不同岩性整形机制砂混凝土的力学性能研究_李犇.pdf

材料研究与应用 2023，17（1）：158165不同岩性整形机制砂混凝土的力学性能研究李犇1,孟宪忠1,张琛1,唐玉2（1.佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，佛山市智慧型陆地与海洋土木工程材料工程技术研究开发中心，广东 佛山 528225；2.广东派安建材有限公司，广东 广州 511495）摘要：整形机制砂具有优异的力学性能，因而在传统建材中能够替代河砂而得到广泛地应用。为了研究整形后不同岩性及大掺量整形机制砂混凝土的力学性能，利用塌落度筒和混凝土流变仪测试混凝土工作性能和流变性能，同时进行抗压强度的力学性能试验。结果表明；整形机制砂混凝土的塌落度随着机制砂掺量的增加而降低，同时其塑性粘度和抗压强度随着整形机制砂掺量的增加呈现先升高后降低的趋势；整形鹅卵石和整形花岗岩混凝土的屈服强度均随掺量的增加而降低，整形山砂混凝土的屈服强度与塑性粘度的变化相一致；整形鹅卵石、整形花岗岩及整形山砂在机制砂混凝土中的最优替代率分别为 30%、40%和50%，而整形山砂在工作性能、流变性能和力学性能上方面均优于整形鹅卵石和整形花岗岩。关键词：整形机制砂；工作性能；流变性能；力学性能中图分类号：TU528文献标志码：A 文章编号：1673-9981（2023）01-0158-08引文格式：李犇，孟宪忠，张琛，等.不同岩性整形机制砂混凝土的力学性能研究 J.材料研究与应用，2023，17（1）：158-165.LI Ben，MENG Xianzhong，ZHANG Chen，et al.Study on the Mechanical Properties of Concrete Made from Shaped Manufactured Sand of Different Lithologies J.Materials Research and Application，2023，17（1）：158-165.近些年，随着国内建设行业日益发展，大型基础设施的建设需要大量的天然砂，然而天然砂资源的短缺及国家对天然砂开采的限制，使天然砂的供需失衡，制约了建设行业的发展。因此，采用机制砂代替天然砂作为建设用砂已刻不容缓1。机制砂特指由碳酸盐类岩石经除土开采、机械破碎及筛分而成的公称粒径小于 5.00 mm 的岩石颗粒2。由于在机制砂生产过程控制不理想，导致生产出的机制砂级配普遍不良，呈现出两头多、中间少的典型颗粒分布特征3。机制砂与天然河砂相比，其细度模数偏大、级配较差，并且表面粗糙、颗粒尖锐有棱角等。Westerholm 等4利用 Bingham 模型研究了机制砂对砂浆流变性能的影响，结果发现机制砂的性质（如颗粒形状、细粉含量）会强烈影响砂浆的流变性、屈服应力和塑性粘度。邓翀等5研究发现，机制砂掺量小于 70%时，混凝土的力学性能变化不大，但是对坍落度产生负面影响。造成机制砂无法替代河砂，广泛应用于实际工程中的原因主要是原料来源差异性大、工艺不稳定。不同来源的砂矿，其岩性不同、物理性质差异大（如骨料的坚固性、压碎值等），这关系着混凝土的力学性能和耐久性能。针对不同岩性的机制砂混凝土，学者们作出大量的研究。张元朔6研究了不同母岩岩性的石粉对混凝土工作性、力学性能、耐久性的影响。周鸿煜7对比研究了石灰岩、玄武岩、花岗岩 3种岩性机制砂和河砂对 C30、C55、C80 的 3 种强度等级混凝土性能的影响，结果表明：石灰岩机制砂混凝土的拌合物性能和力学性能均优于河砂、花岗岩机制砂和玄武岩机制砂混凝土。但是，学者们关于不同岩性的机制砂混凝土的流变性能研究较少，缺乏对不同岩性机制砂的工程适用性的探讨。目前，大量的机制砂仅仅是生产碎石过程中的副产品，不合理的工艺导致机制砂存在含粉量大、颗粒形貌和粒型差等问题，显著影响了混凝土拌合物的工作性收稿日期：2022-08-18基金项目：广东高校科研项目（青年创新人才项目）（2021KQNCX083）作者简介：李犇（1989-），男，山东日照人，博士，教授，研究方向为固废资源化及制备建材的关键技术、水泥基材料的多尺度损伤机理、水泥基材料的耐候性损伤机理，E-mail：。Materials Research and ApplicationEmail：http：/DOI：10.20038/ki.mra.2023.000119能，限制了其应用和推广。机制砂的工艺不稳定对混凝土工作性能和力学性能的影响与天然砂存在巨大的差异8。现在建筑用砂粗细程度主要通过细度模数评价，但由于机制砂级配不良，细度模数很难完全反映出其颗粒分布状况。有学者9研究发现，细度模数在 2.22.6 之间的机制砂能够配制出拌合物性能和力学性能俱佳的混凝土。这说明不能简单地用细度模数这一指标来评价机制砂，机制砂中的石粉含量对混凝土拌合物的工作性能的影响也占据很重要的因素10-12。陈尚伟13研究了机制砂泵送混凝土的制备技术，研究表明机制砂中适量的石粉对于机制砂混凝土是有利的。张彦14研究了山砂的石粉含量对泵送混凝土的影响，结果发现 C35 泵送混凝土的山砂含泥量应小于 6%、C40泵送混凝土的山砂含泥量应小于 4、C50泵送混凝土的山砂含泥量应不大于 2%。目前，针对整形后机制砂混凝土的力学性能和工作性能的提升，主要是通过在整形机制砂混凝土掺入一定量的粉煤灰和矿粉15-16。但是，对于掺量大于 30%的纯整形机制砂混凝土的力学性能研究相对较少。因此，本文选用市面上常见的 3 种整形机制砂代替河砂制备两种不同强度等级的混凝土，研究不同岩性和不同整形机制砂掺入量对混凝土的工作性能、流变性能和力学性能的影响，以及确定整形机制砂在混凝土中的最佳替代率，从而提高整形机制砂的利用率。1试验部分1.1原材料选用的水泥为广州石井 P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，细骨料为整形机制砂（广东派安建材有限公司生产）和天然河砂，粗骨料为 510 mm 连续级配的花岗岩碎石，水为实验室自来水，减水剂选用聚羧酸系高效减水剂，其用量为胶凝材料的 1%。细骨料的物理性质列于表 1。图 1 为细骨料的粒径分布图。从图 1 可见，整形后的鹅卵石和花岗岩出现两头大中间小的分布，导致粒径不连续，无法形成良好的颗粒级配。整形后山砂的颗粒级配与河砂相似。1.2试件的制备和养护根 据 JGJ55-2011 普 通 混 凝 土 配 合 比 设 计 规程17要求，选取混凝土的设计强度为 C30 设计配合比，其中水灰体积比为 0.49、砂率为 40%。考虑砂的密度不同，3种整形机制砂的替代体积比为 30%、40%、50%和 60%，整形机制砂混凝土配合比列于表 1细骨料物理性能指标Table 1Physical properties of fine aggregates图 1整形机制砂和河砂粒径分布图Figure 1Particle size distribution diagram of shaped manufactured sand and river sand第 17 卷 第 1 期李犇等：不同岩性整形机制砂混凝土的力学性能研究能，限制了其应用和推广。机制砂的工艺不稳定对混凝土工作性能和力学性能的影响与天然砂存在巨大的差异8。现在建筑用砂粗细程度主要通过细度模数评价，但由于机制砂级配不良，细度模数很难完全反映出其颗粒分布状况。有学者9研究发现，细度模数在 2.22.6 之间的机制砂能够配制出拌合物性能和力学性能俱佳的混凝土。这说明不能简单地用细度模数这一指标来评价机制砂，机制砂中的石粉含量对混凝土拌合物的工作性能的影响也占据很重要的因素10-12。陈尚伟13研究了机制砂泵送混凝土的制备技术，研究表明机制砂中适量的石粉对于机制砂混凝土是有利的。张彦14研究了山砂的石粉含量对泵送混凝土的影响，结果发现 C35 泵送混凝土的山砂含泥量应小于 6%、C40泵送混凝土的山砂含泥量应小于 4、C50泵送混凝土的山砂含泥量应不大于 2%。目前，针对整形后机制砂混凝土的力学性能和工作性能的提升，主要是通过在整形机制砂混凝土掺入一定量的粉煤灰和矿粉15-16。但是，对于掺量大于 30%的纯整形机制砂混凝土的力学性能研究相对较少。因此，本文选用市面上常见的 3 种整形机制砂代替河砂制备两种不同强度等级的混凝土，研究不同岩性和不同整形机制砂掺入量对混凝土的工作性能、流变性能和力学性能的影响，以及确定整形机制砂在混凝土中的最佳替代率，从而提高整形机制砂的利用率。1试验部分1.1原材料选用的水泥为广州石井 P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，细骨料为整形机制砂（广东派安建材有限公司生产）和天然河砂，粗骨料为 510 mm 连续级配的花岗岩碎石，水为实验室自来水，减水剂选用聚羧酸系高效减水剂，其用量为胶凝材料的 1%。细骨料的物理性质列于表 1。图 1 为细骨料的粒径分布图。从图 1 可见，整形后的鹅卵石和花岗岩出现两头大中间小的分布，导致粒径不连续，无法形成良好的颗粒级配。整形后山砂的颗粒级配与河砂相似。1.2试件的制备和养护根 据 JGJ55-2011 普 通 混 凝 土 配 合 比 设 计 规程17要求，选取混凝土的设计强度为 C30 设计配合比，其中水灰体积比为 0.49、砂率为 40%。考虑砂的密度不同，3种整形机制砂的替代体积比为 30%、40%、50%和 60%，整形机制砂混凝土配合比列于表 1细骨料物理性能指标Table 1Physical properties of fine aggregates细骨料河砂整形机制砂鹅卵石花岗岩山砂种类中砂中砂中砂中砂表观密度/（kgm3）2 4603 1192 7182 458细度模数2.652.752.882.30吸水率（24 h）/%21.910.813.210.2图 1整形机制砂和河砂粒径分布图Figure 1Particle size distribution diagram of shaped manufactured sand and river sand1592 0 2 3材料研究与应用表 2。3 种不同岩性机制砂共制作 15 组混凝土试块（共135块），试件尺寸为150 mm150 mm150 mm，拆模之后在温度为（202）、湿度为 95%的标准养护条件下养护 1、3和 28 d。1.3试验方法按照 GB/T50080-2016普通混凝土拌合物性能试验方法标准18，对整形机制砂混凝土的塌落度进行测定。按照 GB/T 50081-2002 普通混凝土力学性能试验方法标准19的试验方法，采用 DYE-3000型电液式压力试验机对每个试件进行抗压强度测试。根据 GB 50164-2011混凝土质量控制标准20的规定，使用 GY-2 混凝土流变仪对整形机制砂混凝土 新 拌 合 物 的 流 变 性 能 进 行 测 定。按 照 GB/T14684-2011 建设用砂21的试验方法，采用 NSF-1石粉含量测定仪对每种整形机制砂石的粉含量进行测试。利用公式MB=MV 10对实验中整形机制砂的 MB 值做了相应测试，其中 M 为加入的亚甲蓝溶液的质量，V 为试样溶液体积。MB 1.4时确定以石粉为主，而日常生产的整形机制砂MB值为1.01.3，整形机制砂的 MB值列于表 3。2结果与讨论由于整形机制砂颗粒级配及石粉含量 MB值的不同，掺入量的多少直接影响到了混凝土的性能。本文选用替代质量百分比的方式，改变混凝土中整形机制砂的掺入量，通过初拌合物的工作性能和力学性能，分析整形机制砂的掺入量对混凝土的影响。2.1工作性能通过分析新拌整形机制砂混凝土的流动度的试验，得到不同的整形机制砂掺量对混凝土流动性的影响规律。图 2为不同整形机制砂掺量混凝土的塌落度。从图 2可见：随着整形机制砂替代率的增加，C30 混凝土的塌落度降低，表明整形机制砂降低了混凝土的流动性；当 3 种岩性的整形机制砂替代率不超过 40%时，整形机制砂掺量对 C30混凝土流动性的负面影响差值相近，这说明整形机制砂掺量的递增不会造成流动性的陡然下降；当整形机制砂替代率为 50%60%时，除了整形山砂混凝土的塌