机制砂MB值对掺石粉混凝土性能的影响

文摘 2025-01-31 07:01 河南

0引言

水泥混凝土行业作为碳排放量最大的行业之一，其低碳发展形式严峻且紧迫。传统矿物掺合料（如粉煤灰、矿粉等）在混凝土的低碳化设计中发挥了重要作用。然而，近年来，优质的传统矿物掺合料资源日益短缺，故储量丰富、取材容易的石粉作为矿物掺合料将是必然趋势。同时，混凝土行业的可持续发展迫使机制砂逐步替代河砂成为主要细骨料。

机制砂中因母材夹杂、运输与生产过程引入等原因含有一定量的黏土矿物，机制砂MB值是表征其中黏土矿物含量的指标。有研究表明，黏土矿物由于具有较大的比表面积、较强的吸附能力和较好的亲水性，在混凝土的制备过程中会吸附大量的拌合水和减水剂，从而影响水泥的水化进程，降低混凝土的工作性；此外，黏土矿物还会包覆在骨料表面，影响水泥-骨料的界面过渡区，进而对混凝土强度和耐久性能产生不良影响。但也有研究表明，黏土对水泥水化无负面影响，甚至还会在一定程度上促进水泥水化、提高混凝土的强度。可见，关于机制砂MB值对混凝土性能的影响并未达成统一结论。

本文以贵州某桥梁工程为背景，以建设过程中生产的两批次不同MB值机制砂为研究对象，研究这两种机制砂MB值对掺石粉混凝土工作性与力学性能的影响，分析机制砂MB值和石粉掺量对混凝土性能的协同作用，以期为机制砂在桥梁建设工程中的应用提供参考。

1试验概况

1.1原材料

水泥：贵州晴隆盘江水泥有限公司生产的P·O42.5级水泥，比表面积为333m²/kg；石粉：由粒径为4.75～9.50mm的石灰石经粉磨制得，比表面积为314m²/kg；粉煤灰：福能（贵州）发电有限公司生产的域级粉煤灰；机制砂：MB值分别为0.75和2.75的机制砂，取自贵州某桥梁工程建设过程实际生产，石粉含量均为13%；碎石：粒径为5～20mm的碎石；外加剂：保坍型聚羧酸系高性能减水剂HSPC-8W，含固量为26%，减水率为30%；水：自来水。

1.2配合比

混凝土的配合比如表1所示，编号中：C为纯水泥组；FA为掺粉煤灰组；LP为掺石粉组；其后数字为掺量（占胶凝材料质量的百分比）；a为MB值为0.75；b为MB值为2.75。拌制过程中调整减水剂掺量，控制各组拌合物的初始坍落度和扩展度分别为（230±10）mm和（600±25）mm。

1.3性能测试

工作性：参考GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行混凝土拌合物初始及1h时的坍落度、扩展度、倒置坍落度筒排空时间（以下简称倒坍时间）测试。

抗压强度：参考GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》成型尺寸为100mm×100mm×100mm的试件，标准养护至3、7、28、56、90、180d，进行抗压强度测试。

2结果与讨论

2.1工作性

2.1.1机制砂MB值对工作性的影响

机制砂MB值对混凝土的初始及1h工作性的影响如图1所示。

由图1和表1可知：相比于纯水泥组，采用石粉或粉煤灰部分替代水泥制备的混凝土达到相近初始坍落度与扩展度时，外加剂掺量降低，说明石粉和粉煤灰可以改善混凝土的初始工作性；当机制砂MB值从0.75提高到2.75时，无论何种胶凝材料体系，外加剂掺量均增加。分析认为，当机制砂MB值由0.75增加至2.75时，机制砂中黏土矿物吸附大量的外加剂分子和自由水，随着水泥水化的进行，混凝土中自由水减少，黏土矿物中吸附的外加剂和自由水部分释放，弥补了混凝土的坍落度与扩展度的部分损失，坍落度与扩展度均反映了混凝土的屈服应力，此结果也表明机制砂MB值的增加可减缓混凝土屈服应力的增长速率。混凝土黏度的倒坍时间测试结果见表2。

由表2可知：随着机制砂MB值从0.75增加到2.75，纯水泥组及掺粉煤灰组混凝土的初始倒坍时间均略有降低，掺石粉组混凝土的初始倒坍时间均提高，纯水泥组混凝土1h的倒坍时间增加，其他组甚至无法测得1h倒坍时间，说明提高机制砂MB值会显著提高混凝土的黏度。

2.1.2石粉掺量对工作性的影响

图2为相同机制砂MB值时不同胶凝材料体系混凝土的坍落度和扩展度。

由图2（a）可知：C-a组混凝土的1h扩展度（340mm）低于FA10LP10-a和LP20-a组（450mm和390mm）。可见，随着石粉和粉煤灰掺量从0增加到10%，二者的综合作用提高了混凝土的保坍性能，工作性得到了改善；单掺石粉时（LP20-a），混凝土的保坍性能较FA10LP10-b组有小幅劣化，但较C-a组仍有一定程度的改善。对比图2（a）、图2（b）可知，b组混凝土的坍落度和扩展度损失基本比a组大，b组混凝土的保坍性能受石粉的影响相对较小。综上，当机制砂MB值较小时，适宜的石粉掺量可以改善混凝土的工作性；而机制砂MB值过大对机制砂混凝土工作性的负面影响远大于石粉的正面影响。

2.2力学性能

2.2.1机制砂MB值对力学性能的影响

图3为机制砂MB值对不同胶凝材料体系混凝土试件抗压强度的影响。

由图3（a）、图3（b）可知：随着机制砂MB值的增加，C组和FA20组试件各龄期抗压强度均降低，这是由于黏土矿物阻碍了水泥水化反应进程，劣化了水泥-骨料的界面过渡区，同时，黏土矿物的高吸水特性通过水化反应早期吸水、后期缓慢释放的方式也在一定程度上改善了混凝土的密实度与保水性[16-17]。综合来看，机制砂MB值过大对水泥水化的负面影响大于其对密实度的改善作用；相较于C-a组，C-b组试件3d抗压强度降幅最大，约为10.4%，但随着龄期的增加，两组试件的抗压强度差幅减小；FA20组试件各龄期的抗压强度均低于C组相应龄期的抗压强度，说明粉煤灰替代水泥会降低混凝土的强度，这归因于粉煤灰的水化活性较水泥低[12]；FA20组组间相应龄期抗压强度的差幅大于C组，这是由于FA20组试件水泥用量较C组少，间接使机制砂MB值对水泥水化的影响更显著[12，17-18]。由图3（c）、图3（d）可知，随着机制砂MB值的增加和石粉的掺入，FA10LP10和LP20组试件各龄期抗压强度均有所增加，这可能是由于在石粉与粉煤灰综合作用下，机制砂MB值对水泥水化后期的正面影响效果更显著。

2.2.2石粉掺量对力学性能的影响

图4为相同机制砂MB值时不同胶凝材料体系混凝土试件的抗压强度。

由图4（a）可知，相较于C组，掺入石粉或粉煤灰时，各组试件各龄期的抗压强度降低，其中，单掺石粉组试件（LP20-a）180d的抗压强度为45.2MPa，仅为C-a组的83.3%。由图4（b）可知，各组试件相应龄期的抗压强度差值较图4（a）中减小，当机制砂MB值为2.75时，复掺石粉与粉煤灰试件的抗压强度优于单掺石粉与粉煤灰组试件。

3结论

（1）机制砂MB值的增加会劣化混凝土的初始工作性，降低混凝土的保坍性能；当机制砂MB值较小时，适当的石粉掺量可以在一定程度上改善混凝土的工作性，但机制砂MB值过大对机制砂混凝土工作性的负面影响则远大于石粉的正面影响。

（2）机制砂MB值对不同胶凝材料体系混凝土抗压强度的影响不同，对于纯水泥或单掺粉煤灰组试件，机制砂MB值的增加会降低抗压强度；而对于掺石粉试件，机制砂MB值的增加会小幅提高抗压强度。总体上，机制砂MB值对掺石粉混凝土抗压强度的影响相对较小，故在实际工程中，应该重点关注机制砂MB值对掺石粉混凝土的工作性与耐久性能的影响。（来源：《混凝土与水泥制品》2024.05）

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