对于石粉含量为3.5%的机制砂高强混凝土包裹性一般。而当石粉含量增加到8.5%时，新拌混凝土偏黏，倒桶排空时间较长，其主要是由于泵送高强机制砂混凝土胶凝材料的用量较大，而适量的机制砂石粉含量可增加混凝土浆体的总量，且由于石粉的颗粒效应，适量的石粉可填充水泥、活性掺合料等胶凝材料之间的空隙，在范德华力、静电作用下更容易相互交接构成絮凝网状结构，进而提高新拌混凝土的黏聚性和包裹性。但当石粉含量过大时，其克服浆体之间的内聚力所需要的能量也增加，造成新拌混凝土的流动性变差⑼。除石粉含量为3.5%的A1配合比、石粉含量为8.5%的A4配合比外，当机制砂石粉含量为4.5%～6.5%时，制备的机制砂高强混凝土的施工性能良好，可满足JGJ/T281-2012（高强混凝土应用技术规程》对泵送高强混凝土的技术要求。

流变性能是指物质在外力作用下流动和变形的能力，以屈服应力、塑性黏度、触变性等指标定量表征。屈服应力是表征水泥浆体在发生初始流动过程中需要克服的最大阻力，阻力主要包括浆体内部颗粒之间的引力和摩擦力。塑性黏度表征的是水泥浆体内部结构阻碍浆体流动的一种性能，它反映出浆体流动速度的快慢，其大小决定于浆体内部絮凝结构的多少以及破坏程度。触变性是指在外力剪切作用下，浆体流动性会暂时增加，当外力去除后则可缓慢复原的性能，可用触变环面积表征其触变性的相对大小（图4）。

流变性能的好坏对混凝土施工操作的难易程度、施工质量等具有一定的影响凹。不同新拌混凝土的流变性能见表3和图4，不同配合比新拌混凝土的流变性符合宾汉姆流体模型，且当机制砂石粉含量不超过6.5%时，石粉含量对新拌混凝土屈服应力、塑性黏度的影响不显著，但石粉含量由6.5%增加到8.5%时，新拌混凝土的屈服应力、塑性黏度显著增大，屈服应力和塑性黏度分别由106.21Pa、6.06Pa·s增加到1080.82Pa、10.24Pa·s，且随剪切率的增大，新拌混凝土剪切应力的增加幅度更为显著，但触变性的变化并不显著。机制砂石粉对混凝土流变性的影响主要有：颗粒较小的机制砂石粉可填充水泥-掺合料之间的空隙，降低浆体内部的颗粒间距，进而提高颗粒之间的附着力；机制砂石粉的增加提高了浆体中粉料及浆体的比重，造成浆体内实际水胶比的降低，可起到润滑作用的自由水减少，增大了颗粒间的摩擦力。上述作用均可降低新拌混凝土砂浆的流变性能。实际工程中，由于不同配合比的水胶比一致，为保证不同配合比的工作性，采用适当调整减少剂的掺量来控制新拌混凝土的工作性，随机制砂石粉含量的增加，混凝土所需的减水剂用量不断增大。减水剂的分散作用和润滑作用可破坏砂浆中的絮凝结构、释放出被包裹的水，进而降低砂浆的屈服应力、塑性黏度以及触变性。

相比河砂制备的高强高性能混凝土，机制砂混凝土的坍落度和坍落扩展度比河砂混凝土更大，但倒桶排空时间也显著大于河砂混凝土。在流变性能方面，河砂高强混凝土的屈服应力、触变性等显著小于机制砂混凝土，主要是由于机制砂的颗粒粗糙、棱角多，机制砂颗粒之间的摩擦力增大，造成机制砂混凝土的屈服应力、触变性等流变性能变差。但当机制砂石粉含量不超过6.5%时，对塑性黏度的影响并不显著，说明一定石粉含量的机制砂混凝土一旦克服初始内聚力产生流动后，即可保持较好的流动性。因此，本文所展现的不同石粉含量机制砂高强混凝土流变性能是上述作用的综合体现。总体上，当机制砂石粉含量为4.5%～6.5%时，机制砂制备的高强混凝土工作性、流变性能等可满足现场施工性能的要求。

2.2花岗岩石粉含量对机制砂高强高性能混凝土力学性能的影响

石粉含量对高强高性能混凝土力学性能的影响见表4。

由表4可知，随机制砂石粉含量的增加，混凝土的抗压强度、劈裂抗裂强度等力学性能总体呈先增加后减小的趋势。当石粉含量不超过6.5%时，随机制砂石粉含量的增加，混凝土28d的力学性能不断增大，继续增加机制砂的石粉含量，混凝土28d的力学性能呈降低趋势，因此，从力学性能的角度，高强机制砂混凝土中机制砂石粉含量不宜超过6.5%，但也不宜低于3.5%。此外，采用机制砂混凝土的抗压强度总体要大于河砂混凝土，但劈裂抗裂强度差异并不显著。

2.3花岗岩石粉含量对机制砂高强高性能混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响

石粉含量对高强高性能混凝土抗氯离子渗透性的影响见表5。

随机制砂石粉含量的增加，机制砂高强高性能混凝土28d的抗氯离子渗透性总体呈现不断增大的趋势，但当石粉含量由3.5%增加到6.5%时，混凝土28d的抗氯离子渗透性增加并不显著，氯离子扩散系数由0.90×10^-12m²/s增加到1.01×10^-12m²/s，差别不明显；而当机制砂石粉含量由6.5%增加到8.5%时，高强混凝土28d的氯离子扩散系数增加显著，氯离子扩散系数由1.01×10^-12m²/s增加到1.84×10^-12m²/s，对混凝土氯离子侵蚀性能的影响较为显著。对比河砂制备的混凝土，当机制砂石粉含量不超过6.5%时，机制砂高强高性能混凝土的抗氯离子侵蚀性能不低于河砂混凝土。

2.4花岗岩石粉含量对机制砂高强高性能混凝土干燥收缩的影响

参照GB50082-2009（普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中接触法测试硬化混凝土的收缩性能（图5）。

随机制砂中石粉含量的增加，不同龄期的高强高性能混凝土干缩值总体呈现不断增大的趋势，但当石粉含量由3.0%增加到6.5%时，机制砂高强高性能混凝土60d的干缩值由246×10^-6增加到264×10^-6，增加幅度不显著。但当石粉含量由6.5%增加到8.5%时，高强机制砂混凝土60d的干缩值由264×10^-6增加到299×10^-6，混凝土的干缩值显著增加。因此，为降低C80高强机制砂混凝土的干燥收缩，机制砂石粉含量宜不大于6.5%。此外，相比采用河砂的混凝土，当机制砂石粉含量不大于4.5%时，高强机制砂混凝土的干缩值与河砂混凝土相当。适量的石粉可优化混凝土浆体颗粒分布，起到微集料填充作用，进而提高混凝土的密实性，从而对降低高强混凝土的收缩变形有益，但机制砂中过多的石粉含量将增加混凝土中浆体的比重，进而增大混凝土的干缩变形。

2.5花岗岩石粉含量对高强高性能混凝土性能的影响机理

高强高性能混凝土中砂浆28d的孔结构见图6和表6。

分析可知：随机制砂石粉含量的增加，混凝土浆体的总孔隙率呈现不断降低的趋势，当石粉含量由3.5%增加到8.5%时，混凝土浆体的总孔隙率由8.36%降为5.75%；混凝土浆体的平均孔径、中值孔径随石粉含量的增加先降低后增加，当石粉含量为4.5%时混凝土浆体的平均孔径最小；从浆体的孔隙分布看，随机制砂石粉含量的增加，大于200nm的有害孔、100～200nm少害孔数量呈现先减少后增大的趋势，而20～100nm过渡孔及小于20nm的凝胶孔总体呈先增加后减少的趋势。当石粉含量不大于6.5%时，石粉可优化混凝土浆体的孔结构分布，浆体中无害孔、少害孔的比例增加；但当石粉含量由6.5%增加到8.5%时，大于200nm的有害孔、100～200nm少害孔增大，而20～100nm过渡孔及小于20nm的凝胶孔减少，说明机制砂中石粉劣化了混凝土中砂浆的孔结构分布，也解释了当石粉含量增加到8.5%时混凝土氯离子扩散系数增大的原因。对比河砂混凝土孔结构发现，河砂混凝土中砂浆的孔隙率显著大于机制砂，其主要是由于机制砂石粉可填充混凝土浆体的孔隙，提高浆体的密实性。微观结构决定了材料的宏观性能。对比混凝土力学性能、抗氯离子渗透性等宏观数据发现，混凝土总孔隙率与抗压强度具有较好的相关性，与氯离子扩散系数无显著的相关性，而与浆体的平均孔径、孔结构分布等有较大的影响有关（图7）。

图8为不同种类高强高性能混凝土中砂浆28d的DSC-TG图谱。对于不同砂浆样品在94～98℃均有明显的吸热峰，为脱去弱结合水、自由水及单硫铝酸钙脱水等产生的重叠峰，在146～150℃区间有明显的AFt相吸热峰，在430～450℃区间的CH吸热峰，570～575℃区间的游离石英吸热峰，660～700C区间的CaCO₃吸热峰。根据DSC-TG图谱计算的不同混凝土中砂浆的CH含量（图9），当石粉含量为3.0%～4.5%时，随机制砂石粉含量的增加，混凝土砂浆中CH含量的变化并不显著，但当石粉含量由4.5%增加到6.5%及8.5%时，砂浆中CH的含量由6.29%分别降低为6.08%和5.94%，说明过多的石粉对水泥的水化具有一定的抑制作用。由于在胶凝材料用量、水胶比等一致的前提下，机制砂石粉增加了混凝土中粉料的数量，增大了粉料的比表面积，进而吸附更多的自由水，混凝土中自由水的降低间接影响了水泥水化进程。此外，石粉的颗粒效应提高了混凝土浆体的密实性（见浆体孔结构），进而压缩水泥颗粒的反应空间，降低水泥的水化反应速度。根据表1中花岗岩石粉的化学成分可知，其主要成分SiO₂、M₂O₃等为惰性材料，本身并不会与混凝土中胶凝材料水化产物发生反应，其与石灰石粉有所不同，石灰石粉中CaCO₃可与水泥中的C₃A发生反应生成C₃A・CaCO₃・11H₂O。因此，对于高强机制砂混凝土而言，适量的机制砂石粉对优化浆体孔结构、改善混凝土力学性能及耐久性的作用更为显著，而对胶凝材料的水化过程有一定的不利影响。

3结论

1)在新拌混凝土性能方面，当机制砂石粉含量为4.5%～6.5%时，制备的C80机制砂高强高性能混凝土的工作性良好，可满足JGJ/T281-2012(高强混凝土应用技术规程》对泵送高强混凝土的技术要求。机制砂石粉含量对新拌高强高性能混凝土的屈服应力、塑性黏度等流变性能的影响不显著，且新拌高强高性能混凝土的塑性黏度基本与河砂混凝土相当，但新拌混凝土屈服应力大于河砂混凝土。

2)在硬化混凝土性能方面，随机制砂石粉含量的增加，高强高性能混凝土力学性能总体呈先增加后减小的趋势，机制砂石粉含量为6.5%时制备的混凝土具有最优的力学性能；此外，随机制砂石粉含量的增加，混凝土的抗氯离子渗透性、干燥收缩呈现不断增大的趋势，但当石粉含量不超过6.5%时，对高强高性能混凝土抗氯离子渗透性、干燥收缩影响不显著。

3)随机制砂石粉含量的增加，混凝土浆体的总孔隙率呈不断降低的趋势，当石粉含量不超过6.5%时，机制砂石粉优化混凝土浆体的孔结构分布，增加无害孔、少害孔的比例，有利于提高混凝土力学性能和耐久性；但当石粉含量增加到8.5%时，机制砂中石粉对混凝土砂浆的孔结构具有劣化作用。当石粉含量超过6.5%时，对胶凝材料的水化过程有一定的不利影响。

4)综合考虑花岗岩石粉对C80高强高性能混凝土工作性、流变性、力学性能、抗氯离子侵蚀性能及干燥收缩等方面的影响，建议C80高强高性能混凝土用花岗岩机制砂石粉的含量宜控制为4.5%～6.5%。

砼话

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