关于机制砂中石粉作用的研究

前言由中交四航局承建的云桂铁路云南段三标段(DK407+070～DK473+300)全长64.571km，位于云南省广南县境内，线路经过莲城、旧莫、珠琳三个乡镇。铁路设计等级为双线Ⅰ级，路段旅客列车最高行车速度200km/h预留250km/h，标段内共有50个区间路基段，全长15.228公里；桥梁26座，全长10.93公里；隧道22座，全长38.413公里；预制箱梁249榀。混凝土设计强度等级C20~C50，结构实体用混凝土均为高性能混凝土，局部路基加固处理采用强度大于15MPa的CFG桩。本标段处于滇桂交界地带，线路行走于云贵高原与广西盆地间的斜坡地带，即两大地貌单元的过渡区，沿线地形起伏剧烈，属典型的山岭重丘区，交通运输极不发达，沿线河砂严重匮乏。该地区岩石以质地坚硬的石灰岩为主，考虑到工程任务中隧道所占比例较大，可充分利用隧道开挖后的石渣，为便于施工管理，降低成本，除预制梁外均采用机制砂拌制混凝土。自2010年5月进场后，对当地采用石灰岩生产的机制砂进行检测，石粉含量普遍较高，细度模数较大，具体检测结果见表1。表1广南县部分石场机制砂抽样检测结果注:细度模数测试参见JGJ52-2006表3.1.2-21试验材料及试验方法1.1试验材料试验用原材料与实际工程混凝土一致，水泥为云南兴建水泥公司生产的兴建牌P.O42.5水泥，其物理性能见表2。表2兴建P.O42.5型水泥物理性能机制砂采用表1中2号石场生产的细度模数为3.2，石粉含量12.6%的粗砂。对于机制砂进行试验室处理，试验成型时仅使用其中的石粉，具体方法为：机制砂烘干后直接采用行标筛，在振筛机上定时筛分5min，套筛依次为10.0mm（圆孔），5.00mm（圆孔），2.50mm（圆孔），1.25mm（方孔），0.63mm（方孔），0.315mm（方孔），0.160mm（方孔），0.080mm（方孔），将通过0.080mm方孔筛的石粉收集密封保存后备用，干筛石粉制样完成。采用上述行标套筛和同一石场相同的机制砂，制取水洗后石粉。先将机制砂浸泡6h后，在套筛上使用大量水冲洗，收集所有通过0.080mm方孔筛的石粉料浆，沉淀6小时后去除上层清水，然后烘干至恒重。采用木棍在托盘内将烘干后结块的石粉碾碎，过0.080mm方孔筛，并对未能通过的石粉团块重复用木棍碾碎，过筛，直至全部通过。收集上述通过0.080mm方孔筛的粉料，再次过筛混匀，密封保存后备用，水洗石粉制样完成。1.2试验方法依照国家标准GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》在实验室配制砂浆，砂采用ISO标准砂。对于机制砂中的石粉通过干筛和水洗两种方式提取，烘干打散后将这部分未经粉磨而粒径小于0.08mm的石粉视为混合材，按照5%，10%，13%，17%，23%的比例加入到水泥中成型试件，标准养护3天后测试其抗折和抗压强度。2试验结果及分析2.1掺入石粉后物理力学性能的变化小于0.08mm的石粉，虽然没有经过粉磨，但具有矿物掺合料的一般特性。例如，细度与水泥相近，作为一种非活性材料即使没有参与水泥水化，同时也不考虑存在二次水化和改善界面，但由于这些石粉微粒本身都具有较高的强度，其在水泥石中可起到骨架作用，不同比例的石粉掺入后，并未大幅度降低早期强度。对于石粉的掺入，早期主要体现出微集料效应，通过干筛和水洗两种不同方法制备的石粉对力学性能的影响见图1和图2。干筛后获得的石粉似乎体现出更高一点的“活性”，推测与水洗后石粉新生成的表面由于吸附等原因导致表面能下降有关。图1机制砂石粉含量胶砂抗折强度(3d)的影响图2机制砂石粉含量胶砂抗压强度(3d)的影响2.2石粉作为矿物外加剂的掺入形式如果将石粉视为水泥以外的矿物外加剂，计入胶凝材料总量，其掺入形式可能为等量取代、等强取代和超量取代。1.等量取代——即胶凝材料掺量不变，用石粉取代部分水泥。2.等强取代——即取代后胶凝材料总量由强度决定。3.超量取代——即胶凝材料的总量增加，但纯水泥的用量可以减少。矿物掺合料掺量通常大于配合比中胶凝材料总量的5%，能改变或影响新拌混凝土和硬化混凝土性能，在配制混凝土时加入较大量的矿物掺合料，可降低温升，改善工作性能。对于石粉，属于非活性材料，采用等量取代意味着存在强度较单纯采用水泥低的风险。2.3混合材与掺合料通常水泥熟料中CaO含量为62％～67%，加入石膏粉磨后，如果再加入其它矿物外加剂，此时称作在水泥中参加混合材。同样的矿物外加剂，在搅拌站或工地施工现场加入时，称为掺合料。石灰石粉作为混合材在我国是允许的，掺入量的限制见表3，但作为掺合料较为罕见。表3国标水泥中石灰石允许掺量水泥中加入石粉，即使未明显影响比表面积，强度等指标，但也会伴随着烧失量增高、标准稠度用水量变化等其它副作用。在未掺入石灰石粉的P.Ⅱ水泥中，加入8%的石灰石粉后，如果烧失量能够满足要求，仍是合格的P.O水泥。2.4石粉含量对现场混凝土施工的影响通过大量试验笔者发现，胶砂早期强度对石粉含量较敏感，机制砂石粉含量对于28d胶砂强度影响微乎其微。现场混凝土施工过程中，机制砂石粉含量对混凝土的工作性能影响显著，硬化后混凝土性能单从铁路上规定的56d强度方面看未见明显差异。混凝土经过充分搅拌后，采用石粉含量不同的机制砂拌制的混凝土均不会出现硬化混凝土石粉在界面富集程度不同的现象。机制砂中未经粉磨的石粉对混凝土工作性能的影响同其它掺合料基本一致，也存在对外加剂的饱和点与水泥不一致的情况。机制砂在混凝土配合比中，每立方用量一般在800kg左右，石粉含量每变化一个百分点，就相当于有8kg的石粉出入，完全清洗干净的不含石粉的机制砂和石粉含量在5%的机制砂每方相差40公斤。工程上采用的机制砂石粉含量要求低于10%，现场一般对于石粉含量高于试配时采用的机制砂，为满足工作性能要求，采用增大用水量或提高外加剂掺量的方式来解决。增大用水量的方法可认为是石粉作为超量取代的极端体现，也存在强度、耐久性指标难于满足要求的风险，同时也与施工规范相违背。提高减水剂用量除增加成本外，往往会显著提高混凝土强度，对日后强度统计评定不利。3结论与展望（1）机制砂中石粉作为混合材，干筛的石粉比水洗后获得的石粉早期强度略有提高。（2）石粉含量的波动，对于混凝土各项性能指标的影响难于通过现场调整予以消除。矿物外加剂在上个世纪30年代开始应用，在相当长的一段时间里研究进展非常缓慢。粉煤灰等工业废渣只是被当作节省水泥、降低成本的一种措施，人们对其应用普遍持消极态度，甚至认为矿物掺合料的掺入是以牺牲混凝土性能为代价的，有偷工减料的嫌疑。直到20世纪70年代，能源危机、环境污染以及资源枯竭问题的出现，工程界对粉煤灰、矿渣等工业废渣进行利用的研究风起云涌，伴随着耐久性，高性能混凝土等新概念的提出，掺合料更是成为混凝土中不可缺少的第六组分。目前我国现行标准中，对于未经粉磨的机制砂中的石粉含量仍然有非常严格的限制，为满足规范要求，真空除尘，水洗等针对石粉含量的工艺被广泛应用，部分工地出现了“合格的机制砂不好用，好用的机制砂不合格”这样尴尬的局面。适当放宽石粉含量，增加对同一工地检验周期内石粉含量波动范围的相关要求和约束，在满足混凝土耐久性要求的前提下石粉等同于其它掺合料，也许在不久的将来会得以实现。