石粉對碾壓混凝土性能的影響

摘  要：石粉主要是指巖石經過機械加工后的粒徑小于0．16 mm的微細顆粒。在研究了有關資料的基礎上, 綜合分析了石粉對碾壓混凝土性能的影響。

關鍵詞：石粉; 碾壓混凝土; 性能

 

 

 

石粉主要是指巖石經過機械加工后的粒徑小于0．16 mm 的微細顆粒, 它包括人工砂中粒徑小于0．16 mm的細顆粒和專門磨細的巖石粉末。碾壓混凝土配合比設計中, 石粉含量一般是指石粉占人工砂質量的百分數。石粉形貌與水泥顆粒相似, 為形狀不規(guī)則的多棱體。由于碾壓混凝土中膠凝材料和水的用量較少, 當人工砂中含有適量的石粉時,因與摻合料的細度基本相當, 石粉在砂漿中能夠替代部分摻合料, 與膠凝材料一起起到填充空隙和包裹砂粒表面的作用, 即相當于增加了膠凝材料漿體, 能在一定程度上改善灰漿量較少的碾壓混凝土拌和物的和易性, 增進混凝土的勻質性、密實性、抗?jié)B性, 提高混凝土的強度及斷裂韌性, 改善施工層面的膠粘性能, 減少膠凝材料用量, 降低絕熱溫升。適當提高石粉含量, 可降低成本, 是提高混凝土質量的措施之一。

 

人工砂石料中石粉的含量和粒徑分布與人工砂石料的生產設備、生產工藝和巖石種類有關。如百色水利樞紐碾壓混凝土主壩工程采用輝綠巖骨料, 受生產工藝、生產設備和巖石種類的影響, 人工砂中石粉含量大, 占20%～24%, 其中微粉(即小于0．08 mm)占石粉的40%～60% ; 江埡大壩混凝土骨料生產采用意大利產的碎石機, 石質為灰質白云巖、灰?guī)r及白云質灰?guī)r,所生產的人工砂中石粉含量約占細骨料18．9%, 其中小于0．075 mm的微粒約占13．9%, 小于0．005 mm的微粒含量僅占1% ; 索風營水電站工程采用PL—8500立軸式破碎機生產骨粒, 石質為石灰?guī)r, 石粉含量為17%～21．8%, 平均18．3%, 小于0．08 mm的石粉含量為11．6%～14．4%, 平均12．8% 。

 

已見報道生產石粉的巖石種類較多, 如石灰?guī)r、凝灰?guī)r、輝綠巖、花崗巖、片巖、白云質灰?guī)r等, 它們化學成分各不相同, 多為非活性材料。有的石粉也具有一定的活性, 可能參與膠凝材料水化反應。但是, 即使有活性的石粉因其長期沉積而轉化為穩(wěn)定的晶體, 所以其活性很低。因此, 石粉活性與粉煤灰、礦渣、磷礦渣等活性材料對比要低得多, 即它們的火山灰活性效應作用不大。但是, 其能發(fā)揮微集料作用, 充填水泥顆粒之間的空隙和優(yōu)化細粉料(包括水泥和活性混合料)的級配。同時, 由于其形貌為多棱體, 漿體之間的結合力好, 機械咬合力高。因此, 它們能改善碾壓混凝土的工作性和可碾壓性, 并對混凝土的強度有貢獻。

 

2．1　保持水泥用量不變, 石粉取代部分粉煤灰

 

陳改新研究表明: 保持水泥用量不變的條件下,將砂中的石粉含量由10%增加到16．1% , 用石粉取代18～48 kg(15% ～41% )粉煤灰, 石粉取代量對碾壓混凝土的VC值幾乎沒有影響。周云虎研究表明,在用水量、摻和料總量( F + SF)不變的條件下, 用石灰質石粉替代粉煤灰(25%～100%) , 石粉替代粉煤灰的量對混凝土VC值影響不大。陸采榮等研究表明,在保持水泥用量、水膠比、摻合料總量( F + SF)不變的條件下, 用凝灰?guī)r石粉替代磷礦渣(38% ～67%)對混凝土VC值影響不大。因此, 一般情況下, 石粉取代粉煤灰的量在較大范圍內對碾壓混凝土工作性的影響不大。

 

2．2　保持水泥和粉煤灰(或其他活性摻和料)用量不變的條件下, 增加人工砂中石粉含量

 

陳改新用石灰?guī)r人工砂石料研究表明: 保持水泥用量和粉煤灰用量不變的條件下, 人工砂中的石粉含量由13．6%增加到18．8% , 碾壓混凝土的VC值基本上沒有增大。而朱國偉用輝綠巖人工砂石料研究表明: 石粉含量高低對碾壓混凝土的VC 值有很大影響, 對碾壓混凝土的用水量影響也很大。同時, 石粉含量對碾壓混凝土的凝結時間影響也很大。大部分研究成果表明, 石粉含量低于20%時, 石粉含量對碾壓混凝土的VC影響不大。但是,對于特種石料如輝綠巖以及細顆粒(小于0．08 mm以下)含量特別大(一般超過40%以上) , 或石粉含量超過20%以上的情況, 石粉含量對碾壓混凝土的VC值影響較大。

 

 

漿量(水泥+活性混合材的漿體總量)與細骨料的孔隙體積之比值為α值。α值表達膠凝材料漿體的富裕程度, 受膠凝材料漿體總量和砂子孔隙率的影響。砂子孔隙率的大小主要由砂子的級配和石粉含量決定, 當膠凝材料漿體量一定時, 砂子的級配也一定時, 石粉含量對α值的影響就很大。何金榮等人采用貴州索風營水電站的砂料進行試驗表明:α值開始時隨砂中石粉含量的增大而增大, 此時砂的緊密度也增大。當石粉含量達到16%左右, α值達到最大, 砂子的密度也最大, 砂子孔隙率最小。當石粉含量繼續(xù)增大時, α值不再增大而呈緩慢下降。陳改新(采用不同的材料)試驗結果表明: 石粉含量在18% ～20%時, 堆積密度最大、空隙率最小。不同的人工砂的級配不同, 石粉的顆粒分布不同, 當其堆積密度最大, 空隙率最小、α值最大時其石粉含量也不同。但其規(guī)律是相同的, 即α值開始時隨著石粉含量的增大而增大, 到達最佳含量時, α值最大。隨后隨著石粉含量增大, α值呈緩慢下降趨勢。尤其對于用天然砂和卵石骨料時, 砂的細度模量又較大時, 增加石粉含量, 對增加混凝土工作性及密實性起重要作用。

 

3． 1　石粉替代部分活性摻合料(即內摻)

 

水泥膠砂對比試驗分析結果(見圖1)表明, 石灰?guī)r石粉替代部分粉煤灰, 對膠砂的需水量沒有太大影響, 其抗壓強度、抗折強度隨替代量的增加而下降。凝灰?guī)r石粉替代部分磷礦渣, 其抗壓強度也隨替代量增加而下降(見圖2)。不管是石灰?guī)r石粉還是凝灰?guī)r石粉, 其替代量越大( > 50%) , 后期強度增長越小(28～90 d) , 這是由于這兩種石粉都是非活性摻合料,火山灰效應極低的緣故。用石灰?guī)r石粉取代粉煤灰試驗表明: 增加用水量, 保持工作度VC值不變, 石粉取代粉煤灰量由18 kg增加到48 kg, 碾壓混凝土的抗壓強度呈下降趨勢, 但降幅不大; 保持水膠比、水泥用量不變, 用石灰?guī)r石粉取代粉煤灰, 摻外加劑調整工作度, 所配制的碾壓混凝土的抗壓強度隨石粉取代量的增加而下降, 其抗折強度也隨石粉替代量的增加而下降。當替代量為25%時, 其7 d抗壓強度下降≤10% , 28 d抗壓強度下降≤18% , 28 d抗折強度下降≤10% , 90 d抗壓強度下降≤10%; 當替代量為50%時, 其7 d抗壓強度下降≤15% , 28 d抗壓強度下降≤26% , 28 d抗折強度下降≤25% , 90 d抗壓強度下降≤24% (見表1、表2及圖3、圖4)。

 

 

3．2　保持水泥用量和粉煤灰用量不變的條件下, 增加石粉含量(外摻)

　　

陳改新實驗研究認為: 當水膠比為0．42, 保持水泥用量和粉煤灰用量不變的條件下, 石灰?guī)r石粉含量從13．6%增加到18．8%時, 對碾壓混凝土抗壓強度沒有明顯不利影響 ; 朱國偉利用輝綠巖人工砂及其石粉進行實驗研究, 結果表明: 保持水膠比、砂率、單方外加劑用量、單方粉煤灰用量不變、調整用水量達到一樣工作度的條件下, 當石粉含量從14%上升到16%時, 其抗壓強度、抗折強度均增大; 當石粉含量從16% ～18%時, 其抗壓強度、抗折強度沒有明顯變化, 同時達到最大值; 當石粉含量從18% ～24%時, 其抗壓強度隨石粉摻量增加而下降, 28 d劈拉強度也有下降趨勢(見表3和圖5) 。

 

 

在保持水泥用量和粉煤灰用量不變條件下, 石粉含量對碾壓混凝土強度有一定影響, 當砂子密度最大, 空隙率最小, 碾壓混凝土密度最高時, 石粉含量為最佳, 此時碾壓混凝土的強度最高。石粉含量在某一段范圍內對強度影響不大, 這一范圍因材而異, 使用不同材料, 其范圍也不盡相同。

 

 

吳金灶等人采用三德P．Ｏ42．5水泥、嵩嶼Ⅱ級粉煤灰和汕頭Ⅱ級粉煤灰、人工砂石料等原料進行試驗, 研究包裹在粗骨料表面的石粉對碾壓混凝土強度的影響, 試驗結果見表4、表5。結果表明:包裹在粗骨料表面的石粉會降低碾壓混凝土的抗壓強度、劈拉強度和軸拉強度?？箟簭姸冉档头刃⌒? 劈拉強度降低幅度大些。包裹在粗骨料表面的石粉對碾壓混凝土的劈拉強度影響比較大。隨著齡期的增長, 包裹在粗骨料表面的石粉對碾壓混凝土的抗壓強度的影響有所減弱 。這是由于包裹在粗骨料表面的石粉勢必造成拌和砂漿與粗骨料表面之間粘結力下降(或機械咬合力下降) 。隨著齡期增長, 膠凝材料進一步水化, 新生成的C - S - H凝膠不斷滲入粗骨料表面, 改善了粗骨料與砂漿之間的界面結構, 增強砂漿與粗骨料的機械咬合力, 因此, 對強度的影響有所減弱。

 

 

資料表明: 在大摻量粉煤灰富膠凝材料用量碾壓混凝土中可以用石粉取代部分粉煤灰, 當單方取代28 kg粉煤灰時(即取代量= 23．72%) , 其90 d、180 d抗壓強度有所增長, 7 d、28 d強度略有降低; 28 d、90 d、180 d軸拉強度有所提高; 28 d彈性模量有所降低, 但90 d、180 d彈性模量有所提高; 28 d、90 d、180 d極限拉伸均有所提高。保持水膠比、粉煤灰用量不變的條件下, 適當調整用水量, 當石粉含量從14%～20%時, 碾壓混凝土28 d極限拉伸值, 抗拉彈模、抗壓彈模變化不大。當石粉含量從22% ～24%時, 碾壓混凝土28 d 極限拉伸值, 抗拉彈模、抗壓彈模呈下降趨勢(見表6) 。

 

 

朱國偉等人研究在保持水膠比(0．60)、砂率(34%)、粉煤灰摻量( 63% )不變的條件下, 石粉含量對碾壓混凝土干縮性能的影響。研究結果表明: 隨著石粉含量的增加, 混凝土各齡期的干縮值增加。齡期短, 其干縮增大值小些; 齡期長, 其干縮增大值大些。

在大摻量粉煤灰富膠凝材料用量條件下, 石粉可部分取代粉煤灰。當取代量不超過20%時, 其抗凍性能、抗?jié)B性能相當。周云虎研究表明: 石粉取代粉煤灰量達到75%時, 其抗?jié)B等級仍大于W10 。適量摻入石粉(不管是外摻, 還是內摻)都有利于提高混凝土的抗?jié)B性和抗凍性。

 

 

(1)石粉是指顆粒小于0．16 mm的經機械加工的巖石微細顆粒, 形貌為形狀不規(guī)則的多棱體, 為非活性摻合料, 摻入混凝土中, 可改善細粉料的顆粒級配,有填充效應, 并可提高漿體之間的機械咬合力。

 

(2)一般情況下, 石粉取代粉煤灰, 取代量對碾壓混凝土工作性影響不大。

 

(3)保持水泥用量和粉煤灰用量不變的條件下, 當石粉含量低于20%時, 石粉含量對碾壓混凝土的工作性影響不大。但是, 對于特殊石料如輝綠巖以及細顆粒(小于0．08 mm以下)含量特別大(一般超過40%以上) , 或石粉含量超過20%以上, 石粉含量對混凝土的工作性影響較大。

 

(4)石粉取代粉煤灰時, 隨著取代量的增加, 其抗壓強度、劈拉強度呈下降趨勢。當取代量不大于25%時, 其強度下降幅度不大。

 

(5)保持水泥用量和粉煤灰用量不變的條件下, 石粉含量對碾壓混凝土強度有影響。當砂子密度最大,空隙率最小, 碾壓混凝土密度最高時的石粉含量為最佳含量。此時, 碾壓混凝土的強度最高。石粉含量在某一段范圍內對其強度影響不大。而這一范圍因材而異, 使用不同材料, 其范圍也不盡相同。

 

(6)包裹在粗骨料表面的石粉會降低碾壓混凝土的抗壓強度、劈拉強度和軸拉強度?？箟簭姸冉档头刃⌒? 抗拉強度降低幅度大些。對早期強度影響大些, 對后期強度影響小些。

 

(7)在大摻量粉煤灰富膠凝材料用量條件下,石粉適量(不大于20%)取代粉煤灰, 對抗壓強度、軸拉強度、彈性模量、極限拉伸影響不大。保持水膠比、膠凝材料用量不變的條件下, 石粉含量在某一范圍內,對碾壓抗壓強度、極限拉伸、彈模影響不大。當超過某一值后, 隨著石粉含量的增加, 碾壓混凝土的抗壓強度、極限拉伸、彈模呈下降趨勢。

 

(8)不管石粉是內摻, 還是外摻, 隨著石粉含量的增加, 其碾壓混凝土干縮值將增大。

 

(9)適量摻入石粉(不管是內摻, 還是外摻) , 都有利于提高混凝土的抗?jié)B性和抗凍性。