不同石粉掺量预拌混凝土的配合比设计及性能研究.pdf

江西建材试验与研究172023年7 月不同石粉掺量预拌混凝土的配合比设计及性能研究洪海禄，梁成文，梁金成，张武军 广州市建筑集团混凝土有限公司，广东 广州 510700摘 要：为了研究石粉掺合料对预拌混凝土工作性能、力学性能的影响规律，通过坍落度和扩展度试验、抗压试验，对比分析不同石粉掺量预拌混凝土的性能。结果表明，掺入适量的石粉可有效改善混凝土的工作性能与力学性能。随着石粉掺量的增加，混凝土的坍落度和扩展度值呈先升高后逐渐下降的趋势。当石粉掺量为6.0时，混凝土工作性能最佳，且在拌合1 h和2 h后坍落度损失不大，保持较好的工作性能；当石粉掺量从0 增加至6.0时，混凝土各龄期的抗压强度显著提升并达到最大值，且7 d抗压强度提升最高可达61.7%，早期强度的提升效果最为显著。关键词：石粉掺合料；预拌混凝土；工作性能；力学性能；坍落度中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1006-2890（2023）07-0017-03Design and Performance Study of Premixed Concrete Proportions with Different Stone Powder AdmixturesHong Hailu,Liang Chengwen,Liang Jincheng,Zhang WujunGuangzhou Construction Group Concrete Co.Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510700 Abstract:In order to study the influence of stone powder admixtures on the working performance and mechanical properties of ready-mixed concrete,the performance of ready-mixed concrete with different amounts of stone powder was compared and analyzed through slump and expansion tests and compressive tests.The results show that adding an appropriate amount of stone powder can effectively improve the working performance and mechanical properties of concrete.With the increase of stone powder content,the slump and expansion values of concrete first increase and then gradually decrease.When the stone powder content is 6.0%,the working performance of concrete is the best,and the slump loss is not significant after mixing for 1 and 2 hours,maintaining good working performance.When the stone powder content increases from 0 to 6.0%,The compressive strength of concrete at various ages has significantly increased and reached its maximum value,with a maximum increase of 61.7%in compressive strength after 7 days.The early strength improvement effect is most prominent.Key words:Stone powder admixture;Ready mixed concrete;Working performance;Mechanical properties;Slump0 引言为缓解河砂资源短缺问题，机制砂作为可再生的绿色建筑材料，广泛应用于混凝土领域，已成为配制混凝土细集料中不可或缺的替代品1-2。而在机制砂选材、破碎、筛洗的生产过程中，经常产生较大数量粒径小于75 m的石粉，其质量占比为12%20%3-4。石粉作为混凝土掺合料，具有较为显著的岩性，也是提高混凝土工作性能、力学性能和耐久性的重要技术途径5。国内外学者对混凝土中掺入石粉进行了大量的研究工作，其中，S.Singh等6利用花岗岩类石粉替代部分细骨料，分析了其拌合后混凝土的性能，研究表明，加入合理掺量的花岗岩石粉掺合料对混凝土的强度与耐久性能具有明显的增强作用。同时，在一定比例范围内，石粉可以替代部分粉煤灰作为矿物掺合料，使得泵送混凝土保持相应的工作性能，并有利于混凝土结构后期性能的提升7-9。此外，研究者认为石粉掺量的大小影响混凝土的干缩率、抗拉与抗压强度等，在结构的抗裂性能与抗冻性能方面有明显的改善作用10。本文将采用不同比例掺量的石粉与机制砂配制相同等级的 C30 预拌混凝土，通过设计与优化配合比的方法，利用室内混凝土坍落度试验、抗压试验与抗折试验，对比研究不同质量石粉掺合料的预拌混凝土工作性能、力学性能的影响规律，确定混凝土在能够保持良好的综合性能情况下石粉的合理掺量，进一步探讨混凝土配合比设计中石粉使用的可行性与有效性，为混凝土石粉掺和料的研究与应用提供参考。1 试验1.1 原材料试验所用原材料包括：水泥、矿粉、粉煤灰、水清洁机制砂、花岗岩碎石、石粉、减水剂和水。（1）水泥水泥为 P O 42.5 级普通硅酸盐水泥，比表面积为342 2/kg，标 准 稠 度 用 水 量 为25.9%，初 凝 时 间160 min，终 凝 时间205 min，3 d、28 d水 泥 胶 砂 抗 折 强 度 分 别 为5.8 MPa、8.9 MPa，3 d、28 d抗压强度分别为27.0 MPa、49.3 MPa，试验所用水泥化学成分见表1。第一作者：洪海禄（1974-），男，广东遂溪人，硕士，高级工程师，主要研究方向为预拌混凝土及原材料的质量管理和混凝土新产品研发。江西建材试验与研究182023年7 月表普通硅酸盐水泥的主要化学成分材料等级主要化学成分质量占比/CaOSiO2Al2O3MgOFe2O3SO3Na2O水泥P O 42.552.4426.8311.023.483.091.210.73（2）矿粉本试验采用 S95 级矿粉，含铁量为61.5%，比表面积为419.8 2/kg，流动度比97%，28 d活性指数108%。（3）粉煤灰粉煤灰采用 F类级粉煤灰，细度（45 m方孔筛余）20.2%，含水量 0.1%，需水量比98%，烧失量3.1%，SO3含量0.46%.（4）机制砂采用机械破碎制成的人工砂，具体级配见表2，其细度模数为2.9，压碎值为15%，满足 GB/T 146842022建设用砂技术要求。表2 机制砂级配孔径/mm4.752.361.180.600.300.150.075筛余/%0.424.019.316.314.711.37.5（5）碎石采用当地料场生产的粒径为520 mm连续级配碎石，岩性为花岗岩，堆积密度为1 520 kg/m3，含泥量0.56%，针片状颗粒含量4.5%，压碎值8%，母材基本性能满足 GB/T 146852022建设用卵石、碎石要求。（6）石粉采用材料加工厂筛分沉淀0.075 mm以下的石粉颗粒，其碳酸钙含量79.4%，碳酸镁含量17.2%，细度11.5。（7）减水剂本次试验采用某公司生产的聚羧酸系减水剂，其含固量为10.8%，减水率为23%。（8）水混凝土拌合用水取自当地自来水，pH值为7.4。1.2 混凝土配合比设计本次试验采用的拌合配合比主要依据 JGJ 552011 普通混凝土配合比设计规程进行设计与优化。在混凝土搅拌试配过程中，根据现场取样的粗细骨料（碎石与机制砂）实际含水率，适当调整配合比，保证混凝土配合比的原材料质量分数准确性。以工作性较好、强度等级 C30 作为基准配合比，设计多组混凝土试验，研究不同掺量的石粉替代机制砂对预拌混凝土工作性能与力学性能的影响，具体配合比见表3。其中，胶凝材料主要由水泥、矿粉、粉煤灰组成，石粉与机制砂的总掺量为33.5，石粉替代机制砂掺量分别为0、4.5、6.0、8.0、10.0、12.5，减水剂用量为2.6%，其他原材料用量、水胶比和砂率均保持不变。表3 混凝土配合比kg/m3编号水泥矿粉粉煤灰碎石机制砂石粉减水剂水E0205627398787308.5176.5E12056273987833.739.38.5176.5E22056273987820.652.48.5176.5E32056273987803.269.88.5176.5E42056273987785.787.38.5176.5E52056273987763.9109.18.5176.51.3 试验方法 根据 GB/T 500802016普通混凝土拌合物性能试验方法标准与 GB/T 500812019混凝土物理力学性能试验方法标准的测定方法要求，并按照设计配合比称量各原材料，混凝土拌合完成后，利用坍落度桶、钢尺等工具测试混凝土的坍落度和扩展度。经过混凝土入模、振捣、成型和脱模养护等工序后，测试各组混凝土试件的力学性能。其中，混凝土试件龄期为3、7、28 和60，尺寸为100 mm100 mm100 mm，每组个平行试件，试块养护环境温度为（203）、相对湿度大于90%的标准养护条件。2 试验结果与分析2.1 混凝土拌合工作性能采用不同掺量石粉与机制砂配制 C30 混凝土，其对混凝土拌合物坍落度和扩展度的影响，如图1、图2 所示。图1 不同石粉掺量对混凝土坍落度的影响图2 不同石粉掺量对混凝土扩展度的影响由图1和图2可以看出，随着混凝土石粉掺量的增加，对新拌混凝土的坍落度和扩展度变化影响基本一致，整体呈先增大后逐渐减小的趋势。当石粉掺量从提高至6.0 时，混凝土坍落度与扩展度增加至最高值，其坍落度值为210 mm，提升幅度达25%，此时混凝土工作性能最佳。当石粉掺量继续增大（6.0%）时，其混凝土坍落度与扩展度变化逐渐平缓，工作性能不再提高，且有小幅度降低。在 C30 混凝土中拌入部分石粉掺合料，能够有效改善混凝土的工作性能，使得混凝土结构内部江西建材试验与研究192023年7 月级配得到优化，进一步填充其内部孔隙，提高混凝土浆体的流动性。石粉掺量越大时，混凝土细粉掺合料的需水量也就越大，在减水剂与水的用量不变情况下，新拌混凝土的坍落度与扩展度没有显著变化。由上述结果可知，一定掺量的石粉能够提升混凝土初始拌合工作性能。由于混凝土在实际应用中存在运输和施工等因素的影响，导致长时间搅拌而出现坍落度损失的现象。因此，需要对其石粉掺量对混凝土坍落度损失的影响进行分析，如图3所示。图3 不同石粉掺量配合比混凝土坍落度损失由图3 可以看出，随着石粉掺入质量的增加，C30 混凝土的坍落度在12 h期间出现显著的损失，混凝土黏聚性和保水性减弱，工作性能下降幅度较大。当混凝土石粉掺入量在0 至6.0%时，其1 h和2 h坍落度出现减小，但整体坍落度损失程度不大，主要是因为石粉这种较细的岩性掺合料在混凝土拌合物中发挥填充效果，使得混凝土浆体更加富余和密实，保持良好的流动性11。当石粉掺量增加至10.0%和12.5%时，混凝土坍落度在1 h后出现较为明显的下降，且在2 h后坍损值大幅上升。由于石粉掺量的增大，使得细粉材料比表面积增大，而拌合用水和外加剂被大量吸附消耗，导致混凝土在较长时间后坍落度损失进一步加大，进而使得其工作性能无法满足工程要求。2.2 力学性能按试验方法要求对基于不同石粉掺量的 C30 混凝土进行力学性能测试，分析其各质量分数的石粉掺合料配置预拌混凝土在不同龄期抗压强度的变化情况，如图4 所示。图4 不同石粉掺量对混凝土抗压强度的影响由图4 可知，随着石粉掺量的增加，不同龄期混凝土强度呈先增大后逐渐趋向稳定的规律，尤其当石粉掺量在0 至6.0%范围内，混凝土力学性能显著提升。当石粉掺量为0 时，在标准养护条件下基准组混凝土抗压强度最低。当掺量增加至4.5%时，3、7、28 和60 d的抗压强度分别提升18.9%、15.1%、8.2%、5.8%；当石粉掺量增加至6.0%时，3、7、28 和60 d的抗压强度分别提升61.7%、47.3%、25.8%、23.4%。当石粉的掺量较高（6.0）时，随着石粉材料掺量的继续增加，C30 混凝土抗压强度无明显提升，石粉的吸水量增大导致混凝土水化不完全，且过量的石粉影响胶凝材料与集料界面的粘结作用，不利于抗压强度的继续发展。试验结果表明，适量的石粉作为掺合料能够有效提升混凝土的强度性能，不仅能够填充混凝土内部，降低混凝土结构孔隙率，同时还可利用掺入一定量石粉提供的晶核效应12，进一步促进水泥矿物的水化，尤其对于混凝土早期强度（3 d、7 d）产生积极的影响，具有显著的提升效果。3 结论在 C30 混凝土配合比的基础上，采用改进优化的石粉掺合料混凝土配合比设计方法，研究012.5%石粉掺量对预拌混凝土工作性能、抗压强度的影响，得出如下结论。（1）掺入适量的石粉可明显改善混凝土的拌合性能。随着石粉掺量的增加，混凝土的坍落度和扩展度先升高后逐渐下降。当石粉质量分数为6.0 时，工作性能最佳，且1 h和2 h坍落度损失较小，满足混凝土现场施工要求；当石粉掺量过大时，新拌混凝土的坍落度和扩展度出现小幅度下降，工作性能逐渐减弱，且过量的石粉易导致掺合料比表面积和需水量增大，拌合用水与外加剂被吸附，混凝土在2 h后出现坍落度损失严重的现象，工作性能下降明显。（2）随着混凝土拌合物中石粉比例的提高，其抗压强度先增大后逐渐趋于稳定。当石粉掺量为06.0 时，混凝土各龄期的抗压强度显著提升并达到峰值，且以早期强度提升效果最为突出，当钙质石粉掺量大于6.0 时，混凝土随着石粉掺量的继续增加，整体变化幅度较小，其各龄期的抗压强度相近。参考文献 1 葛成龙，周海龙，陈岩，等.不同 MB 值机制砂混凝土的性能和微观孔隙构J 硅酸盐通报，2023，42（3）：888-897 2 谢华兵，韦江雄，李方贤 机制砂粒形与级配特性及其评价标准探究J 广东建材，2016，32（9）：28-33 3 顾春平，聂晓荣，杨杨，等.钙质石粉质量分数对机制砂混凝土性能的影响J 浙江工业大学学报，2023，51（1）：14-19 4 刘战鳌，周明凯，姚楚康机制砂中细粉的危害性及评价研究 J.建筑材料学报，2015，18（1）：150-155 5 耿方圆.基于深度神经网络的机制砂石粉量化方法研究D.西安：长安大学，2022.6 S.Singh，Ravindra Nagar，Vinay Agrawal，et al.Sustainable utilization of granite cutting waste in high strength concreteJ.Journal of Cleaner Production，2016（3）：223-235.7 Gupta K L，Vyas K A.Impact on mechanical properties of cement sand mortar containing waste granite powderJ.Construction and Building Materials，2018，191：155-164.8 DING X，LI C，XU Y，et al.Experimental Study on Long-term Compressive Strength of Concrete with Manufactured Sand IJ.Construction and Building Materials，2016，108：67-73.9 李北星，周明凯石灰岩机制砂中石粉作掺合料对混凝土工作性和强度的影响J 公路，2007（12）：141-145.10 周新文，刘建忠，刘光严，等机制砂颗粒形状对砂浆流变性能的影响研究 J 混凝土与水泥制品，2020（5）：1-5 11 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