石粉對(duì)碾壓混凝土性能的影響
2006-08-31 00:00
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摘 要：石粉主要是指巖石經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后的粒徑小于0．16 mm的微細(xì)顆粒。在研究了有關(guān)資料的基礎(chǔ)上, 綜合分析了石粉對(duì)碾壓混凝土性能的影響。
關(guān)鍵詞：石粉; 碾壓混凝土; 性能
1 概 述
石粉主要是指巖石經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后的粒徑小于0．16 mm 的微細(xì)顆粒, 它包括人工砂中粒徑小于0．16 mm的細(xì)顆粒和專門(mén)磨細(xì)的巖石粉末。碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)中, 石粉含量一般是指石粉占人工砂質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。石粉形貌與水泥顆粒相似, 為形狀不規(guī)則的多棱體。由于碾壓混凝土中膠凝材料和水的用量較少, 當(dāng)人工砂中含有適量的石粉時(shí),因與摻合料的細(xì)度基本相當(dāng), 石粉在砂漿中能夠替代部分摻合料, 與膠凝材料一起起到填充空隙和包裹砂粒表面的作用, 即相當(dāng)于增加了膠凝材料漿體, 能在一定程度上改善灰漿量較少的碾壓混凝土拌和物的和易性, 增進(jìn)混凝土的勻質(zhì)性、密實(shí)性、抗?jié)B性, 提高混凝土的強(qiáng)度及斷裂韌性, 改善施工層面的膠粘性能, 減少膠凝材料用量, 降低絕熱溫升。適當(dāng)提高石粉含量, 可降低成本, 是提高混凝土質(zhì)量的措施之一。
人工砂石料中石粉的含量和粒徑分布與人工砂石料的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝和巖石種類有關(guān)。如百色水利樞紐碾壓混凝土主壩工程采用輝綠巖骨料, 受生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備和巖石種類的影響, 人工砂中石粉含量大, 占20%～24%, 其中微粉(即小于0．08 mm)占石粉的40%～60% ; 江埡大壩混凝土骨料生產(chǎn)采用意大利產(chǎn)的碎石機(jī), 石質(zhì)為灰質(zhì)白云巖、灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r,所生產(chǎn)的人工砂中石粉含量約占細(xì)骨料18．9%, 其中小于0．075 mm的微粒約占13．9%, 小于0．005 mm的微粒含量?jī)H占1% ; 索風(fēng)營(yíng)水電站工程采用PL—8500立軸式破碎機(jī)生產(chǎn)骨粒, 石質(zhì)為石灰?guī)r, 石粉含量為17%～21．8%, 平均18．3%, 小于0．08 mm的石粉含量為11．6%～14．4%, 平均12．8% 。
已見(jiàn)報(bào)道生產(chǎn)石粉的巖石種類較多, 如石灰?guī)r、凝灰?guī)r、輝綠巖、花崗巖、片巖、白云質(zhì)灰?guī)r等, 它們化學(xué)成分各不相同, 多為非活性材料。有的石粉也具有一定的活性, 可能參與膠凝材料水化反應(yīng)。但是, 即使有活性的石粉因其長(zhǎng)期沉積而轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的晶體, 所以其活性很低。因此, 石粉活性與粉煤灰、礦渣、磷礦渣等活性材料對(duì)比要低得多, 即它們的火山灰活性效應(yīng)作用不大。但是, 其能發(fā)揮微集料作用, 充填水泥顆粒之間的空隙和優(yōu)化細(xì)粉料(包括水泥和活性混合料)的級(jí)配。同時(shí), 由于其形貌為多棱體, 漿體之間的結(jié)合力好, 機(jī)械咬合力高。因此, 它們能改善碾壓混凝土的工作性和可碾壓性, 并對(duì)混凝土的強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。
2 石粉含量對(duì)碾壓混凝土工作性的影響
2．1 保持水泥用量不變, 石粉取代部分粉煤灰
陳改新研究表明: 保持水泥用量不變的條件下,將砂中的石粉含量由10%增加到16．1% , 用石粉取代18～48 kg(15% ～41% )粉煤灰, 石粉取代量對(duì)碾壓混凝土的VC值幾乎沒(méi)有影響。周云虎研究表明,在用水量、摻和料總量( F + SF)不變的條件下, 用石灰質(zhì)石粉替代粉煤灰(25%～100%) , 石粉替代粉煤灰的量對(duì)混凝土VC值影響不大。陸采榮等研究表明,在保持水泥用量、水膠比、摻合料總量( F + SF)不變的條件下, 用凝灰?guī)r石粉替代磷礦渣(38% ～67%)對(duì)混凝土VC值影響不大。因此, 一般情況下, 石粉取代粉煤灰的量在較大范圍內(nèi)對(duì)碾壓混凝土工作性的影響不大。
2．2 保持水泥和粉煤灰(或其他活性摻和料)用量不變的條件下, 增加人工砂中石粉含量
陳改新用石灰?guī)r人工砂石料研究表明: 保持水泥用量和粉煤灰用量不變的條件下, 人工砂中的石粉含量由13．6%增加到18．8% , 碾壓混凝土的VC值基本上沒(méi)有增大。而朱國(guó)偉用輝綠巖人工砂石料研究表明: 石粉含量高低對(duì)碾壓混凝土的VC 值有很大影響, 對(duì)碾壓混凝土的用水量影響也很大。同時(shí), 石粉含量對(duì)碾壓混凝土的凝結(jié)時(shí)間影響也很大。大部分研究成果表明, 石粉含量低于20%時(shí), 石粉含量對(duì)碾壓混凝土的VC影響不大。但是,對(duì)于特種石料如輝綠巖以及細(xì)顆粒(小于0．08 mm以下)含量特別大(一般超過(guò)40%以上) , 或石粉含量超過(guò)20%以上的情況, 石粉含量對(duì)碾壓混凝土的VC值影響較大。
2．3 石粉含量對(duì)碾壓混凝土α值的影響
漿量(水泥+活性混合材的漿體總量)與細(xì)骨料的孔隙體積之比值為α值。α值表達(dá)膠凝材料漿體的富裕程度, 受膠凝材料漿體總量和砂子孔隙率的影響。砂子孔隙率的大小主要由砂子的級(jí)配和石粉含量決定, 當(dāng)膠凝材料漿體量一定時(shí), 砂子的級(jí)配也一定時(shí), 石粉含量對(duì)α值的影響就很大。何金榮等人采用貴州索風(fēng)營(yíng)水電站的砂料進(jìn)行試驗(yàn)表明:α值開(kāi)始時(shí)隨砂中石粉含量的增大而增大, 此時(shí)砂的緊密度也增大。當(dāng)石粉含量達(dá)到16%左右, α值達(dá)到最大, 砂子的密度也最大, 砂子孔隙率最小。當(dāng)石粉含量繼續(xù)增大時(shí), α值不再增大而呈緩慢下降。陳改新(采用不同的材料)試驗(yàn)結(jié)果表明: 石粉含量在18% ～20%時(shí), 堆積密度最大、空隙率最小。不同的人工砂的級(jí)配不同, 石粉的顆粒分布不同, 當(dāng)其堆積密度最大, 空隙率最小、α值最大時(shí)其石粉含量也不同。但其規(guī)律是相同的, 即α值開(kāi)始時(shí)隨著石粉含量的增大而增大, 到達(dá)最佳含量時(shí), α值最大。隨后隨著石粉含量增大, α值呈緩慢下降趨勢(shì)。尤其對(duì)于用天然砂和卵石骨料時(shí), 砂的細(xì)度模量又較大時(shí), 增加石粉含量, 對(duì)增加混凝土工作性及密實(shí)性起重要作用。
3 石粉含量對(duì)碾壓混凝土強(qiáng)度的影響
3． 1 石粉替代部分活性摻合料(即內(nèi)摻)
水泥膠砂對(duì)比試驗(yàn)分析結(jié)果(見(jiàn)圖1)表明, 石灰?guī)r石粉替代部分粉煤灰, 對(duì)膠砂的需水量沒(méi)有太大影響, 其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度隨替代量的增加而下降。凝灰?guī)r石粉替代部分磷礦渣, 其抗壓強(qiáng)度也隨替代量增加而下降(見(jiàn)圖2)。不管是石灰?guī)r石粉還是凝灰?guī)r石粉, 其替代量越大( > 50%) , 后期強(qiáng)度增長(zhǎng)越小(28～90 d) , 這是由于這兩種石粉都是非活性摻合料,火山灰效應(yīng)極低的緣故。用石灰?guī)r石粉取代粉煤灰試驗(yàn)表明: 增加用水量, 保持工作度VC值不變, 石粉取代粉煤灰量由18 kg增加到48 kg, 碾壓混凝土的抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì), 但降幅不大; 保持水膠比、水泥用量不變, 用石灰?guī)r石粉取代粉煤灰, 摻外加劑調(diào)整工作度, 所配制的碾壓混凝土的抗壓強(qiáng)度隨石粉取代量的增加而下降, 其抗折強(qiáng)度也隨石粉替代量的增加而下降。當(dāng)替代量為25%時(shí), 其7 d抗壓強(qiáng)度下降≤10% , 28 d抗壓強(qiáng)度下降≤18% , 28 d抗折強(qiáng)度下降≤10% , 90 d抗壓強(qiáng)度下降≤10%; 當(dāng)替代量為50%時(shí), 其7 d抗壓強(qiáng)度下降≤15% , 28 d抗壓強(qiáng)度下降≤26% , 28 d抗折強(qiáng)度下降≤25% , 90 d抗壓強(qiáng)度下降≤24% (見(jiàn)表1、表2及圖3、圖4)。
      3．2 保持水泥用量和粉煤灰用量不變的條件下, 增加石粉含量(外摻)
陳改新實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為: 當(dāng)水膠比為0．42, 保持水泥用量和粉煤灰用量不變的條件下, 石灰?guī)r石粉含量從13．6%增加到18．8%時(shí), 對(duì)碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯不利影響 ; 朱國(guó)偉利用輝綠巖人工砂及其石粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究, 結(jié)果表明: 保持水膠比、砂率、單方外加劑用量、單方粉煤灰用量不變、調(diào)整用水量達(dá)到一樣工作度的條件下, 當(dāng)石粉含量從14%上升到16%時(shí), 其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均增大; 當(dāng)石粉含量從16% ～18%時(shí), 其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化, 同時(shí)達(dá)到最大值; 當(dāng)石粉含量從18% ～24%時(shí), 其抗壓強(qiáng)度隨石粉摻量增加而下降, 28 d劈拉強(qiáng)度也有下降趨勢(shì)(見(jiàn)表3和圖5) 。
  在保持水泥用量和粉煤灰用量不變條件下, 石粉含量對(duì)碾壓混凝土強(qiáng)度有一定影響, 當(dāng)砂子密度最大, 空隙率最小, 碾壓混凝土密度最高時(shí), 石粉含量為最佳, 此時(shí)碾壓混凝土的強(qiáng)度最高。石粉含量在某一段范圍內(nèi)對(duì)強(qiáng)度影響不大, 這一范圍因材而異, 使用不同材料, 其范圍也不盡相同。
3．3 包裹在粗骨料表面的石粉對(duì)碾壓混凝土強(qiáng)度影響
吳金灶等人采用三德P．Ｏ42．5水泥、嵩嶼Ⅱ級(jí)粉煤灰和汕頭Ⅱ級(jí)粉煤灰、人工砂石料等原料進(jìn)行試驗(yàn), 研究包裹在粗骨料表面的石粉對(duì)碾壓混凝土強(qiáng)度的影響, 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、表5。結(jié)果表明:包裹在粗骨料表面的石粉會(huì)降低碾壓混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和軸拉強(qiáng)度。抗壓強(qiáng)度降低幅度小些, 劈拉強(qiáng)度降低幅度大些。包裹在粗骨料表面的石粉對(duì)碾壓混凝土的劈拉強(qiáng)度影響比較大。隨著齡期的增長(zhǎng), 包裹在粗骨料表面的石粉對(duì)碾壓混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響有所減弱 。這是由于包裹在粗骨料表面的石粉勢(shì)必造成拌和砂漿與粗骨料表面之間粘結(jié)力下降(或機(jī)械咬合力下降) 。隨著齡期增長(zhǎng), 膠凝材料進(jìn)一步水化, 新生成的C - S - H凝膠不斷滲入粗骨料表面, 改善了粗骨料與砂漿之間的界面結(jié)構(gòu), 增強(qiáng)砂漿與粗骨料的機(jī)械咬合力, 因此, 對(duì)強(qiáng)度的影響有所減弱。
4 石粉含量對(duì)碾壓混凝土其他力學(xué)性能的影響
資料表明: 在大摻量粉煤灰富膠凝材料用量碾壓混凝土中可以用石粉取代部分粉煤灰, 當(dāng)單方取代28 kg粉煤灰時(shí)(即取代量= 23．72%) , 其90 d、180 d抗壓強(qiáng)度有所增長(zhǎng), 7 d、28 d強(qiáng)度略有降低; 28 d、90 d、180 d軸拉強(qiáng)度有所提高; 28 d彈性模量有所降低, 但90 d、180 d彈性模量有所提高; 28 d、90 d、180 d極限拉伸均有所提高。保持水膠比、粉煤灰用量不變的條件下, 適當(dāng)調(diào)整用水量, 當(dāng)石粉含量從14%～20%時(shí), 碾壓混凝土28 d極限拉伸值, 抗拉彈模、抗壓彈模變化不大。當(dāng)石粉含量從22% ～24%時(shí), 碾壓混凝土28 d 極限拉伸值, 抗拉彈模、抗壓彈模呈下降趨勢(shì)(見(jiàn)表6) 。
 5 石粉含量對(duì)碾壓混凝土干縮性、抗凍性和抗?jié)B性的影響
朱國(guó)偉等人研究在保持水膠比(0．60)、砂率(34%)、粉煤灰摻量( 63% )不變的條件下, 石粉含量對(duì)碾壓混凝土干縮性能的影響。研究結(jié)果表明: 隨著石粉含量的增加, 混凝土各齡期的干縮值增加。齡期短, 其干縮增大值小些; 齡期長(zhǎng), 其干縮增大值大些。
在大摻量粉煤灰富膠凝材料用量條件下, 石粉可部分取代粉煤灰。當(dāng)取代量不超過(guò)20%時(shí), 其抗凍性能、抗?jié)B性能相當(dāng)。周云虎研究表明: 石粉取代粉煤灰量達(dá)到75%時(shí), 其抗?jié)B等級(jí)仍大于W10 。適量摻入石粉(不管是外摻, 還是內(nèi)摻)都有利于提高混凝土的抗?jié)B性和抗凍性。
6 結(jié) 論
(1)石粉是指顆粒小于0．16 mm的經(jīng)機(jī)械加工的巖石微細(xì)顆粒, 形貌為形狀不規(guī)則的多棱體, 為非活性摻合料, 摻入混凝土中, 可改善細(xì)粉料的顆粒級(jí)配,有填充效應(yīng), 并可提高漿體之間的機(jī)械咬合力。
(2)一般情況下, 石粉取代粉煤灰, 取代量對(duì)碾壓混凝土工作性影響不大。
(3)保持水泥用量和粉煤灰用量不變的條件下, 當(dāng)石粉含量低于20%時(shí), 石粉含量對(duì)碾壓混凝土的工作性影響不大。但是, 對(duì)于特殊石料如輝綠巖以及細(xì)顆粒(小于0．08 mm以下)含量特別大(一般超過(guò)40%以上) , 或石粉含量超過(guò)20%以上, 石粉含量對(duì)混凝土的工作性影響較大。
(4)石粉取代粉煤灰時(shí), 隨著取代量的增加, 其抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。當(dāng)取代量不大于25%時(shí), 其強(qiáng)度下降幅度不大。
(5)保持水泥用量和粉煤灰用量不變的條件下, 石粉含量對(duì)碾壓混凝土強(qiáng)度有影響。當(dāng)砂子密度最大,空隙率最小, 碾壓混凝土密度最高時(shí)的石粉含量為最佳含量。此時(shí), 碾壓混凝土的強(qiáng)度最高。石粉含量在某一段范圍內(nèi)對(duì)其強(qiáng)度影響不大。而這一范圍因材而異, 使用不同材料, 其范圍也不盡相同。
(6)包裹在粗骨料表面的石粉會(huì)降低碾壓混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和軸拉強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度降低幅度小些, 抗拉強(qiáng)度降低幅度大些。對(duì)早期強(qiáng)度影響大些, 對(duì)后期強(qiáng)度影響小些。
(7)在大摻量粉煤灰富膠凝材料用量條件下,石粉適量(不大于20%)取代粉煤灰, 對(duì)抗壓強(qiáng)度、軸拉強(qiáng)度、彈性模量、極限拉伸影響不大。保持水膠比、膠凝材料用量不變的條件下, 石粉含量在某一范圍內(nèi),對(duì)碾壓抗壓強(qiáng)度、極限拉伸、彈模影響不大。當(dāng)超過(guò)某一值后, 隨著石粉含量的增加, 碾壓混凝土的抗壓強(qiáng)度、極限拉伸、彈模呈下降趨勢(shì)。
(8)不管石粉是內(nèi)摻, 還是外摻, 隨著石粉含量的增加, 其碾壓混凝土干縮值將增大。
(9)適量摻入石粉(不管是內(nèi)摻, 還是外摻) , 都有利于提高混凝土的抗?jié)B性和抗凍性。
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| 原作者： 黃國(guó)泓 盧安琪 陳國(guó)新 郭 健 |
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