不同生產(chǎn)工藝機制砂對混凝土性能的影響

李家和，王金業(yè)，王明亮，夏京亮，周永祥，高超，張浩

摘要：研究了不同生產(chǎn)工藝機制砂對混凝土坍落度、擴展度、抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗壓彈性模量、電通量和碳化性能的影響，結(jié)果表明：干法制砂工藝生產(chǎn)的機制砂配制的混凝土工作性、抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗壓彈性模量及抗碳化性能均優(yōu)于普通工藝機制砂配制的混凝土；在工作性相差不大的情況下，干法制砂機制砂可以節(jié)約減水劑用量；不同生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的機制砂對混凝土電通量的影響相差不大。

關(guān)鍵詞：機制砂；生產(chǎn)工藝；混凝土；工作性能；力學(xué)性能；耐久性能

0 引言

天然河砂為不可再生資源，日益短缺，隨著國家對環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，各地河砂開采的限制也愈加嚴(yán)格，因此，應(yīng)用機制砂代替天然河砂已成為混凝土行業(yè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。機制砂是經(jīng)除土處理，由機械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75mm的巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣顆粒，但是不包括軟質(zhì)、風(fēng)化的顆粒。對于機制砂的研究，主要集中在機制砂級配、石粉含量、母巖特性、粒形、MB值等指標(biāo)對混凝土性能的影響及機理研究，機制砂混凝土配合比設(shè)計研究，機制砂混凝土耐久性研究。然而機制砂的應(yīng)用和機制砂混凝土的性能很大程度上取決于機制砂生產(chǎn)工藝的不同，制砂機的破碎方式主要有顎式、圓錐式、反擊式、對輥式和沖擊式等，按照生產(chǎn)出來的機制砂顆粒形狀的優(yōu)劣排序為：沖擊式制砂較好，反擊式、圓錐式次之，而顎式、對輥式制砂最差。目前生產(chǎn)工藝對機制砂混凝土性能的影響系統(tǒng)對比研究較少，不利于先進的機制砂生產(chǎn)工藝在工程中推廣應(yīng)用。本文采用普通工藝制砂和干法制砂2種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的機制砂配制C30、C55兩個強度等級的混凝土，對比研究不同生產(chǎn)工藝機制砂對混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性的影響。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：北京金隅P·O42.5水泥，主要性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

（2）粉煤灰：鄒城電廠Ⅰ級粉煤灰，細度（45μm方孔篩篩余）7.2\%，需水量比93\%，密度2.2g/cm3。

（3）粗骨料：5～20mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石，堆積密度1461kg/m3，飽和面干吸水率0.9\%。

（4）細骨料：采用傳統(tǒng)普通制砂工藝和新型干法制砂工藝分別生產(chǎn)的機制砂，2種生產(chǎn)工藝見表2，傳統(tǒng)普通制砂工藝主要是采用顎式破碎機和圓錐破兩級破碎后篩分得到機制砂，而新型干法制砂工藝采用立式?jīng)_擊破碎機，考慮石粉含量的控制和機制砂防離析措施。普通工藝機制砂中石粉含量15.9\%、MB值1.5、細度模數(shù)3.0；干法制砂工藝機制砂中石粉含量13.8\%、MB值0.5、細度模數(shù)2.9，2種生產(chǎn)工藝機制砂的級配見圖1。

表2 普通生產(chǎn)工藝與干法制砂生產(chǎn)工藝

圖1  2種生產(chǎn)工藝機制砂的級配

（5）減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，減水率40\%，泌水率比≤20\%，坍落度保留值（1h）≥140mm。（6）水：自來水。

1.2 混凝土配合比

參照JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》分別配制C30、C55混凝土，具體配合比見表3。

表3 試驗混凝土的配合比

1.3 試驗方法

混凝土拌合物工作性能按照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行測試；力學(xué)性能按照GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行測試；耐久性按照GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土的工作性

不同生產(chǎn)工藝機制砂對混凝土工作性的影響見表4。

表4 不同生產(chǎn)工藝機制砂對混凝土工作性的影響

由表4可知，對于C30強度等級混凝土來說，混凝土坍落度達到相差不多的情況下，普通生產(chǎn)工藝機制砂需要摻加減水劑2.21kg/m3，而干法制砂工藝機制砂僅需要摻加減水劑1.54kg/m3，節(jié)約減水劑30\%，即使少用30\%的減水劑，干法制砂工藝機制砂配制的混凝土坍落度比普通工藝機制砂混凝土大10mm，擴展度大55mm；對于C55強度等級的混凝土，坍落度達到相差不多的情況下，普通生產(chǎn)工藝機制砂需要摻加減水劑2.90kg/m3，而干法制砂工藝機制砂僅需要摻加減水劑2.23kg/m3，節(jié)約減水劑23\%，此時，干法制砂工藝機制砂配制的混凝土坍落度比普通工藝機制砂混凝土大15mm，擴展度大65mm。這主要是因為，干法制砂生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的機制砂MB值為0.5，遠低于普通工藝機制砂，使得其對外加劑的吸附作用小于普通工藝機制砂。另外，干法制砂采用反擊式破碎機，生產(chǎn)的機制砂經(jīng)過了顆粒之間的相互碰撞整形，機制砂棱角偏少，更加接近于圓形，有利于提高混凝土的工作性能。2種強度等級的混凝土對比，低強度等級混凝土干法制砂工藝生產(chǎn)的機制砂相對于普通工藝機制砂，節(jié)約減水劑更加明顯，主要是因為低強度等級混凝土膠凝材料用量相對較少，此時機制砂品質(zhì)較佳的優(yōu)勢更加突出。

2.2 混凝土的力學(xué)性能

不同生產(chǎn)工藝機制砂對混凝土力學(xué)性能的影響如圖2所示。

圖2 不同生產(chǎn)工藝機制砂對混凝土力學(xué)性能的影響

由圖2（a）可知，對于C30強度等級混凝土，2種生產(chǎn)工藝機制砂對混凝土抗壓強度影響不大，干法制砂機制砂配制的混凝土3d、7d、28d和56d抗壓強度比普通工藝機制砂分別高6.3\%、-2.5\%、9.4\%、3.1\%；而對于C55強度等級混凝土，2種生產(chǎn)工藝機制砂對混凝土抗壓強度影響更加明顯，干法制砂機制砂配制的混凝土3d、7d、28d和56d抗壓強度比普通工藝機制砂分別高5.5\%、9.6\%、10.1\%、5.8\%。

由圖2（b）可知，對于C30強度等級混凝土，2種生產(chǎn)工藝機制砂對混凝土早齡期劈裂抗拉強度影響不大，28d齡期后影響趨于明顯，干法制砂機制砂配制的混凝土3d、7d、28d和56d劈裂抗拉強度比普通工藝機制砂分別高2.4\%、2.9\%、18.5\%、5.0\%；2種生產(chǎn)工藝機制砂對于C55強度等級混凝土劈裂抗拉強度的影響規(guī)律與C30強度等級混凝土一致，也是早齡期影響不大，28d齡期后影響較為明顯，干法制砂機制砂配制的混凝土3d、7d、28d和56d劈裂抗拉強度比普通工藝機制砂分別高1.1\%、4.0\%、8.5\%、9.5\%。另外，C55強度等級混凝土劈拉抗拉強度早齡期增長明顯，隨著時間的延長則趨于穩(wěn)定，而C30強度等級混凝土的劈裂抗拉強度在56d齡期之前均在穩(wěn)定增長。

由圖2（c）可知，對于C30強度等級混凝土，干法制砂機制砂配制的混凝土抗壓彈性模量在各齡期均比普通工藝機制砂混凝土高，7d、28d、56d分別高2.3\%、0.2\%、3.9\%；C55強度等級混凝土也有同樣的規(guī)律，干法制砂機制砂配制的混凝土抗壓彈性模量在各齡期均比普通工藝機制砂混凝土高，7d、28d、56d分別高18.2\%、2.3\%、3.2\%。

綜上，干法制砂工藝生產(chǎn)的機制砂配制的混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗壓彈性模量均比普通工藝機制砂混凝土大，這主要是因為干法制砂機制砂配制的混凝土工作性能優(yōu)于普通工藝機制砂混凝土，混凝土成型更容易密實，力學(xué)性能更佳；干法制砂生產(chǎn)工藝采用反擊式破碎機，由于顆粒之間的相互碰撞，機制砂顆粒的薄弱部位均被碰掉，相對于普通工藝機制砂，在混凝土中薄弱環(huán)節(jié)更少。另外，由于顆粒之間的相互碰撞，機制砂顆粒更加趨于圓形，配制于混凝土，機制砂與水泥漿體之間的界面過渡區(qū)相對于普通工藝機制砂更少。

2.3 混凝土的耐久性

2.3.1 電通量

不同生產(chǎn)工藝機制砂對混凝土電通量的影響如表5所示。

表5 不同生產(chǎn)工藝機制砂對混凝土電通量的影響

由表5可知，不同生產(chǎn)工藝機制砂對混凝土電通量的影響相差不大，2種工藝機制砂配制的混凝土在28d和56d齡期電通量基本一致，C30強度等級混凝土和C55強度等級混凝土相比，28d齡期時C55混凝土電通量比C30混凝土小，而到了56d齡期反而比C30混凝土大。這主要是因為C30混凝土摻加了18\%的粉煤灰，粉煤灰早期活性不高，到了后期逐漸與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)，增加了混凝土的密實性。

2.3.2 抗碳化性能

不同生產(chǎn)工藝機制砂對混凝土抗碳化性能的影響如表6所示。由表6可知，對于C30強度等級混凝土，干法制砂機制砂配制的混凝土抗碳化性能在各齡期均比普通工藝機制砂混凝土好，3d、7d、14d和28d碳化深度分別減小2.2\%、3.6\%、17.3\%、12.5\%；C55強度等級混凝土抗碳化性能的影響規(guī)律與C30強度等級混凝土一致，各齡期均是干法制砂機制砂配制的混凝土更優(yōu)，3d、7d、14d和28d碳化深度分別減小9.5\%、5.7\%、5.1\%、6.5\%，這主要是因為干法制砂機制砂石粉含量比普通工藝機制砂少，配制的混凝土抗碳化性能更佳。

表6 不同生產(chǎn)工藝機制砂對混凝土抗碳化性能的影響

3 結(jié)論

（1）干法制砂機制砂MB值小于普通工藝機制砂，干法制砂機制砂粒形更好，使得干法制砂機制砂配制的C30和C55兩個強度等級的混凝土工作性均優(yōu)于普通工藝機制砂，在工作性相差不大的情況下，干法制砂機制砂可以節(jié)約減水劑用量。

（2）由于干法制砂機制砂薄弱部位較少，干法制砂配制的混凝土工作性更好以及干法制砂機制砂混凝土骨料漿體界面過渡區(qū)少，干法制砂工藝生產(chǎn)的機制砂配制的混凝土在抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗壓彈性模量上均比普通工藝機制砂混凝土高。

（3）不同生產(chǎn)工藝機制砂對混凝土電通量的影響相差不大；干法制砂機制砂配制的混凝土抗碳化性能在各齡期均比普通工藝機制砂混凝土好。