高泥粉石粉含量山砂制备低强高性能混凝土及其优化研究.pdf

晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂0引言随着建设行业规模的扩大，混凝土用砂量大幅增长，河道砂石难以满足供应需求。因地制宜、就地取材，使用山砂配制高性能混凝土成为一种趋势。山砂是指碳酸盐类岩石经除土开采、机械破碎、筛分而成的公称粒径小于 5.00 mm 的岩石颗粒，是机制砂的一种。山砂和河砂的最大不同在于山砂中存在微细级配的石粉。现有研究表明1-2，石粉对山砂混凝土性能影响较大；同时，山砂中含有蒙脱土、蛭石、纯高岭等黏土泥粉，对山砂混凝土的影响更大3-5。为了促进山砂行业的健康发展，确保山砂混凝土的质量，GB/T 146842022 建设用砂以及贵州地标 DB 240162010贵州省山砂混凝土技术规程 等一系列国家、行业和地方标准相继出台。由于不同建筑施工区域内制作山砂的岩石和制砂工艺的差异，山砂中石粉高泥粉石粉含量山砂制备低强高性能混凝土及其优化研究赵海钦1，翟博文2，张树理3，李建委4（1.中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安710000；2.贵州师范大学，贵州 贵阳550025；3.中建四局第五建筑工程有限公司，广东 深圳518000；4.河南理工大学基建处，河南 焦作454000）摘要：研究一种用于高原山区公路的 MB 值 1.6g/kg 和石粉含量 8.8%的高含泥含粉山砂低强高性能混凝土的制备及工作性、力学性能的影响。试验结果表明，适度增加山砂混凝土中水泥用量、粉煤灰掺量、砂率、减水剂掺量能有效改善其工作性能和提升混凝土的强度；其中水泥用量和粉煤灰掺量对山砂混凝土的强度影响比较明显，减水剂掺量和水泥用量对山砂混凝土的坍落度影响最为显著。结合正交试验，该山砂 C30 低强高性能混凝土材料最佳用量为：水泥、粉煤灰、山砂、碎石、水、减水剂分别为 312、55、824、1049、156、3.67 kg/m3，制备的混凝土具有较好的抗渗性、抗冻性、收缩、抗碳化等耐久性能。关键词：山砂；高泥含量；高石粉含量；高性能混凝土中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）11-0099-05Preparation of low strength and high performance concrete from mountain sand with high content ofmud powder and stone powder and its optimization researchZHAO Haiqing1，ZHAI Bowen2，ZHANG Shuli3，LI Jianwei4（1.CCCC Second Highway Engineering Co.Ltd.，Xi忆an 710000，China；2.Guizhou Normal University，Guiyang 550025，China；3.The Fifth Construction Engineering Co.Ltd.，China Construction Fourth Bureau，Shenzhen 518000，China；4.Henan Polytechnic University Infrastructure Department，Jiaozhuo 454000，China）Abstract：The preparation of a high-performance low-strength concrete with a MB value of 1.6 g/kg and a stone powder con原tent of 8.8%with high silt-containing silt sand and high-performance low-strength concrete for highways in plateau and mountain原ous areas，and its influence on workability and mechanical properties were studied.The test results show that moderately increasingthe cement，fly ash，sand ratio，and water reducing agent in the mountain sand concrete can effectively improve its working perfor原mance and enhance the strength of the concrete；among them，the amount of cement and fly ash content affects the strength of themountain sand concrete obviously，the amount of water-reducing agent and the amount of cement have the most significant impacton the slump of mountain sand concrete.The best dosage of the mountain sand C30 low-strength high-performance concrete mate原rial is：cement，fly ash，mountain sand，crushed stone，water，water reducing agent=312、55、824、1049、156、3.67 kg/m3，the preparedconcrete has good durability properties such as impermeability，frost resistance，shrinkage，and carbonization resistance.Key words：mountain sand，high mud content，high stone powder content，high performance concrete基金项目：教育部第二批新工科研究与实践项目（E-XTYR202200662）收稿日期：2023-02-07；修订日期：2023-05-21作者简介：赵海钦，男，1979年生，高级工程师，注册一级建造师，E-mail：。通讯作者：翟博文，教授，博士，E-mail：。中国科技核心期刊99新型建筑材料圆园23援11和泥粉的含量往往会超过相关的技术标准。因此，研究利用高石粉和泥粉含量的山砂制备高性能混凝土具有重要的理论与实践意义。1山砂的选用在国际上，对山砂的石粉含量要求不同。比如，美国和日本对山砂中的石粉含量要求较高，限制臆7%；而澳大利亚对山砂的石粉含量要求则不高，限制臆25%。研究表明，在 MB值符合要求的情况下，石粉含量臆10%甚至更低对混凝土性能影响较小。因此，我国往往将山砂中的石粉含量与山砂的MB 值两者综合考虑。目前，关于山砂的标准对石粉和 MB 值的规定存在差异，具体见表 1。表 1我国部分标准规定的山砂石粉含量限值以 DB240162010 为例，山砂中石粉和 MB 值要求见表2。表 2DB 240162010 山砂中石粉含量要求通过表 2 以及各地标准分析，混凝土等级越高要求山砂中的石粉含量更低，MB 值（泥粉）的含量也要求更低。尤其对混凝土抗冻、耐久和抗裂工作性要求较高的混凝土，山砂中的石粉含量和泥粉含量应更低6-7。在贵州某高原山区高速公路项目桥涵结构和路面大部分混凝土强度等级以 C30 为主，工程项目环境对混凝土抗冻性及耐久性要求较高8。该项目砂石场生产的山砂片状较多、棱角尖锐且存在级配“两头大中间小”等缺点；经过专门的设备除粉后，山砂的石粉含量为 8%左右，MB 值跃1.4 g/kg，其含量仍较高。同时，通过对该山砂进行冲洗，将山砂的粉料含量控制在 5%，并向山砂中掺入不同量的泥粉，泥粉含量与 MB 关系曲线见图 1。因此，该项目山砂中石粉和泥粉含量双超标的特点突出。图 1山砂泥粉含量与 MB 值关系曲线现有研究表明9，泥粉含量限制在 2%以下为宜（MB 值臆1.2 g/kg），掺入过多的泥石粉会使山砂混凝土力学性能有所下降10-11。由于中低强度等级山砂高性能混凝土在经济合理性、工程安全性、环境适应性等方面具有明显的工程实用价值12。因此，本文以该项目 2 号砂石料场生产的山砂为研究对象，制备 C30 山砂高性能混凝土，并进行相关的优化研究。山砂细度模数为 2.9，MB 值为 1.6 g/kg，石粉含量为 8.8%，山砂的筛分曲线见图 2。图 2山砂的筛分曲线由图 2 可知，该山砂的级配符合 DB 240162010 中玉区山砂的要求，但是山砂的石粉和泥粉含量明显高于此要求。2试验2.1试验材料（1）水泥：P O42.5 水泥，标准稠度用水量为 28.5%，比表面积 3260 cm2/g，初凝时间为 160 min，终凝时间为 215 min，重庆富皇水泥有限公司产，其化学成分见表 3。（2）粉煤灰：域级，45 滋m 方孔筛筛余为 29.9%，贵州明川粉煤灰有限公司产，其化学成分见表 3。表 3水泥和粉煤灰的化学成分%（3）减水剂：KJ-JS 聚羧酸高性能减水剂，减水率36.4%、项 目CaOSiO2Al2O3SO3Fe2O3MgONa2O水泥58.421.67.32.13.93.10.2粉煤灰0.244.327.10.610.80.80.9MB 值约1.4 g/kgMB 值逸1.4 g/kg混凝土强度等级石粉含量/%混凝土强度等级石粉含量/%臆C30臆15.0臆C25臆5.0C35C45臆10.0C35C55臆3.0C50C55臆7.0赵海钦，等：高泥粉石粉含量山砂制备低强高性能混凝土及其优化研究标准名称石粉含量/%MB 值臆1.4 g/kgMB 值逸1.4 g/kgGB/T 146842022JGJ 522006TB 100052010DB 240162010DBJ/T 5009902010DB45/T 16212017臆10.0臆10.0臆10.0臆15.0臆14.0臆12.0臆5.0臆5.0臆5.0臆5.0臆5.0臆5.0JT/T 8192023约10.0约7.0约5.0约5.0桥涵结构物路面100晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂含固量22.4%、含气量 4.8%，广东柯杰外加剂科技有限公司。（4）粗集料：通过利用 3 种规格的粗集料，按照 GB/T146852022 建设用卵石、碎石 对粗集料连续级配的规定，设计 8 组不同的粗集料级配制备混凝土，粗集料级配对空隙率与堆积密度的影响见表 4，粗集料级配对混凝土坍落度和扩展度及抗压强度的影响见表 5。表 4粗集料级配对空隙率与堆积密度的影响表 5粗集料级配对混凝土坍落度、扩展度及抗压强度的影响由表 4 和表 5 可知，堆积密度最大、空隙率最低的粗集料最佳级配为：510 mm 粗集料占比 10%、1016 mm 粗集料占比 45%、1625 mm 粗集料占比 45%，得到的粗集料堆积密度为 1555 kg/m3，空隙率为 42.5%。采用水胶比 0.44、用水量156 kg/m3、粉煤灰掺量 10%、减水剂掺量 1.0%、砂率 44%的配合比，该粗集料所拌制的混凝土坍落度为 202 mm、扩展度为410 mm，和易性良好，更有利于现场施工，在水泥用量、水胶比不变的情况下其 28 d 抗压强度最高，为 45.3 MPa。2.2试验方法MB 值主要参照 GB/T 146842022 进行测试。新拌混凝土工作性能按照 GB/T 500802016 普通混凝土拌合物性能试验方法标准 进行测试。混凝土抗渗、收缩和抗冻性能分别按照 GB/T 500822009 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准 中 6.2 节逐级加压法、8.2 节接触法和 4.2 节快冻法进行测试。3试验结果及分析3.1水泥用量对混凝土性能的影响采用 5 组不同水泥用量分别配制 C30 山砂混凝土，用水量为 156 kg/m3，水泥用量对 C30 山砂混凝土坍落度及抗压强度的影响见表 6。表 6水泥用量对 C30 山砂混凝土坍落度及抗压强度的影响根据 JGJ552011 普通混凝土配合比设计规程 计算得出C30 混凝土的配制强度为 38.225MPa。由表 6 发现，当水泥用量为 289kg/m3时，混凝土 28d 抗压强度为 37.5MPa，达不到C30 混凝土配制强度要求；而水泥用量高于 322 kg/m3时，混凝土抗压强度有所提高，但影响混凝土的流动性，造成混凝土坍落度损失。综合工作性能和抗压强度，水泥用量宜取 302kg/m3，C30 混凝土坍落度为 210 mm，28 d 抗压强度达到 40.8 MPa。3.2粉煤灰掺量对混凝土性能的影响控制其他组成材料用量不变，其中水胶比为 0.44，减水剂掺量均为 1.0%，粉煤灰掺量对 C30 山砂混凝土坍落度及抗压强度的影响见表7。表 7粉煤灰掺量对 C30 山砂混凝土坍落度及抗压强度的影响由表 7 可知，由于粉煤灰掺量造成水膜厚度不同影响混凝土的坍落度，C30 山砂混凝土粉煤灰掺量为 15%以内时，粉煤灰能改善混凝土的坍落度；当掺量在 15%以后，混凝土的坍落度损失开始回升；但掺量 20%以内时，仍低于未掺粉煤灰混凝土。粉煤灰掺量 20%以内，减少粉煤灰的掺量有利于组别堆积密度/（kg/m3）空隙率/%A52570151344.1B53560153143.4C54550153843.2D103060154243.0E104545155542.5F152560154343.0G154530155042.6H204535153543.4不同粒径范围粗集料占比/%510 mm1016 mm1625 mm组别坍落度/mm扩展度/mm抗压强度/MPa3 d7 d28 d90 dA18138727.132.442.243.1B19039527.534.641.845.7C19739528.234.744.543.9D19039028.035.143.946.9E20241031.035.345.351.0F20040827.831.642.645.1G18139030.334.742.845.4H18239327.534.341.244.6编号水泥用量/（kg/m3）砂率/%粉煤灰掺量/%减水剂掺量/%坍落度/mm抗压强度/MPa3 d7 d28 dA127242150.818621.024.836.3A228942150.820124.331.237.5A330242150.821025.733.540.8A432242150.820525.334.243.9A534842150.817531.638.449.2用水量/（kg/m3）砂率/%坍落度/mm抗压强度/MPa3 d7 d28 d1564218527.231.445.31564218526.930.640.21564220025.330.241.31564221024.729.441.5156156424219118022.520.629.027.842.139.4编号粉煤灰掺量/%B10B25B310B415B520B625赵海钦，等：高泥粉石粉含量山砂制备低强高性能混凝土及其优化研究101新型建筑材料圆园23援11改善混凝土抗压强度。综合工作性能和抗压强度，C30 混凝土的粉煤灰掺量宜控制在 15%左右，其坍落度为 210 mm，28 d抗压强度达到 41.5 MPa。3.3砂率对混凝土性能的影响砂率是混凝土原材料影响因素中必须考虑的重要因素。砂率不仅影响混凝土的强度和耐久性，还会影响新拌混凝土的工作性能。采用 5 组不同的砂率配制 C30 混凝土，其中混凝土的水胶比为 0.44，减水剂掺量为 0.8%。砂率对 C30 山砂混凝土坍落度及抗压强度的影响见表 8。表 8砂率对 C30 山砂混凝土坍落度及抗压强度的影响由表 8 可知，砂子和胶凝材料共同组成的砂浆能起到润滑作用，当砂率低于 44%时，随着砂率的增长能改善混凝土的坍落度；但随着砂用量的增加，浆料不足以填充粗、细骨料之间的空隙并包裹其表面，不能发挥降低骨料摩擦力作用，混凝土的坍落度减小。同时，混凝土的 7、28 d 抗压强度都是以44%砂率为拐点。综合工作性能和抗压强度，C30 混凝土的砂率宜控制在 44%左右，其坍落度为 195 mm，28 d 抗压强度达到 46.0 MPa。3.4减水剂掺量对混凝土性能的影响减水剂对水泥颗粒具有分散作用，可改善混凝土的流动性，提升混凝土的强度。采用 5 组不同的减水剂掺量配制 C30混凝土，其中混凝土的水胶比为 0.44，粉煤灰掺量均为 15%。减水剂掺量对 C30 山砂混凝土坍落度及抗压强度的影响见表 9。表 9减水剂掺量对 C30 山砂混凝土坍落度及抗压强度的影响由表 9 可知，混凝土坍落度和混凝土抗压强度均在减水剂掺量为 1.0%时出现拐点。即掺量低于 1.0%时，随着减水剂的掺量增加，混凝土的流动性和强度都有所改善；当掺量超过1.0%时，随着减水剂的掺量增加，混凝土的流动性和强度都降低。综合工作性能和抗压强度，C30 混凝土的减水剂宜控制在1.0%左右，其坍落度为 200 mm，28 d 抗压强度达到43.5 MPa。4综合影响因素分析4.1正交试验与传统混凝土相比，高性能混凝土有更多的组成材料，各种组成材料的影响变得更加复杂。水泥用量、粉煤灰掺量、砂率及减水剂掺量等主要因素都会影响山砂混凝土的工作性能和强度。C30 山砂混凝土正交试验因素水平见表 10，正交试验结果见表 11。表 10C30 山砂混凝土正交试验因素水平表 11C30 山砂混凝土正交试验结果4.2极差分析（见表 12、表 13）表 12坍落度极差分析用水量/（kg/m3）粉煤灰掺量/%坍落度/mm抗压强度/MPa3 d7 d28 d1561518021.430.244.11561518522.532.745.61561519524.334.146.01561518626.233.644.61561517425.232.043.4编号砂率/%C140C242C344C446C548用水量/（kg/m3）砂率/%坍落度/mm抗压强度/MPa3 d7 d28 d1564417022.027.237.91564419123.130.443.01564420024.532.643.51564418424.439.040.51564416621.726.138.3编号减水剂掺量/%D10.6D20.8D31.0D41.2D51.4水平因素水泥用量/（kg/m3）（A）砂率/%（B）粉煤灰掺量/%（C）减水剂掺量/%（D）12924250.8230244101.0331246151.2编号ABCD坍落度/mm抗压强度/MPa3 d7 d28 d1#2#1112121219020522.023.527.527.236.038.63#4#1231323319019522.325.028.631.039.741.55#6#2223311220020526.425.332.530.743.039.27#8#3312132321019526.027.133.031.445.642.09#332120026.332.941.9项目k1195198197197k2200200200207k3202198200193R72314坍落度/mmABCD赵海钦，等：高泥粉石粉含量山砂制备低强高性能混凝土及其优化研究102晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂表 13抗压强度极差分析由表 12、表 13 可知：（1）各因素对 C30 山砂混凝土 28 d 抗压强度的影响顺序为：水泥用量跃粉煤灰掺量跃砂率跃减水剂掺量，其中水泥用量和粉煤灰掺量影响比较明显，减水剂掺量和砂率的影响不显著。（2）各因素对 C30 山砂混凝土坍落度的影响顺序为：减水剂掺量跃水泥用量跃粉煤灰掺量跃砂率，其中减水剂掺量和水泥用量的影响最为显著。（3）综合考察各龄期强度和拌合物的工作性能，可得到C30 山砂混凝土最佳组合为 A3B2C3D2，配合比为：水泥用量为 312 kg/m3、砂率为 44%、粉煤灰掺量为15%及减水剂掺量为 1.0%。计算出 C30 山砂高性能混凝土最佳配合比见表 14。表 14C30 山砂高性能混凝土最佳配合比kg/m35山砂高性能混凝土耐久性分析按表 11 中的 1#和 7#配合比制备试块，抗渗试验表明，1#试块的抗渗等级为 P8，7#试块的抗渗等级为 P12，均符合 JGJ552011 的要求。按照表 14 制备 C30 山砂混凝土进行收缩和冻融试验。收缩试验表明，随着龄期的延长，其收缩率不断增大，但收缩速率增长幅度逐渐减小，14 d 到 45 d 增长幅度更慢，45 d 收缩率在 200伊10-6220伊10-6，与同强度等级混凝土的收缩率相比，收缩率偏低。冻融试验表明，经过 75 次冻融循环后，各组试块的相对动弹模量和质量损失率都有所下降，但相对动弹性模量都在 90%以上，质量损失率不大于 2%，说明在短期内都具有良好的抗冻性。冻融次数达到 300 次，其相对动弹性模量 85%以上，质量损失率不大于 3.1%，说明配制出的中低强度等级高性能混凝土抗冻性良好。6结语（1）优化粗集料级配，可以降低骨料堆积的空隙率，改善山砂混凝土的坍落度、扩展度以及抗压强度。粗集料最佳级配为：510 mm 粗集料占比 10%、1016 mm 粗集料占比 45%、1625 mm 粗集料占比 45%，堆积密度为 1555 kg/m3，空隙率为 42.5%。（2）适度增加水泥、粉煤灰、砂率、减水剂能有效改善山砂混凝土的工作性能和提升混凝土的强度；但是当掺合量超过某一临界值时，山砂混凝土的坍落度呈下降趋势，且对山砂混凝土的强度产生不利影响。（3）通过正交试验多因素分析，水泥用量和粉煤灰掺量对山砂混凝土的抗压强度影响较明显，减水剂掺量和水泥用量对山砂混凝土的坍落度影响较显著。（4）受岩石和制砂的影响，在山砂含粉、含泥量超标的情况下，通过优化粗集料的级配，合理控制水泥用量、粉煤灰掺量、砂率、减水剂掺量，也可以制备抗渗性、抗冻性、收缩、抗碳化等耐久性均满足相关要求的低强高性能的混凝土，且有利于就地取材，提升绿色施工与绿色建筑水平。参考文献：1余成行，曲东杰，刘敬宇，等.机制砂混凝土的流变性能敏感性分析J.混凝土，2021（1）：153-156，160.2赵学涛，杨鼎宜，朱从香，等.掺机制砂的超高性能混凝土试验研究J.混凝土，2020（9）：152-154，160.3李军.机制砂混凝土工作性能及强度影响因素研究J.新型建筑材料，2020，47（5）：26-28，32.4赖勇超，刘敦文，黄利俊，等.凝灰岩机制砂品质对混凝土性能的影响研究J.工业建筑，2020，50（5）：88-93.5范金朋，李维红，张铖，等.材料因素对机制砂混凝土性能影响J.混凝土，2019（12）：152-155，160.6宋少民，程成，杨楠.机制砂岩性对胶砂和混凝土性能影响的研究J.混凝土，2019（9）：67-70.7蒋赣猷，青志刚，梁德兴.机制砂及石粉特性研究J.公路，2019，64（6）：242-244.8毛永琳，朱江，杨勇，等.机制砂中的石粉对水泥浆体流动性和干燥收缩的影响J.混凝土，2019（2）：76-79，84.9刘慈军，陈方东，占文，等.机制砂石粉和泥粉含量对 C50 箱梁混凝土性能的影响J.铁道建筑，2013（10）：132-135.10黄昌华，杨海成，盛余飞，等.砂岩石粉含量对机制砂混凝土劈裂抗拉强度的影响及机理研究J.水运工程，2017（9）：58-63.11滕爱国，杨海成，范志宏，等.泥粉对砂岩机制砂 MB 值及砂浆性能的影响J.水运工程，2017（9）：48-52.12沈卫国，杨振国，邹晓丹，等.机制砂 MB 值的影响因素定量研究J.武汉理工大学学报，2013，35（12）：44-47.蒉项目3 d 抗压强度/MPa7 d 抗压强度/MPa28 d 抗压强度/MPaABCABCABCDk122.6 24.3 24.8 24.9 27.8 30.5 29.9 31.0 38.1 41.0 39.1 40.3k225.6 25.7 24.9 24.9 31.4 30.4 30.4 30.3 41.2 41.2 40.7 41.1k326.5 24.6 24.9 24.8 32.4 30.7 31.4 30.3 43.2 40.3 42.8 41.1R3.91.40.10.14.60.31.50.75.10.93.70.8DD水泥粉煤灰山砂碎石水减水剂3125582410491563.67赵海钦，等：高泥粉石粉含量山砂制备低强高性能混凝土及其优化研究103