机制砂物理性能对混凝土工作性能的影响

文摘 2024-11-05 07:02 河南

0引言

机制砂是经过水洗除泥、机械破碎而得到的粒径在4.75mm以下的集料，其在混凝土材料中起到重要的填充作用，属于不可或缺的工程材料。机制砂自身级配、棱角性、密度及孔隙率等物理参数均对混凝土工作性能有较大影响。在机制砂大规模取代天然砂的过程中，如果按照天然砂使用方法和相关规程进行比例确定，则机制砂混凝土工程性能很难得到保证。为此，本文对机制砂自身物理性能展开试验检测，并对机制砂混凝土工作性能受用水量、砂率、水灰比的影响展开试验研究，以期指导工程应用。

1机制砂及混凝土性能试验方案设计

1.1试验材料

试验用到的材料主要有水泥、粒径在40mm以内的碎石粗集料、石灰岩机制砂细集料、石灰岩石粉、水、减水剂。

其中，P·O42.5普通硅酸盐水泥密度为3.21g/cm³，比表面积389m2/kg，初凝及终凝时间分别为90min和300min；3d和28d抗压强度为27.1MPa和55.3MPa；3d和28d抗折强度为5.53MPa和8.96MPa。

聚羧酸减水剂固含量为19.5%，比重为1.21g/cm³，减水率为26.5%，pH值达到7.1。根据《建筑用卵石、碎石》（GB/T14685-2011）进行粗集料筛余量测定，结果见表1。筛分结果满足规范。

1.2试件制备

通过额定容量60L、设计转速48转/min的强制式搅拌机进行混凝土试件制备，分别制备126个长×宽×高为150mm×150mm×150mm的机制砂混凝土试件以展开抗压试验，制备126个长×宽×高为150mm×150mm×150mm的试件进行劈裂抗拉试验，制备18个100mm×100mm×515mm的试件用于干缩试验。为方便比较，同时制备相同尺寸和数量的天然砂混凝土试件，进行对比试验。

试件制备过程中，先按照投料次序依次加入称量好的石料、砂，干拌和120s，此后再缓慢掺水，持续拌和120min。将所得到的混合物压入试模，并在振捣台处振捣密实；将成型后的试块放入温度为（20±2）℃的空间静置2d，此后拆模、编号并展开标准养护。

2机制砂物理性能试验

机制砂主要由机械破碎而成，棱角分明且外形并不规则，其形状、级配等物理性能对所制备成的混凝土工程性能影响较大。为此，通过多种检测手段展开机制砂物理性能分析。

2.1机制砂级配

机制砂级配主要与岩性、破碎方式等有关，按照《建设用砂》（GB/T14684-2022）所得机制砂颗粒级配情况见表2。根据累积筛余级配分布情况，机制砂为Ⅱ类砂，且机制砂两端颗粒占比高，中间颗粒占比低。

2.2机制砂外形

筛分细集料后提取50g粒径为2.36～4.75mm的机制砂颗粒，分散摆放于白色试纸上；通过逆光箱法拍照后再用Photoshop软件进行图像处理，利用IPP6.0软件进行图像分析，由软件自动生成各粒机制砂粗糙度、圆度及长径比等形状参数。检测得机制砂长径比均值为1.409，平均粗糙度为1.041，平均圆度为1.137，表明机制砂中偏针棒状颗粒含量高，表面更为粗糙。

按照《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）中的流动时间法和间隙率法进行集料棱角性检测。根据结果，机制砂平均流动时间为34.1s，平均间隙率为44.12%，明显超出河砂。进一步验证，相对天然砂而言，机制砂表面更为粗糙，棱角性更为明显，形状更加不规则等特征。

2.3密度及孔隙率

按《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）进行机制砂密度及孔隙率检测和计算。根据结果，机制砂表观密度为2965kg/m³，松散堆积及紧密堆积状态下密度分别为1610kg/m³和1890kg/m³，两种堆积状态下对应的孔隙率为44.56%和34.02%，均明显高出天然河沙。

3机制砂物理性能对混凝土工作性能的影响分析

3.1不同用水量下石粉含量的作用

在水灰比取0.55，砂率取38%，用水量依次取170、180、190、200的情况下，展开石粉含量影响混凝土坍落度的分析，试验结果见表3。

由检测值可知，石粉对混凝土工作性能的改进效果显著；当用水量为170kg、石粉含量为8%时，机制砂混凝土坍落度超出天然砂混凝土；当用水量为180kg、石粉含量为8%和12%时，机制砂混凝土坍落度超出天然砂混凝土；当用水量为190kg、石粉含量为8%、12%和15%时，机制砂混凝土坍落度超出天然砂混凝土；当用水量为200kg、石粉含量为5%、8%、12%和15%时，机制砂混凝土坍落度超出天然砂混凝土。

此外，对于不同用水量，机制砂混凝土均存在最大石粉含量，若实际石粉掺量达不到该含量，随着石粉掺量的增加，混凝土坍落度升高；当实际石粉掺量超出该最佳含量，则石粉掺量的增加对混凝土坍落度较为不利，故在使用不同石粉含量机制砂配制混凝土时，须结合试配结果和石粉掺量相应调整用水量。

根据试验结果，经过对考虑石粉含量的混凝土单位用水量以及混凝土中不同石粉含量下单位用水量的反复拟合论证，最终得出机制砂混凝土单位用水量计算公式：

式（1）中：W_g为机制砂混凝土单位用水量，单位kg/m³；S_g为石粉含量（%）；T为混凝土坍落度设定值，单位mm。

3.2不同砂率下石粉含量的作用

根据外掺法原理，石粉掺加后与胶凝材料共同构成混凝土粉体结构，而这种粉体结构受砂率的影响较大，故在混凝土制备时应加强砂率控制。在单位用水量取180kg/m³、水灰比取0.55的情况下，试验结果见表4。

根据试验数值，随石粉含量的增大，不同砂率混凝土坍落度变化各异。当砂率取36%时，混凝土坍落度与石粉含量同向变动，且当石粉含量达到12%时，机制砂混凝土坍落度值才大于天然砂混凝土；砂率取38%、40%、42%时，混凝土坍落度随石粉含量的增大而先增后减，且当石粉含量达到5%时，机制砂混凝土坍落度值才高出天然砂混凝土；当砂率取44%时，混凝土坍落度随石粉含量的增大而递减，且无论石粉含量如何改变，机制砂混凝土坍落度均小于天然砂混凝土。

由此可见，不同砂率机制砂混凝土石粉含量存在临界值，若实际石粉含量低于临界值，则随着石粉含量的增大，混凝土坍落度相应增大。为此，应将机制砂混凝土中石粉含量控制在临界值范围以内。为更加直观地体现砂率与石粉含量之间的关系，根据以上试验结果进行拟合，得到拟合公式如下：

y=-1.69x+79.1，R²=0.9874（2）

式（2）中：y为机制砂混凝土中石粉含量临界值（%）；x为砂率（%）；R2为相关系数。

3.3不同水灰比下石粉含量的作用

在单位方量混凝土用水量取180kg/m³、砂率取38%的情况下，对不同水灰比和石粉掺量的机制砂混凝土坍落度进行试验，结果见表5。

根据实验结果，对于不同的水灰比，随着石粉含量的增大，机制砂混凝土坍落度均先升后降，且当石粉掺量分别取12%、8%、5%时达到峰值。

由此看出，机制砂混凝土石粉含量仍存在一个最佳值，在该最佳值之前，机制砂混凝土坍落度与石粉含量正向变动。为此，应针对不同水灰比，将石粉含量控制在此最佳值以内。

4结束语

本研究借鉴普通混凝土用水量的思路，对石粉含量对机制砂混凝土工作性能的影响程度进行了试验，并根据试验结果拟合出此类混凝土用水量选用的关系公式。此外，机制砂混凝土石粉用量临界值主要与砂率、水灰比等有关；砂率随石粉用量的增大而减小，石粉用量随水灰比的增大而增加。为保证机制砂的工程性能，应将石粉用量控制在临界值以内，确保混凝土坍落度与石粉含量正向变动。

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