石灰岩机制砂级配对混凝土性能的影响研究

石灰岩机制砂级配对混凝土性能的影响研究

 

编者按：中国砂石协会定于2023年12月5日—7日，在中国上海召开第八届中国国际砂石骨料大会（点击了解）。本次大会在砂石行业内广泛征集了学术论文，今日，中国砂石协会融媒体中心推出蒋泽宇、卢超琦、孟文慧共同撰写的《石灰岩机制砂级配对混凝土性能的影响研究》一文，以飨读者。

石灰岩机制砂级配对混凝土性能的影响研究

蒋泽宇，卢超琦，孟文慧（北京建筑大学，北京100044）

【摘要】为验证T/CBMF38-2018，T/CAATB001-2018《高性能混凝土用骨料》机制砂分计筛余的控制范围，本文通过调整石灰岩机制砂各粒级分计筛余设计不同的级配，研究其对混凝土性能的影响。试验结果表明：T/CBMF38-2018，T/CAATB001-2018《高性能混凝土用骨料》中对机制砂分计筛余范围是比较合理的。总体上看， 0.3、0.6mm这两个粒径的颗粒含量不宜低于标准下限，0.15mm、0.3mm、0.6mm这三个粒径分计筛余总量宜保持在55%以上。C50混凝土机制砂过粗或过细都会导致混凝土拌合物状态不佳，选取该标准Ⅰ级分计筛余范围最为合适。

【关键词】石灰岩；机制砂；分计筛余；大流态混凝土；和易性；强度

Study on the influence of limestone machine-made sand grade on the performance of concrete

Jiang Zeyu1,Lu Chaoqi1,Meng Wenhui1(Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing Key Laboratory of Building Structure and Environmental Remediation Functional Materials, Beijing 100044, China)

Abstract: In order to verify the control range of manufactured-sand grader retained percentage in T/CBMF38-2018，T/CAATB001-2018 "aggregates for high performance concrete", this paper studies the influence on concrete performance by adjusting the different grading of each particle size grader retained percentage of limestone manufactured-sand. The test results show that: T/CBMF38-2018，T/CAATB001-2018 "aggregates for high performance concrete" is more reasonable for the grader retained percentage of manufactured-sand. In general, the particle content of 0.3 and 0.6 mm should not be lower than the lower limit of the standard, and the total amount of grader retained percentage of 0.15 mm, 0.3 mm and 0.6 mm should be kept above 55%. For C50 concrete , whether the manufactured-sand particles is too thick or thin can both result in a poor state of concrete mixture, It is more resonable to select the level I range in the specification.

Key words: Limestone；Manufactured-sand；Grader retained percentage；High-fluidity concrete；Workability；Strength

1.引言近年来，我国基础设施建设规模巨大，砂石作为基础设施建设工程用量最大的材料，对其需求量越来越大。由于资源和生态压力，天然砂石资源日益短缺，为基础设施建设的可持续发展，机制砂石骨料已替代天然砂石成为我国的主力砂石源 [1-4]。与河砂相比，机制砂经不同生产工艺破碎、筛分及整形生产出，品质也有较大的差异。当前，机制砂常存在级配不良、超出级配范围、石粉含量超标等质量问题，配制的混凝土经常出现和易性不良[5-6]。机制砂级配对混凝土拌合物工作性能影响较大，GB/T14684-2011《建设用砂》中用累计筛余和细度模数来表征机制砂级配存在问题,在不同程度上常出现粗颗粒多，中间颗粒含量较少，石粉多的“哑铃型”级配，满足标准Ⅱ区要求级配的机制砂可能对混凝土的性能产生不同影响[7-9]。本研究的目的就是为了验证T/CBMF38-2018 ，T/CAATB001-2018《高性能混凝土用骨料》（中国建筑材料联合会、中国砂石协会团体标准）利用分计筛余的合理性，对石灰岩机制砂的级配提出适宜的控制范围。

2.原材料与试验方法2.1原材料（1）水泥金隅P.O 42.5水泥，其主要物理力学性能如表2-1所示：

表 2-1 水泥指标试验数据

（2）粉煤灰北京敬业达公司生产的Ⅱ级粉煤灰。其主要的性能指标如表2-2所示：

表2-2粉煤灰的主要指标试验数据

（3）S95矿渣粉S95矿渣粉产自河北，其主要指标数据如表2-3所示：

表2-3矿渣粉主要的指标试验数据

（4）细骨料细骨料为石灰岩机制砂，产地为昆明，其性能指标与级配如表2-4、2-5所示：

表2-4机制砂性能指标

表2-5 机制砂级配

将砂看做球形，相同质量的每一粒级砂的粒径均比相邻粒级砂的粒径相差1/2，称作比表面积指数。比粒度即各粒级分级筛余与相应比表面积指数的乘积的加和。不同粒径的砂子比粒度按表2-6计算[10]。用比粒度来表征机制砂细度，由于和颗粒表面积相关度高，相对于细度模数表征机制砂细度更精确。

表2-6 机制砂比粒度计算

（5）粗骨料5-10mm、10-25mm两个粒级的碎石，二者比例为1:2，其性能指标见表2-7。

表2-7 粗骨料技术指标试验数据

（6）减水剂聚羧酸减水剂，产地为河北唐山，其主要性能指标见表2-8。

表2-8 聚羧酸减水剂性能指标

（7） 水自来水。

2.2试验方法2.2.1机制砂级配设计对于石灰岩机制砂级配的配制原则，遵循以下思路。参考标准为T/CBMF38-2018，T/CAATB001-2018《高性能混凝土用骨料》和GB/T14684-2011《建设用砂》。

机制砂级配设计分为两个步骤，第一是在上述两种标准之内，分别对砂的级配进行粗、中、细的调整，并标注每种级配所属于的标准名称，使配制出的机制砂涵盖GB/T14684-2011的3个级配区以及T/CBMF38-2018，T/CAATB001-2018Ⅰ级Ⅱ级等范围；第二是分别调整特定粒级，使被调整的粒级分计筛余超出T/CBMF38-2018，T/CAATB001-2018《高性能混凝土用骨料》规定粒级范围限制，每一个粒级分别设置高于标准和低于标准分计筛余范围两种情况，再分别调整其细度。

表2-9  T/CBMF38-2018，T/CAATB001-2018《高性能混凝土用骨料》级配范围

表2-10 级配在标准以内机制砂A组级配设计

注：A6比粒度和A7细度模数、比粒度不符合T/CBMF38-2018，T/CAATB001-2018《高性能混凝土用骨料》要求。

表2-11超出标准机制砂B组级配设计

注：标准即指T/CBMF38-2018，T/CAATB001-2018《高​性能混凝土用骨料》

2.2.2混凝土试验配合比

表2-12 C30大流态石灰岩机制砂混凝土配合比（ 单位：kg/m³）

表2-13 C50大流态石灰岩机制砂混凝土配合比 （单位：kg/m³）

3 试验结果及分析3.1机制砂级配对C30混凝土性能的影响3.1.1机制砂级配对C30混凝土拌合物和易性的影响为达到大流态的要求，通过调整减水剂的掺量来使混凝土的坍落度范围控制在230mm以上，扩展度范围控制在550mm以上，表3-1为A组和易性，表3-2为B组和易性。

表3-1  A组级配C30混凝土和易性

随着细度的逐渐减小，混凝土拌合物状态整体性能较好，外加剂用量也比较少。当细度模数大于2.8，比粒度低于5.0后，即便符合T/CBMF38-2018，T/CAATB001-2018《高性能混凝土用骨料》分计筛余要求，混凝土拌合物性能也变差，且外加剂用量显著提高。

表3-2   B组级配C30混凝土和易性

 

对C30混凝土抗压强度的影响对C30大流态混凝土，石灰岩机制砂调整单个粒级分计筛余，使其他粒径在满足T/CBMF38-2018，T/CAATB001-2018《高性能混凝土用骨料》级配区的前提下，0.3mm这一粒级不宜超过标准范围，且这一粒径对混凝土拌合物粘聚性、保水性作用明显；0.6mm这一粒径对于混凝土拌合物粘聚性、保水性也很重要，分计筛余对于不宜低于标准下限；0.6mm这一粒径分计筛余如果超过标准大于40%，0.3mm分计筛余宜取下限；0.15mm粒径适度超过标准分计筛余上限，只要0.3mm和0.6mm分计筛余在15-20%之间对于拌合物和易性影响不大；1.18mm粒径对混凝土粘聚性有一定作用，但不明显，不宜断档或低于标准下限。0.15、0.3、0.6mm这三个粒径分计筛余总量宜保持在55%以上，如果在以下的话，需要保证2.36mm以下粒径总量与2.36mm及以上粒径总量之比大于3。石灰石机制砂比粒度的适宜范围是4-7.5。

表3-3   A组级配C30混凝土抗压强度（单位：MPa）    

由数据可知，分计筛余符合标准时对C30混凝土强度无明显影响。

表3-4   B组级配C30混凝土抗压强度（ 单位：MPa）

整体上看，B组强度相对A组有所降低，说明良好的级配会有效保证和提高混凝土强度。比粒度在一定程度上可以反应机制砂级配，比粒度不在正常范围内的机制砂级配不良。级配不符合T/CBMF38-2018，T/CAATB001-2018《高性能混凝土用骨料》要求，尤其是0.6mm、0.3mm、0.15 mm等分计筛余过低时，对混凝土和易性和强度都影响较大。

3.1.4级配对C30混凝土抗氯离子渗透性能的影响试验所用混凝土试块龄期为56d。各组混凝土试块电通量及机制砂比粒度如表3-5所示。由表可知，级配对C30大流态混凝土抗氯离子渗透性能无显著影响，混凝土电通量大都在1200~1500C之间，氯离子渗透性低。

表3-5  C30混凝土电通量值（单位：C）

机制砂级配对于混凝土电通量影响不显著，但总体上看级配不良实验组的电通量较高。

3.2机制砂级配对C50混凝土性能的影响3.2.1机制砂级配对C50混凝土和易性的影响

表3-6   C50混凝土和易性

 

C50组混凝土和易性见表3-6。对于C50大流态石灰岩机制砂混凝土来说，机制砂过粗或过细都会导致混凝土拌合物状态不佳，T/CBMF38-2018， T/CAATB001-2018《高性能混凝土用骨料》Ⅰ级的范围比较合适。比粒度在5~6时比较合适。

3.2.2级配对C50混凝土抗压强度的影响C50混凝土各龄期强度与比粒度见表3-7。

表3-7  C50混凝土抗压强度（单位：MPa）

机制砂级配对于C50强度混凝土强度影响规律性不明显，但是整体均达到强度等级要求，整体上看，机制砂相对较粗实验组的强度更高，机制砂过细，强度有所降低。

3.2.3级配对C50混凝土抗氯离子渗透性能的影响试验所用混凝土试块龄期为56d。C50混凝土试块电通量及机制砂比例度如表3-8所示。

表3-8 C50混凝土电通量值（单位：C）

由表可知，级配对C50混凝土抗氯离子渗透性能无显著影响，混凝土电通量大致在400~700C之间，氯离子渗透性很低。机制砂级配好的A组混凝土电通量略低。

4.结论

（1）T/CAATB001-2018《高性能混凝土用骨料》级配区分计筛余规定的范围是比较合理的，石灰岩机制砂分计筛余符合标准要求时总体上和易性好，尤其是0.60mm和0.30mm两个粒径颗粒的分计筛余不应低于标准下限，0.60mm、0.30mm和0.15mm的分计筛余之和不宜低于55%。

（2）T/CBMF38-2018 T/CAATB001-2018《高性能混凝土用骨料》中定义的比粒度概念是一个比细度模数更精确的机制砂细度表征指标，在一定程度上还可以反映机制砂级配。对于石灰岩机制砂而言4.0-7.5范围内，混凝土和易性较好。

（3）对于C30混凝土，可以选择相对比较细的石灰岩机制砂，细颗粒和石粉含量可以较高；对于C50混凝土，级配过粗或过细都会导致混凝土拌合物状态不佳，对于和易性而言，比粒度5-6，T/CBMF38-2018 T/CAATB001-2018《高性能混凝土用骨料》Ⅰ级的范围比较合适。

（4）石灰岩机制砂级配对C30混凝土强度无明显影响，但整体上看，良好的级配会提高混凝土强度。机制砂偏细，C50混凝土强度有所降低，对于强度而言，比粒度宜控制在4.0-5.5。

（5）石灰岩机制砂级配对混凝土电通量影响不显著，但级配好的实验组略低。

参考文献Reference

[1]郭丹,宋少民,李莉.Ⅱ区机制砂不同级配对胶砂和混凝土性能的影响[J].建筑技术,2016,47(09):829-831.

[2]何世钦,吕淼,马冬哲,蔡升宇.高石粉含量机制砂自密实混凝土配制方法试验研究[J].混凝土,2019(11):132-135+140.

[3]郭丹,宋少民.混凝土用骨料相关标准存在的问题与思考[J].混凝土,2017(02):46-49.

[4]谢华兵,韦江雄,李方贤.机制砂粒形与级配特性及其评价标准探究[J].广东建材,2016,32(09):28-33.

[5]邢福燕,刘洋,杨文杰,于磊,李小磊.砂子细度及级配对新拌混凝土性能的影响研究[J].混凝土,2015(01):118-121+130.

[6]吴勇,舒尤波,谭崎松.铁路工程高品质机制砂生产关键技术[J].中国铁路,2019(08):19-24.

[7]Meininger, R. C. Aggregate test related to performance of Portland cement concrete pavement[C]. National Cooperative Highway Research Program Project, 2008.

[8]朱华胜,周剑波,李传书,苗永旺,曾永平,曾晓辉,辜英晗,沈卫国,朱东敏,佘志清.石灰石机制砂品质对混凝土性能的影响[J].中国建材科技,2019,28(06):63-66.

[9]岳海军,李北星,周明凯,刘战鳌.水泥混凝土用机制砂的级配探讨与试验[J].混凝土,2012(03):91-94.

[10] T/CBMF38-2018，T/CAATB001-2018,高性能混凝土用骨料[S].

来源：第八届中国国际砂石骨料大会论文集