石灰岩高石粉含量机制砂混凝土配合比设计及性能研究

石灰岩高石粉含量机制砂混凝土配合比设计及性能研究引言为解决云南省高速公路建设面临河砂紧缺，并充分利用石灰岩机制砂中的石粉。本文试验以石粉含量达到15%的石灰岩机制砂作为细骨料，探讨了石灰岩高石粉含量机制砂混凝土配合比设计的可行性，对比研究河砂和石灰岩高石粉含量机制砂混凝土的拌合物性能、力学性能和耐久性能。2实验2.1原材料(1)水泥：北京金隅P·O42.5普通硅酸盐水泥，其性能见表1。(2)粉煤灰：山东邹城电厂的I级粉煤灰，细度(45μm方孔筛筛余)7.2%，需水量比93%，表观密度2.2g/cm3。(3)粗骨料：5～20mm连续级配石灰岩碎石，堆积密度1460kg/m3，饱和面干吸水率0.9%。(4)细骨料：细度模数2.6的II区河砂(H)，含泥量1.7%；机制砂(J)为云南武易高速的石灰岩新型干法制砂，基本性能见表2，颗粒形貌见图1a和1b，级配曲线见图2；机制砂中的石粉按照《石灰石粉混凝土》GB/T30190-2013测试，性能见表3。(5)减水剂：聚羧酸系高性能减水剂，减水率40%，泌水率比≤20%，坍落度保留值(1h)≥140mm。(6)水：普通自来水。2.2实验方法混凝土拌合物性能按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2016)进行；力学性能按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081)进行；耐久性按照《普通混凝土耐久性和长期性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)进行。2.3混凝土配合比设计国内外对机制砂中石粉含量的限值或利用石粉用作掺合料研究进行配合比设计时，杨鲁等计算砂率时砂包含石粉(机制砂中的石粉全部作为机制砂)，没有将机制砂中的石粉作为掺合料，计算胶凝材料总量和水胶比没有考虑石粉；李北星等把石粉全部计算为掺合料，在配合比设计时等质量替代粉煤灰等掺合料。本文试验进行配合比设计时，考虑到机制砂普遍存在粒形棱角多、表面粗糙的情况，采取机制砂中石粉超过5%的部分计算为掺合料：计算砂率时砂包含5%的石粉，并保持砂率与河砂混凝土配合比一致；石粉超过5%的部分作为胶凝材料计算到胶凝材料总量和水胶比；石粉超过5%的部分作为掺合料替代水泥，考虑到石粉作为惰性掺合料，石粉超过5%的部分替代水泥时，石粉掺合料替代水泥质量比为2(石粉掺合料每增加2kg，水泥减少1kg)；由于石粉是惰性掺合料，水胶比降低0.08。因此，参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)分别设计了C30、C50强度等级的混凝土，具体各组代号相应的混凝土配合比见表4。3结果与讨论3.1混凝土拌合物性能分别采用河砂和石灰岩高石粉含量机制砂适配C30、C50混凝土的拌合物性能对比见表5，拌合物状态对比见图3a～3d。由表5和图3可知：把机制砂中超过5%石粉作为掺合料使用替代水泥时，按照表3配合比设计的机制砂C30混凝土，在减水剂用量比河砂C30混凝土低的情况下，其坍落度、扩展度、粘聚性和包裹性和河砂C30混凝土相当，同时解决了低强度等级的机制砂混凝土和易性差，容易离析的问题。机制砂C50混凝土的拌合物性能明显优于河砂C50混凝土，坍落度大40mm，扩展度大近200mm，而且机制砂C50混凝土配合比的水胶比比河砂C50混凝土配合比低0.08，减水剂用量只增加了5%的用量。这是由于实验所用的机制砂石粉流动度比较大，MB值小(表3)，因此石粉对外加剂的吸附性小，再加上石粉的减水效应，极大的提高了混凝土的拌合物性能。3.2混凝土力学性能图4为河砂与机制砂适配C30、C50混凝土力学性能的对比结果。由图4(a)可知：对于C30强度等级，河砂和机制砂混凝土在3d、7d、28d、56d龄期的抗压强度相当；由于机制砂混凝土中的石粉在早期起到了填充作用，3d、7d龄期时，机制砂混凝土强度略高于河砂混凝土；28d、56d龄期时，河砂混凝土的水泥用量较高，后期已经水化充分，河砂混凝土强度略高于机制砂混凝土。对于C50强度等级，机制砂混凝土在各龄期的抗压强度均高出河砂30%以上，当水泥用量较大，水胶比较低时，把机制砂中超过5%石粉作为掺合料使用替代水泥时，对混凝土强度的降低作用小于水泥用量较少的C30强度等级，因此，对于高强度等级混凝土，在配合比设计时可将石粉掺合料替代水泥质量比为调整到小于2，或者水胶比降低小于0.08。由图4(b)可知：机制砂和河砂混凝土的劈拉强度关系与抗压强度关系具有同样的规律：对于C30强度等级，两者在各龄期的劈拉强度相当；对于C50强度等级，机制砂在各龄期的劈拉强度均高于河砂混凝土。不同的是，C50机制砂混凝土在各龄期的抗压强度均高出河砂30%以上，而C50机制砂混凝土在各龄期的劈拉强度高出河砂10%以上。由图4(c)可知：机制砂和河砂混凝土的抗压弹性模量关系与抗压强度、劈拉强度关系不同：对于C30强度等级，机制砂和河砂混凝土的抗压强度、劈拉强度相当，而机制砂在各龄期的抗压弹性模量却高出河砂10%；对于C50强度等级，机制砂混凝土的抗压强度、劈拉强度均明显高于河砂混凝土，而机制砂和河砂混凝土在各龄期的抗压弹性模量相当。综上，石灰岩高石粉含量机制砂适配C30、C50混凝土，单方混凝土水泥用量比河砂降低近40kg的情况下，C30、C50机制砂混凝土在各龄期的抗压强度、劈拉强度、抗压弹性模量均与河砂混凝土相当或超过河砂混凝土。这主要是因为石灰石粉在水泥水化过程中的晶核效应，加速了水化产物的生产速度，明显提高水泥浆与骨料界面的粘结强度；对钙矾石转化为单硫型水化硫铝酸钙有一定的抑制作用，提高了钙矾石的稳定性。3.3混凝土耐久性能3.3.1抗氯离子渗透性能河砂与机制砂适配C30、C50混凝土抗氯离子渗透性能的对比结果见表6。从表6可以看出：对于C30、C50强度等级，河砂混凝土在56d龄期的电通量均大于机制砂混凝土。对于C30强度等级，河砂混凝土的电通量高出机制砂混凝土20%；对于C50强度等级，河砂混凝土的电通量高出机制砂混凝土30%。这主要是机制砂石粉具有一定的晶核效应，能够提高混凝土的密实度，从而提高了混凝土的抗氯离子渗透性能。3.3.2抗碳化性能河砂与机制砂适配C30、C50混凝土抗碳化性能的对比结果见表7。由表7可以看出：对于C30、C50强度等级，河砂混凝土在经过3d、7d碳化后的碳化深度均比机制砂混凝土浅，在经过14d、28d碳化后的碳化深度和机制砂相当。这与机制砂混凝土的水泥用量比河砂混凝土低有关：水泥用量低，早期抗碳化性能差，随着龄期的增长，混凝土强度逐渐增长，混凝土表层也更加密实。4结论(1)采用石粉含量达到15%的石灰岩机制砂，在河砂基准混凝土配合比基础上，维持砂率不变，通过把石粉超过5%的部分作为胶凝材料计算到胶凝材料总量和水胶比，石粉超过5%的部分作为掺合料替代水泥，石粉替代水泥质量比为2，水胶比降低的配合比设计方法，单方混凝土节约水泥近40kg，仍然可以配制出和河砂混凝土工作性、力学性能、耐久性能相当或者超过河砂混凝土的机制砂混凝土。(2)按照特定的配合比设计方法所配制的高石粉含量机制砂C30强度等级混凝土，可以解决低强度等级的机制砂混凝土和易性差，容易离析的问题；所配制的C50强度等级机制砂混凝土，拌合物性能明显优于河砂C50基准混凝土，在减水剂用量只提高5%的情况下，坍落度、扩展度显著提高。(3)按照特定的配合比设计方法所配制的高石粉含量机制砂C30强度等级混凝土，与河砂基准混凝土的抗压强度、劈拉强度相当，而机制砂混凝土在各龄期的抗压弹性模量却高