全机制砂C60高性能混凝土试验研究及工程应用

全机制砂C60 高性能混凝土试验研究及工程应用

刘升

（福州市建筑科学研究所，福建福州350004）

 

摘 要：试验研究了机制砂的细度模数、级配、石粉含量等技术指标对全机制砂C60 高性能混凝土的和易性、保坍性能、强度等影响，并与天然中粗河砂配制的C60 高性能混凝土进行了长期性能(抗碳化性能、干缩)的比对试验。试验结果表明，选择技术指标适当的机制砂完全可以单独作为细集料配制C60 高性能混凝土，其长期性能(抗碳化能力、干缩)与天然中粗河砂配制的相当，并在平潭综合试验区的实际工程取得成功应用。

关键词：全机制砂；细度模数；石粉含量；C60 高性能混凝土。

0 引言

随着福建省平潭综合实验区政策出台，平潭岛内的市政道路等基础设施和工业民用建筑的工程量较大，建筑用砂石材料的用量巨大。“绿水青山就是就是金山银山”，环保和可持续发展已经上升到国家策略，对于天然河砂采取限制性开采，天然河砂价格逐年增高，且难以满足平潭综合试验区内日益增长建筑用砂需求。福建省于2014 年3 月发布了《关于在全省推广应用机制砂的通知》(闽建建[2014]7 号文)。平潭综合试验区无天然河砂资源，如何因地制宜，就地取材，进行机制砂的加工和应用研究迫在眉睫。机制砂是指经除土处理，由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但不包括软化和风化的颗粒。本文研究了机制砂的细度模数、级配、石粉含量等技术指标对全机制砂C60 高性能混凝土的和易性、保坍性能、强度等影响，并与天然中粗河砂配制的C60 高性能混凝土进行了长期性能(抗碳化性能、干缩)的比对试验。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）细集料。闽清的天然中粗河砂；机制砂1、机制砂2 产地为平潭；机制砂3、机制砂4 产地为漳州龙海。砂的筛分及物性检测结果见表1。

表1 砂的筛分及物性检测结果

 

（2）水泥。安徽海螺水泥股份有限公司(芜湖)生产的PO·42.5 水泥，其物理性能见表2。

表2 水泥的物理性能

 

（3）矿物掺合料。矿粉：磨细矿渣粉，产品级别S95 级，比表面积445平方米每千克，活性指数99%；粉煤灰：国电福州江阴电厂生产的II 级粉灰，密度2.51 平方米每千克，活性指数76%，粉煤灰圆珠体情况见图1。

　4）粗骨料。5~25mm连续级配的花岗岩反击破碎石，压碎值8.9%。

（5）外加剂。福建润之宝新材料有限公司生产的聚羧酸盐高性能减水剂(缓凝型)，掺量0.8%~1.2%减水率≥25%。该产品是专门针对配制高强高性能混凝土的，产品的保坍性能好并可以适当降低混凝土粘度。

图1 粉煤灰圆珠体情况
 

1.2 试验方法

骨料分析试验依据GB14684- 2011 《建设用砂》和GB14685- 2011《建设用卵石、碎石》。水泥分析试验依据GB175- 2007《通用硅酸盐水泥》。矿渣粉、粉煤灰分析试验依据GB/T 18046- 2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》和GB/T 1596- 2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》。混凝土力学性能及拌和物性能检测依据GB/T50081- 2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和GB/T50080- 2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》。混凝土长期性能和耐久性能检测依据GB/T50082- 2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。

2 试验结果与分析

全机制砂C60 高性能混凝土的配合比见表3。考虑福建地区C60 高性能混凝土现场浇筑时间长的实际情况，新拌混凝土做3h 坍落度经时损失。全机制砂C60 高性能混凝土试验结果见表4、表5。

表3 C60 高性能混凝土配合比

 

2.1 细度模数和级配

细度模数是衡量砂粗细程度的指标，级配是砂各级粒径颗粒的分配情况。图2 为砂的颗粒级配曲线，其中天然河砂、机制砂3、机制砂4为II 区中砂，而机制砂1、机制砂2 为I区粗砂。表4为机制砂单独作为细集料配制C60 高性能混凝土的试验结果。

表4 C60 高性能混凝土试验结果

注：H、J1、J2、J3、J4 分别表示细集料为天然河砂、机制砂1、机制砂2、机制砂3、机制砂4。

图2 砂的颗粒级配曲线
 

从表4 可以看出：相同条件下，机制砂单独作为细集料配制的C60 混凝土强度比天然中粗河砂配制的略高，但混凝土流动性和保坍性能比天然中粗河砂略差；随着机制砂细度模数的减小，新拌混凝土包裹性变好，泌水也变好，流动性由差变好再变差趋势(排空时间)，坍落度和扩展度由小变大再变小趋势，3h 保坍性能变差。新拌混凝土是滨汉姆塑性流体，随着机制砂细度模数变小(3.3~2.4)，细粉颗粒增加，因此其和易性变化趋势为包裹变好，泌水逐渐消失，经时坍落度损失变大，但其流动性与机制砂颗粒级配密切相关。机制砂1、机制砂2 偏粗级配在I 区，虽然混凝土不粘但露浆，流动性较差，倒坍落度桶的排空时间长；反之机制砂偏细，虽然包裹性好，但混凝土较粘沉，流动性也差，倒坍落度桶的排空时间也长，新拌混凝土的保坍性能变差。机制砂棱角的特性和其表观密度比天然河砂略大(见表1)，因此机制砂单独作为细集料配制的混凝土比天然河砂配制的要略沉，流动性也略差些。可见，机制砂单独作为细集料配制C60 高性能混凝土，细度模数宜选中砂偏粗砂(2.8~3.1)，颗粒级配宜在II 区为佳。

2.2 石粉含量

石粉是指机制砂中粒径小于0.075mm的颗粒。这是机制砂与天然河砂不同的另一显著特征。机制砂生产中通常要产生10%~15%的石粉含量，为了符合国家标准的要求，过量的石粉必须通过水洗或风吹去除。机制砂石粉含量一般为3%~8%之间波动。因此机制砂单独作为细集料配制C60 高性能混凝土时，石粉含量是需要考虑重要技术指标之一。将机制砂3进行0.15mm、0.075mm 和筛底的筛分，取得石粉，并在不改变机制砂3细度模数的情况下，增加石粉含量，得到5.3%和7.3%石粉含量不同细度模数相同的机制砂。将三种石粉含量不同、细度模数相同的机制砂单独作为细集料配制C60 高性能混凝土，研究石粉含量影响，混凝土试验结果见表5。

表5 C60 高性能混凝土试验结果

注：J3 表示细集料为机制砂3
 

从表5可以看出，其他条件相同下，随着石粉含量的增加，新拌混凝土的坍落度和扩展度逐渐变小，3h经时坍落度损失变大，混凝土7d、28d的强度略有增加但不明显。机制砂石粉是一种惰性掺合料，细度小，比表面积大，在一定范围内石粉含量增加可改善新拌混凝土的包裹性，减少离析泌水，但会使混凝土流速变慢，但可以适当提高外加剂用量加以解决。有研究表明石粉某种程度上可以促进水化进程，但石粉含量过高也会导致混凝土强度下降。因此机制砂单独作为细集料配制C60 高性能混凝土，机制砂石粉含量要控制一定范围内。从试验结果来看石粉含量可以放宽到3%~8%，这也比较符合实际机制砂生产石粉含量实际情况。

2.3 混凝土长期性能(抗碳化、干缩)比对试验

C60 高性能混凝土主要应用重要混凝土工程部位，例如柱、现浇梁、预制梁，由于机制砂化学成分、含石粉、棱角等特性与天然中粗河砂不同，因此其配制混凝土的抗碳化能力、干缩性能等长期性能也是重点考察的性能。本文选取了天然中粗河砂和机制砂3配制C60 高性能混凝土(编号H- 1、J3- 1)，进行抗碳化能力和干缩性能的比对试验。试验结果见图3 和图4。

从图3的测试结果表明，两个试块的碳化现象均不明显，天然河砂和机制砂C60 高性能混凝土的碳化深度分别为0.5mm 和0.6mm，全机制砂C60 高性能混凝土的碳化情况与天然中粗河砂配制的相当。这是因为福建地区的机制砂基本上是花岗岩加工得到的，其化学成分含有SiO2大于66%与天然河砂的化学成分比较接近，因此其抗碳化能力与天然中粗河砂配制的C60 混凝土抗碳化能力相当。

从图4可以看出，全机制砂C60 高性能混凝土的干缩略大于天然中粗河砂配制的，但两者的收缩处于同一数量级，而且两者随龄期增长，干缩逐渐处于稳定的状态，可见两者的干缩行为相当。这是因为，机制砂中含3%~8%的石粉，机制砂的石粉是一种惰性掺合料，细度小，比表面积大，导致其干缩略大于天然中粗河砂。综上所述，全机制砂与天然中粗河砂配制C60 高性能混凝土的长期性能(抗碳化能力和干缩)相当。

图3 天然河砂和机制砂C60 高性能混凝土28d碳化

图4 天然河砂与机制砂C60 高性能混凝土的干缩
 

3 全机制砂C60 高性能混凝土的工程应用

平潭综合实验区太古城项目的C60 高性能混凝土共2048m3，采用泵送施工。该混凝土工程采用全机制砂C60 高性能混凝土，机制砂的细度模数3.1、石粉含量为7.8%，并在试验配合比基础上调2%的砂率，外加剂掺量上调0.1%，详细的配合比见表6。

表6 C60 全机制砂高性能混凝土配合比

 

实测出机坍落度235mm，扩展度630mm×635mm，倒坍时间为16.8s，无泌水，包裹性良好；施工现场，实测混凝土坍落度230mm，扩展度625mm×630mm，倒坍时间为16.5s，粘聚性合适，泵送顺利，经振捣上层无浮浆出现。从出厂到泵送施工约经过2.5h，坍落度损失较小。拆模后构件表面光滑无蜂窝麻面等影响结构质量的缺陷。28d 标准养护试件，强度达到69.3MPa，符合设计强度等级。

4 结语

（1）选择技术指标适当的机制砂完全可以单独作为细集料应用于C60 高性能混凝土中，其中机制砂的细度模数宜选中砂偏粗砂(2.8~3.1)，颗粒级配宜在II 区为佳，石粉含量可以放宽到3%~8%。全机制砂与天然中粗河砂配制C60 高性能混凝土的长期性能(抗碳化性能和干缩)相当。

（2）工程应用表明：选择技术指标适当的机制砂单独作为细集料配制的C60 高性能混凝土，和易性良好符合泵送施工要求，强度符合C60 设计要求。