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机制砂对混凝土性能有什么影响?

机制砂受生产工艺的影响,与天然砂相比,具有以下特点:一般含有与母岩岩性相同的石粉,含量约为10%~20%;细度模数较大,一般为中粗砂;颗粒多为三角体或方矩体,表面粗糙,颗粒尖锐有棱角;一般级配较差,大颗粒和小颗粒较多,中间颗粒较少。目前对机制砂石粉含量及颗粒特性对混凝土性能的影响已经有了较多的研究。

1机制砂石粉含量对混凝土性能的影响

机制砂中粒径小于75μm的颗粒被称为石粉,其物理化学性质与母岩完全相同。机制砂石粉和河砂中的泥粉不同,适量的石粉能够改善混凝土的和易性、工作性和耐久性。受生产工艺的影响,成品机制砂一般带有大量的石粉,其含量有时会超过GB/T14684-2011《建筑用砂》规定的石粉含量限值。由于石粉对混凝土性能影响较为复杂,既有正面影响也有负面影响,对石粉含量限制过低会提高生产成本,对机制砂的推广使用不利。机制砂中石粉含量限值的确定及石粉对混凝土性能的影响,已经成本为机制砂研究的热点问题。

石粉对混凝土工作性能的影响有两方面,一方面由于石粉会吸附一定的水及外加剂,因而石粉含量的增加会导致混凝土需水量增加;另一方面,由于机制砂级配较差,易造成混凝土离析、泌水,适量的石粉能够增加混凝土稠度,改善混凝土和易性。

在力学性能及耐久性性能方面,石粉能够为CH结晶提供成核中心,使晶体细化,有利水泥水化,提高混凝土微结构的致密程度,从而对混凝土力学性能及耐久性性能有利。

刘春苹等使用石粉替代部分水泥,研究了石粉含量对人工砂砂浆流动度的影响。研究结果显示,在固定机制砂取代率的条件下,人工砂砂浆流动度、抗压强度和抗折强度随着石粉含量的增加先增大后减小,也就是说石粉含量有最优值。

蔡基伟等对机制砂石粉含量对混凝土工作性能和抗压强度的影响规律进行了研究,结果显示低强度混凝土水灰比较大,机制砂石粉的掺入能够补充细颗粒,增加拌合物稠度,减少混凝土的泌水现象,还能提高混凝土的抗压强度。

王稷良等研究了石粉含量对混凝土耐久性能的影响。结果表明:普通强度混凝土和高强混凝土耐久性能受石粉影响的规律并不完全相同;对于普通强度机制砂混凝土,混凝土抗氯离子渗透性能随着机制砂中石粉含量的增加而增强,而混凝土抗冻性能则随着石粉含量的增加而降低,尤其是当石粉含量高于10%(石粉与水泥体积比超过13.47)时,混凝土抗冻性能劣化明显;但对于高强混凝土而言,对于混凝土工作性能,当石粉含量大于7%时,混凝土坍落度降低,而对于抗氯离子渗透性能、抗冻性能等耐久性能,石粉含量从3.5%提高到14%,均未使机制砂高强混凝土出现性能劣化现象。

BeixingLi等对不同强度等级混凝土抗压强度、抗冻性能及抗氯离子侵蚀能力受机制砂中细粉料的影响进行了研究。研究结果显示,对于低强度混凝土,石粉含量的增加有利于提高抗氯离子侵蚀能力,但会降低混凝土抗冻性;对于高强度混凝土,当石粉含量从0增加至15%时,对混凝土的抗冻性能及抗氯离子侵蚀能力没有影响。

JianBoXiong等对石粉对混凝土耐久性的影响进行了研究。研究结果显示,当石粉含量从3%增至13%时,混凝土抗氯离子渗透性能增强。

李北星等针对国家标准GB/T146842001《建筑用砂》关于配制C60以上混凝土所用机制砂石粉含量限值较低,仅为3%的规定,研究了不同石粉含量(3.5%7.0%10.5%14.0%)与不同粉煤灰掺量(011.3%17.0%)C60机制砂高性能混凝土性能的影响。研究结果显示,在配制C60高性能混凝土时,机制砂的石粉含量上限可以适当放宽至10.5%,机制砂的一部分石粉可以作为矿物掺合料使用。

薛晓芳等对石粉含量对高强度等级的自密实混凝土工作性能、力学性能、耐久性能及体积稳定性能影响进行了研究。研究结果显示:石粉的掺入对混凝土后期强度有利;石粉的掺入增大了混凝土的干缩,但影响不明显;混凝土抗氯离子侵蚀能力随着石粉掺量的增加而降低。

王雨利等研究了石灰石石粉掺量对硅酸盐水泥水化的影响。采用外掺石粉的方式,按照0%3%6%9%12%的比例取代水泥,模拟了机制砂石粉含量对硅酸盐水泥7d28d的水化产物的影响。试验结果显示,石灰石粉掺量对硅酸盐水泥水化的影响规律较为复杂。在28d时,当石粉掺量在6%以下时,对水泥水化具有抑制作用,而在6%以上时,则对水泥水化有促进作用。

 

由于石粉对水泥的水化具有一定的促进作用,有研究者尝试将石粉用作矿物掺合料取代部分胶材。赵永宁使用石粉取代粉煤灰,配制了砂浆及混凝土,并对砂浆的静浆流动度、混凝土工作性能及抗压强度进行检测、分析。试验结果显示石灰石粉用作矿物掺合料完全能够满足生产需要。

2机制砂颗粒特性对混凝土性能的影响

集料的颗粒特性包括集料的颗粒粒型、表面粗糙程度、级配等特性,已有的研究表明集料的颗粒特性对拌合物性能有重要影响。机制砂粒型多为长方形或三角形,多棱角,表面粗糙,级配较差,这决定了机制砂混凝土与河砂混凝土在配合比上会有所不同。

董瑞等采用DS-5M图像分析系统、3D激光扫描显微镜等特殊观测手段对机制砂的微观形貌特征进行了观测。观测结果显示:在粒型上,机制砂针棒颗粒较多、棱角性十分明显;在表面粗糙程度上,机制砂要大于河砂。Ahn的研究认为,机制砂

表面粗糙能够提高水泥石与集料之间的粘结强度,有利于提高混凝土的抗压强度;同时Ahn也指出,机制砂粗糙的表面对混凝土孔隙率影响更显著,机制砂的使用会增加混凝土孔隙率,降低混凝土抗压强度及耐久性能。

王稷良选取了具有典型特征的几种机制砂进行对比试验,研究了机制砂颗粒特性对机制砂混凝土工作性、抗压强度、体积稳定性的影响。研究结果显示机制砂的粒型与级配特性对混凝土的工作性不利,但其多棱角的特性则有利于提高混凝土的强度与体积稳定性。通过与天然砂级配进行对比发现,适当提高机制砂中0.15~0.3mm0.3~0.6mm的颗粒更有利于提高机制砂混凝土的工作性。

季韬等配制了不同比表面积的机制砂混凝土,通过检测其坍落度和28d抗压强度,研究了机制砂比表面积对混凝土性能的影响。研究表明,混凝土拌合物工作性能受机制砂比表面积影响显著,而混凝土抗压强度受到的影响较小;随着机制砂比表面积的增大,混凝土拌合物的坍落度减小。

研究表明使用连续级配的骨料配制的混凝土工作性能优于间断级配骨料混凝土。而机制砂级配在颗粒分布上往往表现为大颗粒与小颗粒较多,中间颗粒较少,级配较差对提高混凝土工作性能不利。不少研究人员针对机制砂的级配特性对机制砂混凝土的级配进行了研究。刘桂凤等配制了8种以不同级配的机制砂作细骨料的干混砂浆,利用试验研究了级配对干混砂浆性能的影响。试验结果表明,砂浆的抗压强度、抗折强度随着细砂含量的减少、粗砂含量的增多而降低,砂浆粘结强度则表现出了先增加后降低的趋势。岳海军等在对比国内外机制砂标准的差异及分析我国不同地区生产的69种机制砂颗粒级配、石粉含量和细度模数数据的基础上,提出了机制砂生产应控制的颗粒级配、石粉含量和细度模数的III区级配范围。艾长发等以1.18mm筛孔为分界点,将机制砂颗粒组成分成I(粒径≥1.18mm颗粒)、II(粒径<1.18mm颗粒)组分,研究了机制砂颗粒级配对混凝土性能的影响,提出了机制砂不同组分的控制比例。

3机制砂混凝土配制的研究现状

 

目前机制砂已经在广泛应用于C20~C60混凝土的生产,但对于超高强度混凝土如C80及以上级别混凝土,机制砂的应用还较少。

蔡基伟等使用铁尾矿砂完全替代河砂并辅以掺加矿物掺合料的方式对混凝土配合比进行优化,配制出了能够满足混凝土工作性能、力学性能要求的混凝土,并对铁尾矿砂对混凝土工作性及强度的影响进行了研究。

葛婷对特细山砂、机制砂和磷渣用于配制中低强度等级的自密实高性能混凝土进行了研究,并选择合适的外加剂和矿物掺合料,优化配合比设计,配制了强度等级为C20C40的中低强度等级自密实高性能混凝土。

宋伟明等针对重庆地区缺乏天然中砂,配制混凝土细骨料通常采用机制砂和特细砂掺配的情况,选用重庆地区有代表性的原材料(尤其是机制砂),采用双掺技术成功配制出具有“重庆地方特色”的C80C100机制砂高性能混凝土。

杨玉辉等配制了C80泵送混凝土,并对其配合比和掺和料进行了优化。

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