高品质骨料对混凝土和砂浆性能的影响研究.pdf

试验研究Experimental Research55总170期 2023.08 混凝土世界引言混凝土作为当代建筑不可或缺的一部分，在其生产与发展的过程中，如何既能使混凝土材料拥有良好的工作性、保持符合要求的力学性能，又能在一定程度上降低其生产成本，成为现代建筑行业必须面对的问题1。骨料作为混凝土的主要组成之一，大约占混凝土体积的60%75%，其中粗骨料起到骨架的作用，而细骨料则起到填充粗骨料空隙的作用，砂石骨料的品质影响着混凝土的工作性、力学性能及耐久性等2-3。因此，砂石骨料的质量、性能、级配成为影响混凝土质量的关键因素。近年来，面对天然砂石骨料的短缺，机制砂石骨料的推广不仅可以解决砂石资源的短缺问题，还能够带来一收稿日期：2023-5-24第一作者：蔡事成，1990年生，工程师，E-mail：通信作者：李清，1982年生，高级工程师，E-mail：高品质骨料对混凝土和砂浆性能的影响研究蔡事成蔡祥磊李清何元进邓猛四川华西绿舍建材有限公司 四川 成都 610051摘 要：砂石骨料是工程中混凝土和堆砌石等构筑物的主要建筑材料，在混凝土中起到骨架、填充和稳定体积的作用。为探究高品质骨料对混凝土和砂浆性能的影响，研究了高品质砂石骨料对混凝土和砂浆的工作性、力学性能的影响。结果表明：对于C30混凝土，花岗岩高品质骨料能够降低1kg/m3的外加剂用量，同时改善混凝土的工作性，抗压强度提高7.8%；对于C50混凝土，花岗岩高品质骨料降低了1.66kg/m3的外加剂用量，在降低胶凝材料用量16kg/m3的同时，抗压强度提高16.2%；石灰岩质高品质骨料与花岗岩类似，但改善混凝土工作性、提高强度的幅度比花岗岩质骨料小；花岗岩质高品质机制砂用于抹灰砂浆时，提高了砂浆的工作性，对抗压强度的影响较小。除此之外，高品质骨料能够在满足工程所需的工作性和力学性能条件下，降低胶凝材料和减水剂用量，具有一定的经济效益。关键词：高品质骨料；颗粒级配；混凝土性能；经济效益The Influence of High-quality Aggregates on the Performance of Concrete and MortarAbstract:Sand and gravel aggregates are the main building materials for structures such as concrete and masonry in engineering,playing a role in skeleton,filling,and stabilizing volume in concrete.To investigate the impact of high-quality aggregates on the performance of concrete and mortar,this paper studies the effects of high-quality sand and gravel aggregates on the workability and mechanical properties of concrete and mortar.The results show that for C30 grade concrete,the high-quality granite aggregates can reduce the dosage of additives by 1 kg/m3,while improving the workability of the concrete,and increasing its compressive strength by 7.8%;for C50 grade concrete,the high-quality granite aggregates reduce the dosage of additives by 1.66 kg/m3,while reducing the dosage of cementitious materials by 16 kg/m3,increasing its compressive strength by 16.2%;limestone high-quality aggregates are similar to granite,but the extent to improve the workability and strength of concrete is smaller than that of granite based aggregates.When granite high-quality machine made sand is used for plastering mortar,it improves the workability of the mortar and has little impact on compressive strength.In addition,high-quality aggregates can reduce the dosage of cementitious materials and water reducing agents while meeting the working and mechanical properties required for engineering,which has certain economic benefits.Key words:High-quality aggregates;grain composition;concrete performance;economic benefits试验研究Experimental Research56CHINA CONCRETE 2023.08 NO.170定的环境与经济效益。随着基础设施建设的发展，机制砂石骨料的需求急剧上升4-6，保证机制砂石骨料的品质成为亟待解决的问题。机制砂过粗导致低强度混凝土工作性变差，机制砂形貌级配不好导致混凝土力学性能变差，最终增加工程质量事故的风险。因此，有企业提出了高品质砂石骨料这一概念，是指洁净度高、颗粒级配良好，含泥量低且含粉合适，强度和坚固性良好的一种砂石骨料7-8。针对上述问题，以某公司生产的高品质机制砂石骨料为主要研究对象，开展普通机制砂石与高品质机制砂石骨料对混凝土工作性、力学性能影响的对比试验，研究高品质机制砂石骨料对混凝土性能的影响，同时尝试降低胶凝材料用量，以期对提高混凝土和砂浆制备的经济效益，提供一定的参考。1 材料与方法1.1 试验材料水泥：PO 42.5R普通硅酸盐水泥，其具体性能指标见表1；粉煤灰：风选级粉煤灰，其具体性能指标见表2；矿粉：S95级矿渣粉，其具体性能指标见表3；减水剂：液体聚羧酸高性能减水剂，与水泥适应性好；细骨料：某公司生产的高品质机制砂与双流当地生产的普通机制砂，包括石灰岩质与花岗岩质，其具体性能指标见表4，级配数据见表5；粗骨料：某公司生产的高品质机制石与双流当地生产的普通机制石，包括石灰岩质与花岗岩质，其具体性能指标见表6。1.2 配合比混凝土与砂浆的配合比见表7、表8。表 1 水泥性能指标水泥品种80m方孔筛筛余/%比表面积/（m2/kg）标准稠度用水量/%凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝3d28d3d28dPO 42.5R0.6320271852306.17.931.750.8表 2 粉煤灰性能指标等级45m方孔筛筛余/%比表面积/（m2/kg）需水量比/%烧失量/%强度活性指数/%级3.432591.02.084.6表 3 矿粉性能指标等级流动度比/%比表面/（m2/kg）7d活性指数/%28d活性指数/%S9599.642572.3102.3表 4 砂性能指标品种细度模数石粉含量/%MB值含石量/%堆积密度/（kg/m3）表观密度/（kg/m3）空隙率/%总压碎值/%单级最大压碎值/%本地砂（双流）2.88.10.752.015802710427.513.2高品质（花岗岩）2.58.70.751.015102660435.813.1高品质（石灰岩）2.613.71.000.315802710429.717.8 表 5 砂的分计筛余%品种方孔筛尺寸细度模数4.75mm2.36mm1.18mm0.6mm0.3mm0.15mm0.075mm筛底本地砂（双流）1.0 17.4 25.4 16.6 11.712.0 7.8 8.12.8高品质（花岗岩）1.0 15.4 19.0 18.6 14.4 14.0 8.9 8.7 2.5高品质（石灰岩）1.013.517.422.522.210.65.87.02.6试验研究Experimental Research57总170期 2023.08 混凝土世界1.3 试验方法混凝土工作性：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，在新拌混凝土拌合过程中对拌合物的流动性等状态进行观察并记录。混凝土力学性能：按照GB/T 500812019混凝土物理力学性能试验方法标准进行测试。砂浆稠度：按照JGJ/T 702009建筑砂浆基本性能试验方法标准进行测试。表 6 碎石性能指标品种实测规格/mm最大公称粒径/mm含泥量/%针片含量/%压碎指标/%堆积密度/（kg/m3）表观密度/（kg/m3）空隙率/%本地碎石（双流）52526.51.12.271580276043高品质（花岗岩）52019.01.00.7-1570273042高品质（石灰岩）102019.00.52.6-1440269046 表 7 混凝土配合比 kg/m3编号水胶比水泥矿粉粉煤灰石粉天然砂机制砂机制石外加剂BH-10.5020146830089310065.33BH-20.3637846320072110827.33YH-10.5020146830089310064.33YH-20.4716409947090710234.00YH-30.471400171027263510233.87YH-40.3436104435073110965.67BS-10.50201834600 89310065.67 BS-20.3637832460072110827.00 YS-10.47201834600 89310065.33 YS-20.47189990320 90010155.00 YS-30.471761390027063310195.00 YS-40.34378324600 72110826.33注：BH指双流当地花岗岩质机制砂组；YH指花岗岩质高品质机制砂组；BS指双流当地石灰岩质机制砂组；YS指石灰岩质高品质机制砂组。表 8 砂浆配合比 kg/m3编号水水泥粉煤灰天然砂机制砂调节剂增稠剂B-12201902071065055Y-12201902071065055B-22202102069065055Y-22202102069065055B-32202401566565055Y-32202401566565055B-42202601065065055Y-42202601065065055Y-5220190200136055注：B指双流当地花岗岩质机制砂组；Y指花岗岩质高品质机制砂组。试验研究Experimental Research58CHINA CONCRETE 2023.08 NO.170砂浆强度：按照GB/T 176712021 水泥胶砂强度检验方法（ISO法）进行测试。2 结果与分析2.1 高品质骨料对混凝土性能的影响混凝土性能测试结果见表9。由表7和表9可知，相较于石灰岩和花岗岩制的机制砂组，石灰岩制机制砂组混凝土强度更高，这与郭立贤等9的试验结果一致。若本地砂石与高品质砂石均为花岗岩质，参考BH-1组与YH-1组的试验结果发现，对于C30混凝土，高品质砂石能够降低1kg/m3的外加剂用量，同时改善混凝土的工作性，抗压强度提高7.8%。这一现象的主要原因是：（1）高品质砂石相较于普通砂石，具有良好的级配，从而使得砂石在堆积状态下空隙率更低，流动过程中需要的浆体量更少；（2）高品质砂石具有较好的表面形貌，降低新拌混凝土的内摩擦力，从而降低水、外加剂等用量10。参考BH-2组与YH-4组的试验结果发现，对于C50表 9 混凝土性能测试结果编号胶材用量/（kg/m3）水胶比外加剂用量/（kg/m3）和易性坍落度/mm扩展度/mm抗压强度/MPa3d7d28dBH-13300.505.33较好22055019.423.834.8YH-13300.504.33较好24059019.723.937.5YH-23100.474.00较好21059015.419.023.0YH-33100.473.87较好24058013.818.725.6BH-24560.367.33较好24062034.441.955.5YH-44400.345.67较好23560042.252.364.5BS-13300.505.67 较好21051513.825.036.5YS-13300.475.33 较好23054514.426.137.7YS-23200.475.00 较好21054014.719.533.1YS-33150.475.00 较好22055514.324.631.2BS-24560.367.00 较好22057530.347.659.3YS-44560.346.33 较好23560534.550.559.8表 10 砂浆性能测试结果编号水/（kg/m3）水泥/（kg/m3）粉煤灰/（kg/m3）稠度/mm24h稠度/mm表观密度/（kg/m3）保水能力/%28d抗压强度/MPaB-1220190208567180588.95.3Y-1220190208370180090.35.4B-2220210208765181089.57.8Y-2220210208471181091.47.5B-3220240158968180091.311.2Y-3220240158673180593.510.8B-4220260109070181091.815.7Y-4220260108772180592.414.9Y-5220190208673180590.75.1试验研究Experimental Research59总170期 2023.08 混凝土世界混凝土，高品质砂石降低了1.66kg/m3的外加剂使用量，在降低胶凝材料用量16kg/m3的同时，抗压强度提高16.2%。这一现象主要原因是：（1）高品质骨料具有良好的级配，在空间中堆积更加密实；（2）骨料堆积更加密实导致骨料界面水膜层厚度减小，使界面过渡区厚度减小，从而提高宏观抗压强度，其他研究11-12也得出这样的结论；（3）降低了水胶比，从而提高水泥浆体部分强度。参考YH-2组与YH-3组的试验结果发现，利用天然砂替换部分高品质砂能够进一步降低水泥用量，带来经济效益。若本地砂石与高品质砂石均为石灰岩质，参考BS-1组与YS-1组的试验结果发现，在配合比完全相同的条件下（胶材用量为330kg/m3时），降低了外加剂用量0.34kg/m3，增加了20mm的坍落度与30mm的扩展度，同时提高了混凝土28d抗压强度，提高约1.2MPa。参考BS-2组与YS-4组的试验结果发现，将胶材用量提升至456kg/m3时，降低外加剂用量的效果更加明显，但强度影响较小。参考YS-2组与YS-3组的试验结果发现，使用石灰岩质的高品质砂，可适当将胶材替换为石粉，同时可以降低天然砂的掺量，进而降低每立方米混凝土的成本。2.2 高品质骨料对砂浆性能的影响砂浆的性能测试结果见表10。由表8和表10可知，高品质机制砂与普通机制砂拌合出的砂浆强度与表观密度没有明显区别，但高品质机制砂降低了新拌砂浆的稠度，同时减少了砂浆24h的稠度损失。高品质机制砂能够降低稠度损失的主要原因是，级配与粒型相较于普通砂更好，提高了保水能力，减缓了泌水的出现，同时防止了水分的流失。参考Y-1组与Y-5组的试验结果发现，将部分机制砂替换为天然砂，在提高强度的同时，还能提高砂浆的保水能力与稠度。提高保水能力与稠度的主要原因是：（1）高品质机制砂细度模数相较于普通砂石更低，比表面积更大，导致吸附水的能力更强，提高了保水能力；（2）保水能力的提高，伴随着对浆体吸附能力的变强，从而增加了浆体的稠度。结论本文研究了花岗岩、石灰岩2种不同岩性的高品质骨料对混凝土工作性、力学性能的影响，得出以下结论：（1）高品质骨料配合部分天然砂石时，可有效提高混凝土拌合物的保水能力与流动性，同时适当减少用水量，改善其离析与泌水的情况，从而保证工程质量，降低发生事故的风险。（2）对于C30混凝土，高品质骨料能够降低1kg/m3的外加剂用量，改善工作性的同时，抗压强度提高7.8%；对于C50混凝土，高品质骨料能够降低1.66kg/m3的外加剂用量，降低胶凝材料用量16kg/m3的同时，抗压强度提高16.2%。（3）高品质骨料对砂浆体系的抗压强度与表观密度影响不明显，但对其稠度损失、保水能力有积极影响。（4）高品质骨料能够提高混凝土整体的密实度，降低水胶比，提高其抗压强度，强度等级越高的混凝土体系，效果越明显；高品质骨料能够在保持混凝土工作性与力学性能的同时，降低胶凝材料用量及减水剂用量，达到降本增效的目的。参考文献1 韩继先,肖旭雨.我国骨料的现状与发展趋势J.混凝土世界,2013(9):36-42.2 陈泓燕.砂石骨料调节剂对机制砂混凝土性能的影响D.北京:北京建筑大学,2022.3 孟书灵,卢霄,李绍纯,等.细骨料级配优化技术及评价方法的应用研究J.混凝土,2022(10):112-115.4 刘文燕,张友来,李绍纯,等.铁尾矿砂对机制砂混凝土性能的影响研究J.混凝土与水泥制品,2020(12):84-86.5 SINGH M,CHOUDHARY K,SRIVASTAVA A,et al.A study on environmental and economic impacts of using waste marble powder in concreteJ.Journal of Build Engineering,2017,13:87-95.6 彭文彬,张荣华,吴鑫.高品质机制砂制备低胶材混凝土的试验研究J.混凝土世界,2021(10):56-60.7 吴跃.让高品质砂石骨料助力高性能混凝土发展N.中国建材报,2022-01-17(12).8 王勇.高品质机制砂石骨料对贵州省混凝土高质量发展的意义J.江西建材,2020(S1):1-3.9 郭立贤,郑礼尚,舒本安,等.机制砂岩性及石粉含量对MB值、砂浆流动性及C35混凝土力学性能的影响J.混凝土世界,2022(10):46-50.10 郭丹.高品质混凝土骨料主要技术要求的研究D.北京:北京建筑大学,2016.11 宋少民,包文忠,靳冬民.基于高品质骨料的低胶凝材料用量混凝土性能研究J.混凝土,2013(10):157-159.12 刘晨辉.基于工作性的骨料级配评价方法研究D.北京:北京建筑大学,2020.