秦仁杰, 張 認(rèn), 鄧洛斌, 劉學(xué)鵬

(1. 長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 湖南 長沙 410114； 2. 華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司, 江蘇 南京 210014)

隨著中國基礎(chǔ)建設(shè)的迅速發(fā)展，出于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與環(huán)境保護(hù)等原因，以破壞河流生態(tài)系統(tǒng)而開采出來的天然砂資源受到限制.天然砂資源日益枯竭且價(jià)格不斷上漲，已滿足不了土建工程市場的需求.使用機(jī)制砂來代替天然砂作為配制混凝土的細(xì)集料，符合可持續(xù)與節(jié)約型社會(huì)發(fā)展需求，對(duì)研究機(jī)制砂混凝土具有重大意義[1].

國內(nèi)外的研究者對(duì)于機(jī)制砂配制混凝土進(jìn)行了研究，李北星[2]通過研究發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂中石粉含量為7%時(shí)制備的混凝土耐久性較河砂混凝土要好.Kwan[3]研究表明在水灰比為0.3的情況下，采用一定量的石粉來代替相同體積的水泥可以降低混凝土的干縮，且 28 d抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相差不大;并且認(rèn)為在配制高強(qiáng)混凝土?xí)r，有部分水泥顆粒并沒有起到水化作用，只起了惰性粉體的填充作用，這部分用機(jī)制砂中的石粉來代替水泥是可以節(jié)約成本的，是一種可行的方案.劉義峰[4]通過研究發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂質(zhì)量不穩(wěn)定等是機(jī)制砂在高性能混凝土中應(yīng)用受到制約的主要原因, 并提出推廣機(jī)制砂在高性能混凝土中應(yīng)用的建議.

機(jī)制砂現(xiàn)階段以配制中低強(qiáng)度混凝土為主，且大都以控制機(jī)制砂的質(zhì)量來控制混凝土的質(zhì)量.此次在研究使用機(jī)制砂制備混凝土的同時(shí)，也將從機(jī)械攪拌方面對(duì)機(jī)制砂混凝土的性能進(jìn)行改善[5].本次以貴州省余慶至安龍高速公路為工程背景，在PLTJ-9標(biāo)段工地試驗(yàn)室對(duì)高頻振動(dòng)配制機(jī)制砂高標(biāo)號(hào)C50混凝土性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)高頻振動(dòng)配制機(jī)制砂混凝土的方法進(jìn)行合理的評(píng)價(jià).

1 原材料性能檢測及級(jí)配設(shè)計(jì)

1.1 原材料性能檢測

1) 機(jī)制砂.機(jī)制砂是指不包括風(fēng)化巖的石料經(jīng)過機(jī)械破碎、篩分制成的粒徑小于 4.75mm的顆粒.本次機(jī)制砂來源于貴州省姊妹井碎石廠.該廠生產(chǎn)的石灰?guī)r機(jī)制砂表觀密度 2.684 g/cm3，堆積密度 1.666 g/cm3，空隙率37.9%，細(xì)度模數(shù)3.038，外觀灰白色，材料規(guī)格屬于中砂范疇，壓碎指標(biāo)值為16%,亞甲藍(lán)值為0.8.姊妹井原機(jī)制砂級(jí)配曲線見圖1.

圖1 姊妹井原機(jī)制砂級(jí)配曲線Fig.1 Zimeijing mechanism sand grading curve

根據(jù)研究內(nèi)容進(jìn)行單一粒徑篩分，按照原有機(jī)制砂級(jí)配為基礎(chǔ)模型，對(duì)某一過多粒徑或某一過少粒徑進(jìn)行調(diào)整分配，級(jí)配分為偏于上限、接近中值、偏于下限3種合成級(jí)配機(jī)制砂,見表1.三種合成機(jī)制砂級(jí)配曲線見圖2.

表1 三種人工機(jī)制砂合成級(jí)配數(shù)據(jù)Tab.1 Machine-made sand data of three synthetic grades

從圖1可看出貴州省姊妹井碎石廠生產(chǎn)的石灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配呈鋸齒狀.圖2中3種合成級(jí)配各粒徑集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增長較好，可以看出合成級(jí)配的機(jī)制砂要比原機(jī)制砂級(jí)配好且具有更好的性能.

圖2 3種合成機(jī)制砂級(jí)配曲線Fig.2 Three synthetic grading curve of machine-made sand

2) 石粉.石粉是機(jī)制砂中一種組成成分，在中低強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土配制中可以補(bǔ)充粉體，減少水泥的用量,起填充作用；可改善機(jī)制砂由于表面棱角而過于粗糙的缺點(diǎn)，降低機(jī)制砂與碎石之間的摩擦,起潤滑作用.弊端是石粉增加了粉固體狀的比表面積,使配制機(jī)制砂混凝土用水量需求增加;當(dāng)水灰比不變的情況下，會(huì)使混凝土工作性能降低[6];需要通過添加減水劑來改善其工作性能，但造價(jià)也隨之增加.因此，在對(duì)于機(jī)制砂高性能混凝土性能研究中，對(duì)機(jī)制砂中石粉含量應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制.采用水洗法對(duì)姊妹井碎石廠生產(chǎn)的機(jī)制砂石粉含量進(jìn)行測定，該廠生產(chǎn)的機(jī)制砂石粉含量見表2.

表2 姊妹井碎石廠機(jī)制砂石粉含量Tab.2 Content of machine-made sand and stone powder in Zimeijing

通過試驗(yàn)得石粉平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.6%.根據(jù)姊妹井機(jī)制砂石粉含量測定情況，將不同級(jí)配機(jī)制砂石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在 8%左右，級(jí)配類型1、2、3的石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、8%、10%.

3) 碎石.在工地料場選取的貴州省姊妹井碎石廠生產(chǎn)的材料規(guī)格為 4.75～31.5 mm 連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，為使機(jī)制砂混凝土漿體能夠更好包裹集料，取13.2～31.5 mm 碎石與4.75～13.2 mm碎石比為4∶6，碎石指標(biāo)檢測結(jié)果見表3.

表3 碎石性能指標(biāo)檢測Tab.3 Inspection of crushed stone performance

4) 水泥.試驗(yàn)用的水泥材料為貴州惠水西南水泥有限公司生產(chǎn)的 P.042.5 普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)檢測見表4.

表4 水泥基本性能指標(biāo)Tab.4 Basic performance index of cement

5) 外加劑.依托工程現(xiàn)場,對(duì)于減水劑選取貴州聚醛聚羧酸高效減水劑[7].液體為淡黃色，固體為白色粉末狀，可以提高水泥混凝土早期強(qiáng)度，還可以使水泥漿體坍落度損失減小，擴(kuò)展度增加，施工起來更加簡便.聚羧酸高效減水劑液體見圖3.

圖3 聚羧酸高效減水劑Fig.3 Polycarboxylate superplasticizer

通過對(duì)機(jī)制砂級(jí)配、細(xì)度模數(shù)、空隙率、表觀密度、石粉含量的測定，以及通過亞甲藍(lán)試驗(yàn)檢測出該機(jī)制砂含泥量，試驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)制砂符合規(guī)范要求.對(duì)配制C50混凝土的水泥、碎石等材料初步檢測性能指標(biāo)，結(jié)果表明貴州惠水西南水泥、貴州省姊妹井碎石廠生產(chǎn)的碎石等材料符合要求.

1.2 機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)

采用貴州惠水西南水泥有限公司生產(chǎn)的P.042.5普通硅酸鹽水泥，C50機(jī)制砂混凝土試配強(qiáng)度為59.87 MPa[8].通過水泥用量及外加劑摻量、砂率的優(yōu)化,確定最佳水灰比等試驗(yàn),分析確定水泥用量為498 kg，外加劑摻量取水泥質(zhì)量用量的1%，使用0.31水灰比，采用46%合理砂率.最佳配合比確定為水泥用量498 kg,水154.4 kg,機(jī)制砂826.9 kg,碎石970.7 kg.

2 高頻振動(dòng)攪拌配制機(jī)制砂混凝土的性能

攪拌過程中，攪拌設(shè)備與混凝土各材料的相互作用，會(huì)直接影響新拌混凝土的物理力學(xué)性能及其結(jié)構(gòu)的形成，不同的攪拌方式對(duì)生產(chǎn)的混凝土性能也會(huì)有明顯的差異.本次主要研究普通自落式攪拌設(shè)備與高頻振動(dòng)攪拌設(shè)備配置的C50機(jī)制砂混凝土性能差異.高頻振動(dòng)攪拌機(jī)見圖4.

圖4 高頻振動(dòng)攪拌機(jī)Fig.4 High frequency vibration mixer

在通過試驗(yàn)已確定最佳配合比以及外加劑摻量條件下，著重分析機(jī)制砂特性.機(jī)制砂需水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天然砂，不適合邊高頻振動(dòng)邊攪拌制備機(jī)制砂混凝土，高頻振動(dòng)配制混凝土?xí)p少混凝土中氣孔，從而使振動(dòng)攪拌機(jī)配制出的機(jī)制砂混凝土工作性大大降低.因此，本次設(shè)計(jì)攪拌方案為：在使用攪拌機(jī)配制混凝土?xí)r，在放入機(jī)制砂、水泥、碎石后開啟高頻振動(dòng)并先順時(shí)針攪拌30 s，再逆時(shí)針攪拌30 s，最后加入水,在關(guān)閉高頻振動(dòng)后攪拌配制混凝土.

2.1 不同攪拌機(jī)理配制的機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度

為了驗(yàn)證高頻振動(dòng)攪拌機(jī)理是否可以凈化新拌混凝土中骨料的表面以及增加膠凝材料與骨料之間粘結(jié)強(qiáng)度，選取0.31(編號(hào)1、2、3)、0.32(編號(hào)4、5、6)、0.33(編號(hào)7、8、9)三種水灰比方案，且每種方案分別選取44%(編號(hào)1、4、7)、46%(編號(hào)2、5、8)、48%(編號(hào)3、6、9)三種砂率配制C50機(jī)制砂混凝土.將高頻振動(dòng)攪拌機(jī)與普通自落式攪拌機(jī)配制的機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度作對(duì)比，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5.

表5 不同攪拌機(jī)理配制機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比Tab.5 Comparison of compressive strength of sand concrete with different mixing mechanisms

由表5 數(shù)據(jù)及圖5、圖6相比較可得，高頻振動(dòng)攪拌機(jī)制備的機(jī)制砂混凝土7 d抗壓強(qiáng)度較自落式攪拌機(jī)強(qiáng)度增長了8.5%～12.2%，28 d抗壓強(qiáng)度增長了7.2%～10.3%.使用高頻振動(dòng)攪拌機(jī)較傳統(tǒng)攪拌工藝配制的機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度要高[9].究其原因，一方面在高頻振動(dòng)作用下，攪拌筒內(nèi)的混凝土物料會(huì)由于質(zhì)量的不同產(chǎn)生不同的振幅，物料在高頻振動(dòng)的作用下會(huì)均勻分布，石粉等粉體材料會(huì)更好地填充骨料之間的空隙[10]，水泥顆粒也會(huì)均勻分散在各個(gè)角落，這樣可以更好地使混凝土攪拌成型.另外，由于骨料的表面會(huì)黏附一層粉塵，遇水后會(huì)形成一層水膜，這樣會(huì)把水泥顆粒與骨料隔離開來，影響膠凝材料與骨料之間的連結(jié)從而影響混凝土整體強(qiáng)度.利用高頻振動(dòng)使附著在骨料表面的粉塵顆粒產(chǎn)生一定的振幅使其剝落脫離，骨料表面趨于清潔，骨料很快被水濕潤后,水泥顆粒很快吸附于骨料濕潤的表面，加快了水泥顆粒的水化反應(yīng)，使水泥顆粒水化反應(yīng)更加充分，減少了水泥團(tuán)的產(chǎn)生,提高了混凝土整體強(qiáng)度.

圖5 不同攪拌方式下的7 d抗壓強(qiáng)度值Fig.5 The comparison of 7 d compressive strength under different stirring modes

圖6 不同攪拌方式下的28 d抗壓強(qiáng)度Fig.6 The comparison of 28 d compressive strength under different stirring modes

2.2 不同攪拌機(jī)理配制機(jī)制砂混凝土耐久性試驗(yàn)

抗凍性是評(píng)價(jià)混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一，分別對(duì)兩種攪拌機(jī)理配制的混凝土試件做凍融性試驗(yàn).分析C50機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度,結(jié)合表5,針對(duì)兩種攪拌方法，制成尺寸150 mm×150 mm×150 mm試件，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d.凍融試驗(yàn)試件為100 mm×100 mm×400 mm 棱柱體，養(yǎng)護(hù)28 d后經(jīng)過325次凍融循環(huán)，切割成100 mm×100 mm×100 mm立方體抗壓強(qiáng)度試件，測量結(jié)果乘以系數(shù)0.95換算成立方體標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度.各試件在經(jīng)過325次凍融試驗(yàn)后，相對(duì)彈性模量保持在90%以上，沒有凍壞的情況出現(xiàn).抗凍性檢測結(jié)果見表6.

從表6及圖7、圖8可知，兩種攪拌方式配制的C50機(jī)制砂混凝土試件的抗壓強(qiáng)度在經(jīng)過凍融循環(huán)試驗(yàn)后都呈下降趨勢，但下降的幅度都在15%以內(nèi).其中普通自落式攪拌試件抗壓強(qiáng)度下降幅度在11.4%～14.2%，高頻振動(dòng)攪拌試件抗壓強(qiáng)度下降幅度在4.7%～9.4%，表明高頻振動(dòng)攪拌可以改善混凝土的抗凍性.分析原因，機(jī)制砂表面粗糙加上生產(chǎn)過程中經(jīng)過集料之間的攪拌可能會(huì)產(chǎn)生微裂紋，機(jī)制砂內(nèi)細(xì)小開口毛細(xì)孔進(jìn)水后水泥漿未進(jìn)入，毛細(xì)孔內(nèi)水被水泥漿堵在孔隙內(nèi)形成密閉容器效應(yīng)，利用高頻振動(dòng)產(chǎn)生的振幅可以使毛細(xì)孔內(nèi)水不會(huì)被封堵在孔內(nèi)，同時(shí)讓水泥更均勻分布，讓水泥漿充分進(jìn)入毛細(xì)孔，機(jī)制砂中的石粉在高頻振幅下也可以填充開口毛細(xì)孔隙，這樣大大提高了機(jī)制砂混凝土整體的抗壓強(qiáng)度與抗凍性.

圖8 凍融后抗壓強(qiáng)度對(duì)比Fig.8 Comparison of compressive strength after freezing and thawing

2.3 機(jī)制砂混凝土CT掃描試驗(yàn)

通過對(duì)兩種攪拌方式配制的C50機(jī)制砂混凝土分別進(jìn)行CT掃描試驗(yàn)[11]，深入分析混凝土結(jié)構(gòu)的安全可靠性與混凝土使用壽命耐久性，來驗(yàn)證高頻振動(dòng)攪拌機(jī)對(duì)提高C50機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度的有效性.由于實(shí)驗(yàn)條件有限，本次試驗(yàn)選取表5中具有代表的2、6、9三組，分別配制 C50 機(jī)制砂混凝土試件.為了獲得高分辨率 CT 圖像，試件規(guī)格為 3 個(gè)φ25×50 mm的圓柱形試件，編號(hào)2、6、9試件結(jié)果分別用a、b、c表示.試驗(yàn)結(jié)果見圖9、圖10.

從CT掃描試驗(yàn)結(jié)果可看出圖10高頻振動(dòng)攪拌制備的混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)比圖9普通攪拌制備的混凝土要好，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中粗、細(xì)骨料相互咬合，水泥石與骨料之間的界面分布也比較均勻.凝膠體結(jié)構(gòu)微孔隙相比圖9有所減少，晶體生長良好，混凝土中漿體與骨料界面也得到改善.混凝土的破壞往往發(fā)生在水泥石與骨料連接界面，由于裂縫容易從此產(chǎn)生和擴(kuò)展，因此利用高頻振動(dòng)來使混凝土物料振動(dòng)而均勻堆積，從而使水泥、石粉等材料均勻分布，解決“夾生”混凝土的質(zhì)量隱患，以此提高機(jī)制砂混凝土的性能.

圖9 普通自落式攪拌試件二維切片F(xiàn)ig.9 Two-dimensional slicing of ordinary self-dropping stirring test pieces

圖10 高頻振動(dòng)攪拌試件二維切片F(xiàn)ig.10 Two-dimensional slice of high frequency vibration stirring test piece

3 結(jié)論

1) 3種合成級(jí)配的機(jī)制砂較原機(jī)制砂級(jí)配要好，說明現(xiàn)市場生產(chǎn)出的機(jī)制砂性能還不能媲美天然砂，依然存在級(jí)配不良、石粉含量過多或過少、亞甲藍(lán)值偏高等缺陷.

2) 在研究抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高頻振動(dòng)攪拌制備的機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度大于自落式普通攪拌，說明高頻振動(dòng)攪拌對(duì)于提高機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度是有效的.

3) 高頻振動(dòng)配制的機(jī)制砂混凝土與普通自落式攪拌配制的機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度，凍融循環(huán)試驗(yàn)前與凍融循環(huán)試驗(yàn)后相比都呈下降趨勢，前者下降幅度明顯低于后者，表明高頻振動(dòng)攪拌利用高頻振動(dòng)產(chǎn)生的振幅能改善混凝土的結(jié)構(gòu)從而提高其耐久性.

4) 通過單層 CT 掃描圖像發(fā)現(xiàn)，高頻振動(dòng)攪拌配制的混凝土試件內(nèi)部微觀分布均勻，密實(shí)程度優(yōu)于普通自落式攪拌機(jī)配制混凝土試件，表明通過高頻振動(dòng)配制出的機(jī)制砂混凝土試件性能得到改善.