机制砂制备高强度高性能混凝土的性能试验研究

文摘 2024-10-07 07:03 河南

混凝土制备过程中细集料通常选择天然河砂，而这类材料属于短期不可再生资源，因而行业逐渐采用机制砂取代部分或全部天然河砂以提高资源利用率。机制砂通常为石英石、河卵石或鹅卵石等材料在专业制砂机中进行破碎，而后筛分破碎料中粒径在4.75mm以下颗粒，机制砂相较天然河砂具有更高粗糙度，因而能够对水泥浆和细骨料之间的粘结起到粗面效果，同时机制砂中含有部分石粉，该类组分也有利于改良水泥浆液和细骨料之间的界面特征并填补混凝土结构空隙。高性能混凝土对于结构工作性能要求较高，同时需要具有较高耐久性能，机制砂制备高强度混凝土时需要采取措施保障混凝土耐久性。

1试验材料及方法

1.1试验材料

试验中所用水泥材料为P·O52.5R级水泥，具体性能如表1所示。

试验中所用机制砂均采购自当地某制砂厂，类别为Ⅱ区中砂，市分行量为1.6%，细度模数为2.9。所用天然细骨料为取材自当地的天然河砂中砂，所用天然粗骨料为当地石料厂所产5～25mm连续级配碎石，含泥量为0.2%。所用减水剂为Point-400S高校减水剂，实验用水均为实验室自来水。

1.2试验方法

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009中相关规定开展混凝土耐久性能实验，以《混凝土耐久性检验评定标准》JGJ/T193-2009相关规定玩开展混凝土耐久度等级评定。

其中测试混凝土早期抗裂性能时，按照规定要求将配置好的混凝土浆液成型为平行薄板结构，在60%湿度和20℃条件下养护至指定龄期后即可开展抗裂性能测试。

测试混凝土干燥收缩性能时进行接触法测试，在不施加外界约束的基础上测试棱柱体混凝土试块在特定温度范围内的收缩变形情况。

测试混凝土抗氯离子渗透性能时采用电通量法和快速氯离子迁移系数法测试。采用电通量法测试时，首先根据指定配合比配置混凝土浆液，成型直径为100mm的圆柱体试件，取芯并切割制作成50mm高度混凝土试件，将试件在水中浸泡24d后取出试件并对试件一侧端部施加60V直流电压并测试6h内混凝土通电总量。采用快速氯离子迁移系数法测试时同样制作直径100mm的圆柱体混凝土试块，养护56d后取芯并获得高度100mm的混凝土试件，放入水中浸泡24h后取出试件并在一段施加30V直流电压，记录混凝土试件初始电流，并以该电流大小为依据确定电压持续时间，通电完成后即可根据相关公式计算氯离子迁移系数。

以相关工程规定要求中干湿循环法相关描述为依据测定混凝土抗压强度耐蚀系数，试验过程中盐溶液干湿循环此时取150次，处理混凝土试块后记录抗压强度，即可通过规定公式计算耐蚀系数。

2试验结果及分析

2.1配合比

某项目混凝土结构设计强度为C60级，混凝土坍落度应控制在180mm左右，实验过程中混凝土水胶比分别取0.30、0.32和0.34，机制砂中石粉含量选择1%、3%和5%，砂率选择37%、38%和39%，矿粉掺量10%、20%和30%，所制备混凝土表观密度预计为2400kg/m³。

以上述内容设计各组实验组配合比，结果如表2。

将水胶比记为A，石粉含量记为B，矿粉掺量记为C，砂率记为D，并以28d抗压强度和混凝土拌合物坍落度为基准开展极差分析，所得结果如表3所示。

以坍落度为因素开展极差分析，结果为A＞D＞B=C，这一结果表明矿粉和石粉对混凝土拌合物坍落度的影响最小，砂率略高，水胶比的影响最直观。以28d抗压强度为因素开展极差分析，结果为A＞C＞B＞D，说明水胶比对28d抗压强度产生影响在这批因素里最大，矿粉掺量的影响效果略小，机制砂中石粉含量及砂率对抗压强度产生影响最小。结合相关规定要求可知，要配置强度等级为C60的混凝土则实际配置强度应当为60×1.15=69MPa，而工程实践中存在现场环境、材料清洁度和人工操作等因素影响，导致实际制备的混凝土强度等级通常略低于实验室制备水平5MPa，因而实验室制备混凝土应确保混凝土具有73MPa才能够充分满足规范要求。综合考虑下决定采用水胶比为0.32，砂率为37%，矿粉掺加量和石粉含量为37%和3%。

2.2抗压强度及工作性能

根据《人工砂混凝土应用技术规程》JGJ/T241-2011要求，机制砂混凝土强度等级为C60级时应确保石粉用量不得超过5%，前文所设计配合比中石粉含量为3%，满足工程规范要求。在前文配合比的基础上调整河砂、机制砂掺量并分别测定混凝土强度性能、工作性能，所得结果如表4所示。

结合表4可得，三组混凝凝土在工作性能方面均能够满足泵送要求，其中11组混凝土试件抗压强度相较单掺河砂的10组混凝土提升幅度在2.14%左右，而单掺机制砂的12组混凝土抗压强度比10组提升3.70%。究其原因在于机制砂表面附着有石粉等组分，粗糙度较高，因而能够紧密咬合水泥浆体并提升混凝土密实度，最终表现为结构抗压强度提升。

2.3耐久性能

2.3.1早期抗裂性能

测试组10～12混凝土试件浇筑后24h抗裂性能水平，所得结果如表5所示。

根据表5可得，单掺机制砂的混凝土试件早期开裂面积总值比单掺河砂的混凝土试件略低，抗裂等级能够达到相关规定中的最高等级要求。原因在于机制砂中含有的石粉组分能够提高混凝土体系中粉体比例，降低混凝土抗裂能力。但与此同时机制砂表面十分粗糙，其与水泥浆体之间具有较强的咬合作用力，其携带的石粉也能够填充混凝土结构空隙，最终表现为早期抗裂性能的提升，平均裂缝面积远远低于单掺河砂的混凝土。

2.3.2干燥收缩性能

在无外界约束条件下测试棱柱体混凝土试件不同养护龄期下干缩率，所得结果如表6所示。

根据表6可知，养护龄期在14d及以下时机制砂混凝土具有显著更高的干缩率，究其原因在于混凝土水化反应过程中机制砂中石粉组分参与形成C₃S并起到晶核作用，大大加快了水化反应速率，表现为收缩加速。而养护龄期在14d以上时，机制砂混凝土的干缩率反而低于河砂混凝土，其原因在于水化反应至一定程度后机制砂中石粉能够填充混凝土结构空隙并提高体系密实度，表现为收缩率增长速度放缓。

2.3.3抗氯离子渗透性能

分别采用电通量法和快速氯离子迁移系数法评价混凝土试件抗氯离子渗透性能，所得结果如表7所示。

根据表7可知，养护56d龄期下，机制砂混凝土和河砂混凝土均能够达到Q-Ⅳ级和RCM-Ⅳ级规定要求，这一结果表明机制砂混凝土和河砂混凝土均具有良好密实性，内部孔隙率较低，抗氯离子渗透性能较强。其中机制砂混凝土无论DRCM还是电通量均处于相对较低水平，说明机制砂取代天然细骨料制备混凝土有利于强化结构抗氯离子渗透性能。

2.3.4抗压强度耐蚀系数

测定150次干湿循环下混凝土试块抗压强度耐蚀系数，结果显示组10、组11和组12混凝土耐蚀系数分别为98.6%、101.3%和100.8%，等级均能够达到KS150级以上。其中河砂混凝土和机制砂混凝土耐蚀系数相差并不大，说明两者抗硫酸盐溶液腐蚀性能相近。

3结语

综上所述，机制砂混凝土板的单位面积开裂面积为43mm²/m²，抗裂等级达到L-V级，显著低于河砂混凝土；机制砂混凝土制备试件的电通量达Q-Ⅳ级，DRCM达RCM-Ⅳ级，且数值均低于河砂混凝土；河砂混凝土和机制砂混凝土抗硫酸盐等级均能够达到KS150级以上，且耐蚀系数相差不大。（来源：《广东建材》2024.08）

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