机制砂特性对C80混凝土工作性的影响

余海燕，胡东光

（天津城建大学材料科学与工程学院，天津 300384）

作为建设大国，我国混凝土的消耗量逐年增加，而天然砂作为混凝土的主要原料，其需求量的增加不言而喻.但没有节制地开采天然砂，已经对环境造成了一定的破坏.为了保护河道河床，相关部门已经颁发了一系列针对性的政策，严格禁止不合理地开发天然河砂资源，市场上的天然河砂越来越少[1-2]，成本也越来越高，因此急需一种材料能够替代天然河砂.机制砂是由制砂机等制砂设备加工制成，是一种制作比较简单、应用比较便捷的混凝土原材料，已在较多工程中使用[3-4].因此，机制砂代替天然河砂成为混凝土行业发展的一大趋势[5].但是机制砂表面有较高的粗糙度、外形尖锐有棱角、针片状多等特性都会影响混凝土的性能.目前，机制砂在低强度等级混凝土中的应用技术较为成熟[6-7]，但是在高强混凝土中的研究相对来说较少[8-10].因此，本文主要对不同母岩、石粉质量分数、级配等因素进行试验研究，以探究其对C80混凝土工作性的影响.

1 试验

1.1 试验原材料

水泥：P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；矿粉：S95级矿粉，主要性能指标见表1；细集料：机制砂，包括云母岩、石灰岩、铁尾矿3种母岩，其相关性能指标见表2；粗集料：石灰石碎石，含泥量≤0.5%，级配为2.36~25.50 mm；外加剂：石家庄花联新型材料科技有限公司生产的聚羧酸盐减水剂.

1.2 试验方法及主要测试设备

混凝土配合比如表3所示，工作性测试和评价方式按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》执行.机制砂颗粒形状测试仪器为BT-2900动态图像颗粒分析系统，由丹东百特仪器有限公司生产.圆形度计算方法为：e=（4π×投影面积）/（周长×周长）.

表1 矿粉性能指标

表2 3种母岩机制砂的性能参数

表3 C80混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果及分析

2.1 不同母岩机制砂对C80混凝土工作性的影响

选取石灰岩、铁尾矿和云母岩3种母岩机制砂，同一制砂参数和工艺下生产.水洗、筛分后去除石粉，级配接近国际《建筑用砂》中II区级配中值，由其制备的C80混凝土工作性测试结果见表4.

表4 不同母岩对C80混凝土工作性的影响

由表4可以看出，用石灰岩、云母岩、铁尾矿机制砂制备的C80混凝土的坍落度分别为220，205，200 mm，扩展度分别为540，520，510 mm.石灰岩机制砂混凝土比云母岩机制砂混凝土的坍落度大15 mm，扩展度大20 mm；云母岩机制砂混凝土比铁尾矿机制砂混凝土的坍落度大5 mm，扩展度大10 mm.由此可以看出，由石灰岩机制砂制得的C80混凝土的工作性最优.

2.2 机制砂石粉质量分数对C80混凝土工作性的影响

选择机制砂母岩为石灰岩，石粉质量分数分别为0，3%，6%，8%，10%.由其制备的C80混凝土工作性的试验结果如表5所示.

表5 石粉质量分数对C80混凝土工作性的影响

从表5中可以看出，不掺加石粉时，混凝土坍落度为220 mm，扩展度为530 mm，黏聚性较小；石粉质量分数为3%和6%时，混凝土和易性良好，具有相同的工作性，比不掺加石粉的机制砂混凝土坍落度增加了10 mm，扩展度增加了30 mm.石粉质量分数为8%时，混凝土的坍落度为220 mm，扩展度为510 mm.相比于SF-2和SF-3组，混凝土的坍落度下降了10 mm，扩展度下降了50 mm，拌合物开始表现出黏性；继续增加石粉质量分数到10%时，混凝土坍落度为190 mm，扩展度为480 mm.相比于SF-2和SF-3组，混凝土的坍落度和扩展度下降更多，分别降低了40 mm和80 mm，表现出更强的黏性.因此，随着机制砂中石粉质量分数的增加，C80混凝土的坍落度和扩展度呈现先增加后减小的趋势.当石粉质量分数为3%和6%时，C80混凝土的工作性最好.适量的石粉（3%~6%）能够有效地削弱机制砂表面粗糙带来的不利影响，减小了粗细骨料之间的摩擦，改善混凝土的工作性.但是当其质量分数超过6%时，混凝土的工作性就会开始下降，黏性增加显著，且随着石粉质量分数的继续增加，会加大新拌混凝土的用水量，同时其对外加剂的吸附会降低减水剂的减水效果，导致混凝土的工作性劣化.

2.3 机制砂MB值对C80混凝土工作性的影响

研究对象为石灰岩机制砂，不同MB值对C80混凝土工作性的影响如表6所示.

表6 MB值对C80混凝土工作性的影响

通过表6可以发现，MB值为0.50 g/kg时，混凝土的坍落度为230 mm，扩展度为560 mm.随着MB值的增长，C80混凝土的坍落度和扩展度均逐渐减小，工作性劣化.MB值为0.75 g/kg时，混凝土坍落度和扩展度分别为200 mm和500 mm，较N-1组混凝土坍落度和扩展度下降了11%和12.5%；MB值为1.00 g/kg时，混凝土坍落度降到160 mm和420 mm，较N-1组混凝土坍落度和扩展度下降了30.4%和25%.当MB值继续增大至1.25 g/kg，新拌混凝土总体上已失去工作性.当MB值增大到一定值时，大量减水剂被石粉吸附，混凝土拌和用水减少，导致其工作性劣化.因此，混凝土的工作性受MB值影响显著，宜控制在0.75 g/kg以下.

2.4 机制砂级配对C80混凝土工作性的影响

选择母岩为石灰岩的机制砂，石粉固定为5%.机制砂级配基本参数如表7所示.不同级配机制砂对C80混凝土工作性的影响见表8.

表7 机制砂级配基本参数

表8 级配对C80混凝土工作性的影响

由表8可以发现，G3组颗粒连续程度较好，各级粒径分布合理，混凝土工作性较好，坍落度为220 mm，扩展度为540 mm.G2组C80混凝土工作性较G3组稍差，坍落度比G3组小15 mm、扩展度小30 mm，保水性不足.这是因为颗粒连续程度较G3组差，大颗粒占比较多.G1组和G4组新拌C80混凝土坍落度分别为170 mm和190 mm，扩展度分别为450 mm和530 mm.这两组机制砂级配缺少大颗粒组分，细颗粒较多，导致混凝土坍落度降低，黏聚性较高，混凝土工作性欠佳.而G5组机制砂大颗粒较多，细颗粒较少，混凝土出现离析、泌水现象，和易性较差，失去可塑性.

2.5 机制砂粒形特征对C80混凝土工作性的影响

粒形的棱角特征一般用圆形度来表征.圆形度越大，表明颗粒形貌越趋于圆形.采用不同设备制得的石灰岩机制砂配制C80混凝土，几种粒形平均长径比和圆形度如表9所示，其中序号RS组为掺石粉的河砂.颗粒形状如图1所示，粒形特征对C80混凝土工作性的影响如表10所示.

表9 不同设备制备石灰石机制砂粒形测试结果（5%石粉）

图1 不同颗粒形貌图像

表10 粒形对C80混凝土工作性的影响

通过表10可以发现，各组的C80混凝土坍落度均在210~230 mm间，扩展度均在520~550 mm间.MS1组拌得的C80混凝土和易性较其他三组差一点，且出现轻微离析.在相同的颗粒级配下，与掺石粉的河砂相比，机制砂圆形度超过0.87后，二者对C80混凝土工作性的影响相差不大.

3 结论

（1）对于C80混凝土而言，石灰岩、云母岩、铁尾矿3种母岩机制砂所拌得的C80混凝土坍落度、扩展度从大到小顺序为：石灰岩机制砂＞云母岩机制砂＞铁尾矿机制砂.

（2）质量分数为3%~6%的石粉可以改善C80混凝土的工作性.石粉质量分数＞6%时，C80混凝土的工作性开始下降；当MB值为0.50 g/kg时，混凝土工作性最好.随着MB值的继续增大，混凝土坍落度、扩展度逐渐降低.

（3）机制砂级配是C80混凝土泌水的主要因素.颗粒连续程度好，各级粒径分布合理，混凝土工作性较好；在相同的颗粒级配下，圆形度大于0.87的机制砂可以制备出与河砂工作性相同的C80混凝土.