機(jī)制砂級(jí)配對(duì)高強(qiáng)混凝土工作性能的影響

機(jī)制砂級(jí)配對(duì)高強(qiáng)混凝土工作性能的影響近些年來(lái)許多地區(qū)河砂開(kāi)采瀕臨枯竭，河砂產(chǎn)量日趨下降，已難以滿足現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要，機(jī)制砂作為天然河砂潛在替代材料應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)制砂是指經(jīng)過(guò)除土處理，由機(jī)械破碎、篩分等一系列加工工藝制成的粒徑小于4.75mm的巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣顆粒，但不包括軟質(zhì)巖、風(fēng)化的顆粒。機(jī)制砂價(jià)格低廉，生產(chǎn)原料十分充足，石灰石礦山、鵝卵石、建筑廢料、礦山尾礦等均屬于原料來(lái)源。國(guó)內(nèi)外關(guān)于機(jī)制砂在混凝土中應(yīng)用的研究較多，例如，李艷芳、鄧宋喜等研究了機(jī)制砂特性對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，吳定略、馬相明等研究了機(jī)制砂在高性能混凝土中的應(yīng)用技術(shù)。這些研究為合理使用機(jī)制砂提高混凝土性能提供了一定理論指導(dǎo)依據(jù)。但目前機(jī)制砂的普及程度不高，應(yīng)用仍主要局限于中低標(biāo)號(hào)混凝土，在高標(biāo)號(hào)混凝土中應(yīng)用很少，且多與天然砂混合使用。機(jī)制砂在高標(biāo)號(hào)混凝土中難以推廣的主要原因之一是機(jī)制砂級(jí)配曲線形狀多樣，通常存在級(jí)配不良或超出級(jí)配范圍的情況，導(dǎo)致水灰比本來(lái)就較低的高標(biāo)號(hào)混凝土拌合物工作性能不佳，因此，有關(guān)機(jī)制砂級(jí)配如何合理控制是工程應(yīng)用重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。本文研究了機(jī)制砂級(jí)配特性對(duì)高強(qiáng)混凝土工作性能的影響規(guī)律，并做出相應(yīng)的作用效應(yīng)分析，以獲得機(jī)制砂優(yōu)良的級(jí)配技術(shù)指標(biāo)。1材料選用及性能本文結(jié)合工程建設(shè)用材料實(shí)際情況，以C50混凝土為例，通過(guò)不同類型的機(jī)制砂級(jí)配進(jìn)行混凝土性能試驗(yàn)。試驗(yàn)原材料包括P·O42.5水泥、機(jī)制砂、碎石，以及減水劑。1.1水泥采用拉法基P·O42.5水泥，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合GB175-1999標(biāo)準(zhǔn)，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。1.2碎石結(jié)合工程建設(shè)材料實(shí)際情況，粗集料采用5～25mm的連續(xù)級(jí)配碎石，其含泥量為0.4%，壓碎值指標(biāo)為8.2%，針、片狀顆粒含量為5.0%。將碎石5～16，16～25mm，2檔料按最大緊密堆積密度進(jìn)行摻配（最終配合比例為40:60）。1.3減水劑采用巴斯夫公司的聚羧酸高效減水劑，減水率31%，固含量25%，其余指標(biāo)按符合GB8076-2008中對(duì)高效緩凝減水劑的要求。1.4機(jī)制砂細(xì)集料選用石灰?guī)r經(jīng)破碎而成的機(jī)制砂，機(jī)制砂石粉含量7%，其余指標(biāo)均滿足國(guó)標(biāo)要求。2機(jī)制砂級(jí)配類型和參數(shù)測(cè)試規(guī)范規(guī)定制備高性能混凝土所用的細(xì)集料優(yōu)選2區(qū)砂，因此，機(jī)制砂級(jí)配曲線要大致滿足2區(qū)砂要求。本試驗(yàn)機(jī)制砂級(jí)配以2區(qū)砂的顆粒級(jí)配范圍為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)整，一共設(shè)定6種級(jí)配（均為連續(xù)級(jí)配），分別為略高于上限、高于下限接近上限、接近中值、低于上限接近下限、略低于下限，同時(shí)“高于下限接近上限、接近中值、低于上限接近下限”設(shè)置不同曲線形狀，分別研究這6種不同機(jī)制砂級(jí)配類型對(duì)C50混凝土工作性能的影響。人工調(diào)制的6組機(jī)制砂的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2，級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。由表2、圖1可見(jiàn)，該6種級(jí)配機(jī)制砂的細(xì)度是處于逐漸上升的狀態(tài)，從細(xì)砂逐漸轉(zhuǎn)變成中砂，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榇稚埃ㄆ渲?，S1、S2為細(xì)砂，S3～S5全部為中砂，S6已變成粗砂）。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的機(jī)制砂級(jí)配曲線均勻覆蓋2區(qū)級(jí)配范圍內(nèi)。上述6種級(jí)配機(jī)制砂中，雖然細(xì)度處于逐漸上升的狀態(tài)，但是緊堆密度及緊堆空隙率均出現(xiàn)了下降-上升-下降的反復(fù)變化情況，這證實(shí)細(xì)度僅作為表征砂粗細(xì)情況的宏觀指標(biāo)，無(wú)法反映出顆粒之間的級(jí)配情況，不能反映出機(jī)制砂的真實(shí)品質(zhì)。3機(jī)制砂混凝土性能分析3.1機(jī)制砂混凝土工作性能設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50混凝土作為研究對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)（試驗(yàn)用混凝土配合比見(jiàn)表3）?；炷梁鸵仔詼y(cè)試和評(píng)定方法按照GB／Ｔ50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。各級(jí)配機(jī)制砂樣品S1～S6采用表3配合比所拌制混凝土的和易性能及強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，不同級(jí)配機(jī)制砂的混凝土拌合物和易性差別顯著，分別呈現(xiàn)出低塑性、塑性和流態(tài)等不同坍落狀態(tài)，表明機(jī)制砂級(jí)配對(duì)混凝土和易性有著重要影響。從試拌樣品觀測(cè)結(jié)果看，S4、S5機(jī)制砂制備的混凝土和易性較好，而S1、S2機(jī)制砂的混凝土拌合物和易性最差。對(duì)比不同級(jí)配類型機(jī)制砂所對(duì)應(yīng)混凝土和易性變化情況（綜合表4和圖1）可知：1）機(jī)制砂S4、S5的混凝土拌合物和易性相對(duì)較好，其級(jí)配曲線均呈拉伸狀正S形（見(jiàn)圖1），可以推斷拉伸正S形級(jí)配曲線是機(jī)制砂的優(yōu)良級(jí)配曲線形狀。由曲線分布特點(diǎn)看，拉伸正S形級(jí)配曲線分布在2區(qū)砂中值和上限之間的范圍內(nèi)，拉伸正S形曲線上下兩端的斜率較小，中部的斜率較大，從級(jí)配組成上分析，曲線中間斜率較大說(shuō)明機(jī)制砂級(jí)配中0.3～1.18mm粒級(jí)組分所占比例較大，而1.18～4.75mm及0.075～0.3mm2檔粒級(jí)組分所占比例較小。2）機(jī)制砂S1、S2屬于不良級(jí)配，其混凝土拌合物和易性最差，其級(jí)配曲線的形狀多呈拋物線形或中間較平、兩端較陡的拉伸反S形（見(jiàn)圖1）。可以推斷，級(jí)配不良機(jī)制砂級(jí)配曲線呈拋物線或拉伸反S形曲線形狀。分析曲線特性，S1機(jī)制砂級(jí)配曲線是開(kāi)口向上的下凸拋物線，從級(jí)配組成分析，小于1.18mm

粒級(jí)組分含量偏小（相比拉伸正S形級(jí)配曲線的機(jī)制砂）；機(jī)制砂S2級(jí)配曲線特性是拉伸反S形曲線，顆粒分布呈“兩頭多（1.18～4.75mm和0.075～0.3mm粒級(jí)組分含量偏多）、中間?。?.3～1.18mm

粒級(jí)組分含量偏少）”現(xiàn)象。3）S3機(jī)制砂所配制的混凝土工作性能一般，其級(jí)配曲線相比拉伸正S形級(jí)配曲線出現(xiàn)一定程度偏離，但未出現(xiàn)明顯開(kāi)口向上的下凸拋物線或拉伸反S形曲線形狀特征。相比機(jī)制砂S3、機(jī)制砂S4、S5的1.18～4.75，0.3～1.18，0.075～0.3mm各檔粒級(jí)組分含量比例（質(zhì)量比）保持在7:10:3左右，可充分發(fā)揮出1.18～4.75mm粒級(jí)組分在整個(gè)混凝土中承接著使混凝土集料之間更連續(xù)的作用，因而所配制的混凝土工作性能明顯更好。S6機(jī)制砂級(jí)配略高于2區(qū)上限，所配制的混凝土出現(xiàn)輕微離析和泌水。綜合以上分析，在機(jī)制砂中，1.18～4.75，0.3～1.18，0.075～0.3mm

各檔粒級(jí)組分含量過(guò)多或過(guò)少，均會(huì)導(dǎo)致混凝土工作性能變差。當(dāng)1.18～4.75mm粒級(jí)組分含量過(guò)多時(shí)，所配制的混凝土表現(xiàn)出離析、泌水、骨料堆積等特點(diǎn)；當(dāng)0.3～1.18，0.075～0.3mm粒級(jí)組分含量過(guò)多時(shí)，所配制的混凝土黏稠、保水性好，但和易性差，難以澆筑。優(yōu)良級(jí)配的機(jī)制砂應(yīng)是各檔粒級(jí)組分含量比例適當(dāng)，使得其級(jí)配曲線形狀呈拉伸正S形。3.2機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度不同級(jí)配機(jī)制砂所配制混凝土的強(qiáng)度變化曲線見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，在原材料配合比相同的情況下，由于機(jī)制砂顆粒級(jí)配不同，所配制的混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯差異：1）對(duì)于不良級(jí)配機(jī)制砂S1、S2和S6，其所配制混凝土在試配后不同齡期內(nèi)強(qiáng)度比良好級(jí)配機(jī)制砂S3、S4和S5所配制混凝土均偏低，其中原因?yàn)椴涣技?jí)配機(jī)制砂造成混凝土拌和不均勻，工作性能不佳，從而影響混凝土強(qiáng)度。2）雖然機(jī)制砂S3、S4和S5所配制混凝土工作性能較好，但由于機(jī)制砂S4、S5的各檔粒級(jí)組分含量比例不夠適當(dāng)（1.18～4.75mm粒級(jí)組分含量偏?。?，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度仍有所偏低。文獻(xiàn)指出，正S型顆粒組有利于形成懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu)，對(duì)混凝土強(qiáng)度的提高與工作性能的改善具有重要作用。機(jī)制砂良好顆粒級(jí)配使混凝土各種材料緊密結(jié)合、接觸更加均勻，減少氣泡和孔隙的形成，從而有利于提高混凝土強(qiáng)度。4結(jié)論1）細(xì)度模數(shù)和空隙率并不能作為機(jī)制砂品質(zhì)優(yōu)劣的判斷標(biāo)準(zhǔn)，而只是級(jí)配優(yōu)劣判斷的必要不充分條件，制備和易性良好的機(jī)制砂混凝土，機(jī)制砂的級(jí)配特征很關(guān)鍵，必須得到嚴(yán)格控制。2）為提高高強(qiáng)混凝土工作性能，機(jī)制砂各個(gè)篩檔累計(jì)篩余量要合理控制在一定比例范圍內(nèi)，1.18～4.75mm

粒級(jí)組分主要影響混凝土泌水性，0.3～1.18，0.075～0.3mm粒級(jí)組分