關(guān)于機(jī)制砂中石粉作用的研究

摘要：機(jī)制砂中石粉含量波動(dòng)較大,對(duì)混凝土的性能影響顯著,現(xiàn)場(chǎng)控制較為困難。本論文通過(guò)理論分析輔以部分試驗(yàn)，從不同的視角分析機(jī)制砂中石粉的具體作用，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工配合比的調(diào)整。

關(guān)鍵詞：機(jī)制砂，石粉含量，理論分析，試驗(yàn)

0 前言

由中交四航局承建的云桂鐵路云南段三標(biāo)段(DK407+070～DK473+300)全長(zhǎng)64.571km，位于云南省廣南縣境內(nèi)，線路經(jīng)過(guò)蓮城、舊莫、珠琳三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。鐵路設(shè)計(jì)等級(jí)為雙線Ⅰ級(jí)，路段旅客列車最高行車速度200km/h預(yù)留250km/h，標(biāo)段內(nèi)共有50個(gè)區(qū)間路基段，全長(zhǎng)15.228公里；橋梁26座，全長(zhǎng)10.93公里；隧道22座，全長(zhǎng)38.413公里；預(yù)制箱梁249榀?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C20~C50，結(jié)構(gòu)實(shí)體用混凝土均為高性能混凝土，局部路基加固處理采用強(qiáng)度大于15MPa的CFG樁。

本標(biāo)段處于滇桂交界地帶，線路行走于云貴高原與廣西盆地間的斜坡地帶，即兩大地貌單元的過(guò)渡區(qū)，沿線地形起伏劇烈，屬典型的山嶺重丘區(qū)，交通運(yùn)輸極不發(fā)達(dá)，沿線河砂嚴(yán)重匱乏。該地區(qū)巖石以質(zhì)地堅(jiān)硬的石灰?guī)r為主，考慮到工程任務(wù)中隧道所占比例較大，可充分利用隧道開(kāi)挖后的石渣，為便于施工管理，降低成本，除預(yù)制梁外均采用機(jī)制砂拌制混凝土。自2010年5月進(jìn)場(chǎng)后，對(duì)當(dāng)?shù)夭捎檬規(guī)r生產(chǎn)的機(jī)制砂進(jìn)行檢測(cè)，石粉含量普遍較高，細(xì)度模數(shù)較大，具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 廣南縣部分石場(chǎng)機(jī)制砂抽樣檢測(cè)結(jié)果

注:細(xì)度模數(shù)測(cè)試參見(jiàn)JGJ52-2006表3.1.2-2

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用原材料與實(shí)際工程混凝土一致，水泥為云南興建水泥公司生產(chǎn)的興建牌P.O42.5水泥，其物理性能見(jiàn)表2。

　　表2興建P.O42.5型水泥物理性能

機(jī)制砂采用表1中2號(hào)石場(chǎng)生產(chǎn)的細(xì)度模數(shù)為3.2，石粉含量12.6%的粗砂。對(duì)于機(jī)制砂進(jìn)行試驗(yàn)室處理，試驗(yàn)成型時(shí)僅使用其中的石粉，具體方法為：

機(jī)制砂烘干后直接采用行標(biāo)篩，在振篩機(jī)上定時(shí)篩分5min，套篩依次為10.0mm（圓孔），5.00mm（圓孔），2.50mm（圓孔），1.25mm（方孔），0.63mm（方孔），0.315mm（方孔），0.160mm（方孔），0.080mm（方孔），將通過(guò)0.080mm方孔篩的石粉收集密封保存后備用，干篩石粉制樣完成。

采用上述行標(biāo)套篩和同一石場(chǎng)相同的機(jī)制砂，制取水洗后石粉。先將機(jī)制砂浸泡6h后，在套篩上使用大量水沖洗，收集所有通過(guò)0.080mm方孔篩的石粉料漿，沉淀6小時(shí)后去除上層清水，然后烘干至恒重。采用木棍在托盤(pán)內(nèi)將烘干后結(jié)塊的石粉碾碎，過(guò)0.080mm方孔篩，并對(duì)未能通過(guò)的石粉團(tuán)塊重復(fù)用木棍碾碎，過(guò)篩，直至全部通過(guò)。收集上述通過(guò)0.080mm方孔篩的粉料，再次過(guò)篩混勻，密封保存后備用，水洗石粉制樣完成。

1.2試驗(yàn)方法

依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》在實(shí)驗(yàn)室配制砂漿，砂采用ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。對(duì)于機(jī)制砂中的石粉通過(guò)干篩和水洗兩種方式提取，烘干打散后將這部分未經(jīng)粉磨而粒徑小于0.08mm的石粉視為混合材，按照5%，10%，13%，17%，23%的比例加入到水泥中成型試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3天后測(cè)試其抗折和抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1摻入石粉后物理力學(xué)性能的變化

小于0.08mm的石粉，雖然沒(méi)有經(jīng)過(guò)粉磨，但具有礦物摻合料的一般特性。例如，細(xì)度與水泥相近，作為一種非活性材料即使沒(méi)有參與水泥水化，同時(shí)也不考慮存在二次水化和改善界面，但由于這些石粉微粒本身都具有較高的強(qiáng)度，其在水泥石中可起到骨架作用，不同比例的石粉摻入后，并未大幅度降低早期強(qiáng)度。對(duì)于石粉的摻入，早期主要體現(xiàn)出微集料效應(yīng)，通過(guò)干篩和水洗兩種不同方法制備的石粉對(duì)力學(xué)性能的影響見(jiàn)圖1和圖2。干篩后獲得的石粉似乎體現(xiàn)出更高一點(diǎn)的“活性”，推測(cè)與水洗后石粉新生成的表面由于吸附等原因?qū)е卤砻婺芟陆涤嘘P(guān)。

圖1機(jī)制砂石粉含量膠砂抗折強(qiáng)度(3d)的影響

圖2機(jī)制砂石粉含量膠砂抗壓強(qiáng)度(3d)的影響

2.2石粉作為礦物外加劑的摻入形式

如果將石粉視為水泥以外的礦物外加劑，計(jì)入膠凝材料總量，其摻入形式可能為等量取代、等強(qiáng)取代和超量取代。

1.等量取代——即膠凝材料摻量不變，用石粉取代部分水泥。

2.等強(qiáng)取代——即取代后膠凝材料總量由強(qiáng)度決定。

3.超量取代——即膠凝材料的總量增加，但純水泥的用量可以減少。

礦物摻合料摻量通常大于配合比中膠凝材料總量的5%，能改變或影響新拌混凝土和硬化混凝土性能，在配制混凝土?xí)r加入較大量的礦物摻合料，可降低溫升，改善工作性能。對(duì)于石粉，屬于非活性材料，采用等量取代意味著存在強(qiáng)度較單純采用水泥低的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3混合材與摻合料

通常水泥熟料中CaO含量為62％～67%，加入石膏粉磨后，如果再加入其它礦物外加劑，此時(shí)稱作在水泥中參加混合材。同樣的礦物外加劑，在攪拌站或工地施工現(xiàn)場(chǎng)加入時(shí)，稱為摻合料。石灰石粉作為混合材在我國(guó)是允許的，摻入量的限制見(jiàn)表3，但作為摻合料較為罕見(jiàn)。

表3 國(guó)標(biāo)水泥中石灰石允許摻量

水泥中加入石粉，即使未明顯影響比表面積，強(qiáng)度等指標(biāo)，但也會(huì)伴隨著燒失量增高、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量變化等其它副作用。在未摻入石灰石粉的P.Ⅱ水泥中，加入8%的石灰石粉后，如果燒失量能夠滿足要求，仍是合格的P.O水泥。

2.4石粉含量對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混凝土施工的影響

通過(guò)大量試驗(yàn)筆者發(fā)現(xiàn)，膠砂早期強(qiáng)度對(duì)石粉含量較敏感，機(jī)制砂石粉含量對(duì)于28d膠砂強(qiáng)度影響微乎其微。現(xiàn)場(chǎng)混凝土施工過(guò)程中，機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土的工作性能影響顯著，硬化后混凝土性能單從鐵路上規(guī)定的56d強(qiáng)度方面看未見(jiàn)明顯差異。混凝土經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢韬螅捎檬酆坎煌臋C(jī)制砂拌制的混凝土均不會(huì)出現(xiàn)硬化混凝土石粉在界面富集程度不同的現(xiàn)象。機(jī)制砂中未經(jīng)粉磨的石粉對(duì)混凝土工作性能的影響同其它摻合料基本一致，也存在對(duì)外加劑的飽和點(diǎn)與水泥不一致的情況。

機(jī)制砂在混凝土配合比中，每立方用量一般在800kg左右，石粉含量每變化一個(gè)百分點(diǎn)，就相當(dāng)于有8kg的石粉出入，完全清洗干凈的不含石粉的機(jī)制砂和石粉含量在5%的機(jī)制砂每方相差40公斤。工程上采用的機(jī)制砂石粉含量要求低于10%，現(xiàn)場(chǎng)一般對(duì)于石粉含量高于試配時(shí)采用的機(jī)制砂，為滿足工作性能要求，采用增大用水量或提高外加劑摻量的方式來(lái)解決。增大用水量的方法可認(rèn)為是石粉作為超量取代的極端體現(xiàn)，也存在強(qiáng)度、耐久性指標(biāo)難于滿足要求的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也與施工規(guī)范相違背。提高減水劑用量除增加成本外，往往會(huì)顯著提高混凝土強(qiáng)度，對(duì)日后強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)評(píng)定不利。　

3 結(jié)論與展望

（1）機(jī)制砂中石粉作為混合材，干篩的石粉比水洗后獲得的石粉早期強(qiáng)度略有提高。（2）石粉含量的波動(dòng)，對(duì)于混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響難于通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整予以消除。礦物外加劑在上個(gè)世紀(jì)30年代開(kāi)始應(yīng)用，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里研究進(jìn)展非常緩慢。粉煤灰等工業(yè)廢渣只是被當(dāng)作節(jié)省水泥、降低成本的一種措施，人們對(duì)其應(yīng)用普遍持消極態(tài)度，甚至認(rèn)為礦物摻合料的摻入是以犧牲混凝土性能為代價(jià)的，有偷工減料的嫌疑。直到20世紀(jì)70年代，能源危機(jī)、環(huán)境污染以及資源枯竭問(wèn)題的出現(xiàn)，工程界對(duì)粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢渣進(jìn)行利用的研究風(fēng)起云涌，伴隨著耐久性，高性能混凝土等新概念的提出，摻合料更是成為混凝土中不可缺少的第六組分。

目前我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于未經(jīng)粉磨的機(jī)制砂中的石粉含量仍然有非常嚴(yán)格的限制，為滿足規(guī)范要求，真空除塵，水洗等針對(duì)石粉含量的工藝被廣泛應(yīng)用，部分工地出現(xiàn)了“合格的機(jī)制砂不好用，好用的機(jī)制砂不合格”這樣尷尬的局面。適當(dāng)放寬石粉含量，增加對(duì)同一工地檢驗(yàn)周期內(nèi)石粉含量波動(dòng)范圍的相關(guān)要求和約束，在滿足混凝土耐久性要求的前提下石粉等同于其它摻合料，也許在不久的將來(lái)會(huì)得以實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]Pierre-ClaudeAitcin,CementsofyesterdayandtodayConcreteoftomorrow[J].CementandConcreteResearch30（2000）1349-1359

[2]馬燁紅石灰石粉作混凝土礦物摻合料的研究[D].華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007

[3]Concrete-Part1:Specification,performance,productionandconformity[M].BSEN206-1:2000

[4]龍廣成、謝友均、王新友，礦物摻合料對(duì)新拌水泥漿體密實(shí)性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2002

[5]通用硅酸鹽水泥GB175-2007[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009

[6]蘇達(dá)根，水泥與混凝土工藝[M].廣州：華南理工大學(xué)教材供應(yīng)中心，2003

[7]胡曙光、李悅、陳衛(wèi)軍,石灰石混合材摻量對(duì)水泥性能的影響[J].CementEngineeringNo.2.1996

[8]李金玉，曹建國(guó).水工混凝土耐久性的研究和應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社,2004