砂石材料性能试验试验报告_材料实验总结与心得体会

高石粉机制砂C60自密实混凝土的制备与应用

刘凯砂石材料性能试验试验报告，张海政砂石材料性能试验试验报告，宋正林，周辉

(中建商品混凝土有限公司，武汉，430070)

摘要：针对高石粉机制砂制备C60自密实混凝土存在的问题，通过对混凝土胶凝浆体组成进行优化，利用硅灰高比表面积特性，分散机制砂中部分石粉，确定了硅灰的最佳掺量为4.5%。研究了砂率对混凝土工作性能的影响，确定砂率为42%。分析了机制砂的石粉含量对混凝土工作和力学性能的影响，石粉含量7%时，混凝土抗压强度达到最高，石粉含量控制在8.1%以下，不会对强度产生较大影响。制备出的混凝土，初始坍落度250mm，扩展度695mm，J环扩展度680mm，3h坍落/扩展度损失较小，倒坍时间3.4s，T500为3.0s，研究成果成功应用于武汉某超高层混凝土工程项目。

关键词：机制砂；石粉；高层泵送自密实混凝土[1]

随着我国经济发展，越来越多的超高层建筑在建或计划建设中，这些超高层建筑对混凝土的工作性能要求高，且多数为超高层泵送、高强自密实混凝土，其胶凝浆体组成、集料级配、配合比设计及性能试验方法与普通混凝土不同。自密实混凝土中的集料对混凝土的各项性能起着重要的作用，砂作为混凝土的主要原材料，主要有天然砂和机制砂两种。天然砂长期受水流搬运、冲磨，其颗粒圆润、级配良好，是用来制备自密实混凝土的优质原材料。但受自然资源及运输条件限制，天然砂资源匮乏、外运成本高，且过度开采易使生态环境受到巨大伤害。因此，采用机制砂替代天然砂制备混凝土是行业发展的必然趋势。与天然砂相比，机制砂采用机械破碎方式生产，具有表面粗糙、颗粒棱角多、级配不良以及石粉含量高等特点，在泵送过程中易发生堵管，可泵性差。[1]尤其当机制砂中石粉含量过高时，混凝土的工作性能将大幅度降低，要实现高层泵送、高强混凝土的自密实性能具有较大困难。根据机制砂的材料特性，研究机制砂高层泵送、高强自密实混凝土的制备技术，具有十分重要的实际指导意义。

本文研究混凝土配合比基本参数、胶凝浆体组成以及机制砂石粉含量对高层泵送、高强自密实混凝土性能的影响，设计制备出超高层泵送、高强自密实C60混凝土，并进行工程应用。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

（1）水泥：娲石P.O 42.5，其技术指标见表1-1。

（6）粗集料：5~16mm连续级配玄武岩碎石，压碎值8.2%。

（7）外加剂：聚羧酸高性能减水剂，中建商品混凝土有限公司外加剂厂生产。

1.2 测试方法

混凝土拌合物工作性能试验按GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行，测定倒置坍落度桶流空时间。混凝土搅拌、成型、养护以及力学试验按GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。混凝土胶凝浆体粘度根据GB10247-2008《粘度测量方法》测试。

混凝土的自密实性能采用JGJ/T 283-2012《自密实混凝土应用技术规程》中坍落扩展度、扩展时间T500以及J环扩展度来评价。

2 高石粉机制砂C60自密实混凝土的制备

2.1 机制砂C60自密实混凝土工作性能提升技术

自密实混凝土与普通混凝土相比，胶凝材料用量较高、水胶比低。利用机制砂制备自密实混凝土，机制砂中适量的石粉在混凝土中可起到润滑、增黏保水、填充和水化增强作用，改善混凝土离析、泌水以及胶凝材料用量较高等问题，但过量的石粉会造成混凝土工作性能、力学性能显著下降。[2]为解决石粉含量过高造成工作性能不良的问题，采用硅灰超细粉与高效减水剂双掺技术，利用硅灰的“微填充效应”、“形貌效应”改善胶凝材料颗粒级配，增加混凝土拌合物流动性。利用其“分散效应”打破胶凝材料颗粒和石粉间的“絮凝结构”分散部分石粉。[3]

本文在复掺粉煤灰、矿粉的基础上掺入适量硅灰，优化胶凝材料组成，同步提升混凝土的工作性能和力学性能。确定高石粉含量机制砂C60自密实混凝土配合比设计关键参数，使其达到高层泵送施工要求。

2.2 机制砂C60自密实混凝土配合比优化设计

2.2.1 胶凝材料组成的影响

胶凝材料组成对自密实混凝土的工作性能与力学性能有着至关重要的影响，表2-1及表2-2为不同胶凝材料组成对C60自密实混凝土性能的影响试验。机制砂石粉含量为8.1%，控制胶凝材料总量550kg/m3，控制水胶比在0.27左右，通过调整硅灰掺量等量替代部分水泥，找出最佳胶凝材料组成，为保证混凝土的工作性能，外加剂掺量微调。

从表2-1和2-2可以看出，当机制砂石粉含量为8.1%，用水和外加剂掺量不变的情况下，不掺加硅灰，混凝土扩展度仅为590mm。当硅灰替代水泥掺量分别为15kg/m3和25kg/m3时，混凝土坍落度、扩展度增大，尤其当硅灰提高至25kg/m3，占胶凝浆体总量4.5%时，扩展度增长明显。而硅灰提高至35kg/m3，占胶凝浆体总量6.4%时，尽管用水量和外加剂掺量提高，混凝土坍落度、扩展度却比硅灰掺量为25kg/m3时要低，当进一步提高至45kg/m3，占胶凝浆体总量8.2%时，坍落度、扩展度降低显著。这主要是因为硅灰的比表面积大，粒径极小，适量的硅灰可改善胶凝材料颗粒级配，高石粉机制砂易导致混凝土需水量增高，掺入2.7%~4.5%硅灰可分散机制砂中的部分石粉，主要起到颗粒填充、减水分散以及润滑浆体的“流化”作用。而当硅灰掺量提高至6.4%~8.2%，过高的掺量导致胶凝材料比表面积增大，浆体需水量显著增加，硅灰的减水作用削弱，混凝土流动性降低。[4]

随硅灰掺量增加，混凝土倒坍时间、T500以及浆体粘度先降低后增大。不掺加硅灰，由于机制砂含大量石粉，混凝土的需水量和浆体粘度大，T500和倒坍时间较长。硅灰掺量提高至2.7%和4.5%时，浆体粘度降低明显，倒坍时间与不掺加硅灰相比分别降低了1.8s和3.0s。这主要是因为，比表面积为22010m2/kg的硅灰填充在其它胶凝材料以及石粉颗粒中，起到“滚珠”作用，释放了颗粒间多余的水分，减少了颗粒滚动摩擦力，浆体塑性粘度降低。[5]硅灰掺量增加至6.4%和8.2%时，浆体粘度呈增大趋势，T500和倒坍时间与硅灰掺量4.5%相比明显延长，这主要是因为过量的硅灰增加了固体颗粒间的接触点，颗粒间的静摩擦力增大，导致浆体的屈服应力增大，混凝土流动性降低、粘度增大。[6]

随硅灰掺量增加，混凝土抗压强度逐渐增大，主要是因为硅灰密实了浆体孔隙结构，Ca(OH)2转变为硅酸钙水化产物的量增多，使得骨料周围充满致密的无定形C-S-H凝胶，改善了粗集料与水泥石的界面过渡区。[7]从表中还可以看出，硅灰掺量超过4.5%，增加至6.4%和8.2%时，混凝土用水量和外加剂掺量上升，抗压强度增长幅度降低，且对混凝土的工作性能影响较大，不利于泵送施工。因此，高石粉机制砂C60自密实混凝土的硅灰掺量宜控制在4.5%左右。

2.2.2 砂率的影响

根据胶凝材料组成对混凝土性能的影响规律，选用表2-1中第3组配合比为基准配合比，胶凝材料总用量为550kg/m3，其中硅灰掺量25kg/m3，控制水胶比不变，外加剂掺量微调，考虑到机制砂石粉含量为8.1%，砂率不宜过高，设计砂率分别为41%、42%、43%、44%，如表2-3所示，研究机制砂砂率对混凝土性能的影响。

不同砂率的混凝土工作性能和力学性能均满足自密实混凝土要求。砂率为41%时，混凝土的粘聚性和流动性略差，坍落度、扩展度为220mm/630mm，倒坍时间达4.3s。当砂率提高至42%，工作性能明显改善，坍落度、扩展度增大，流动性增强，倒坍时间与砂率41%的混凝土相比降低了0.9s，T500仅为3.0s。砂率增大至43%、44%时，混凝土工作性能降低，倒坍和T500时间延长，尤其是砂率44%，在外加剂掺量提高0.1%的情况下，混凝土工作性能仍然降低。这主要是因为，砂率过小，机制砂混凝土中的富余浆体较多，可供粗骨料润滑的砂浆量减少，粗骨料摩擦阻力增大，拌合物流动性降低。砂率过大，骨料的总表面积及空隙率增大，在胶凝浆体量一定时，包裹粗骨料的砂浆层变薄，拌合物流动性降低，且提高砂率，混凝土中石粉含量增多，易导致浆体需水量增大，流动性降低。[8]砂率对混凝土的抗压强度影响较小，主要对其工作性能产生影响，高石粉机制砂C60自密实混凝土的合理砂率宜为42%。

2.2.3 机制砂石粉含量的影响

如表2-4所示，选用表2-3中第7组配合比为基准配合比，采用人为调整机制砂石粉含量的方法，将石粉含量8.1%的机制砂清洗、筛分后收集石粉备用，研究机制砂石粉含量对混凝土性能的影响，为保证混凝土工作性能，外加剂掺量微调。

从表2-4可以看出，机制砂石粉从0%增加至7%，外加剂掺量相同的情况下，混凝土的工作性能逐渐改善，坍落度、扩展度呈上升趋势，T500和倒坍时间逐渐缩短，这主要是因为适量的石粉增加了浆体总量，改善了低胶凝材料用量时混凝土易离析泌水、包裹性差的现象，增加了混凝土的粘聚性和保水性，提高了工作性能，且相对坍落度而言，石粉含量对混凝土扩展度的影响更为明显。当石粉含量为8.1%，外加剂掺量提高0.1%，混凝土的坍落度、扩展度与石粉含量7%时接近。石粉含量提高至9%，混凝土坍落度、扩展度降低，T500和倒坍时间延长，石粉提高至12%，外加剂掺量为2.0%时，混凝土的工作性能降低显著。这主要是因为，C60混凝土的胶凝材料用量较大，混凝土的包裹性和粘聚性本身就较好，过量石粉会增加其粘度，劣化泵送性能。当石粉过多，粉体材料总比表面积增加，吸附水量显著增大，使混凝土的流动性变差。

从抗压强度可以看出，机制砂石粉含量从0%增加至12%，混凝土7d、28d抗压强度先增大后减小，石粉含量7%时，混凝土抗压强度最高，石粉含量控制在8.1%以下，不会对强度产生较大影响，石粉含量为9%和12%时，混凝土的抗压强度降低。这是因为，适量的石粉具有微集料填充效应，在一定程度上改善了机制砂的颗粒堆积密度，增加了浆体和界面过渡区的密实度，改善硬化混凝土的孔结构，从而增大了强度。石粉含量过高，其需水量显著增大，混凝土的和易性变差，不利于混凝土的密实，另一方面过多的石粉导致界面出现“游离态”的石粉，不利于集料与浆体之间的粘结，且粗颗粒相对减少，骨架作用减弱，不利于强度发展。[9]

图2-1分别为机制砂石粉含量0%、8.1%和12%的混凝土砂浆水化28d的SEM图，图中砂浆水化产物中针棒状的为AFt晶体，C-S-H凝胶成纤维状交叠。当石粉含量0%时，凝胶体结构略显疏松，孔隙相对较多。当石粉8.1%时，C-S-H凝胶多以扭曲细针状形态出现，并且相互交错呈团簇状，同时存在扭曲的箔片状凝胶，C-S-H凝胶的形貌从结晶差的纤维状发展到多层扭绞的网状，细小针状的钙矾石晶体结晶与水泥颗粒之间相互交联呈网状，浆体较致密，说明此时石粉发挥了“填充作用”和“成核中心”作用，同时细化了Ca(OH)2晶粒，使其在石粉颗粒表面结晶，而不是在局部区域生长成粘结力差的大块晶体，提高了界面粘结性能，在宏观抗压性能上表现为石粉含量8.1%的混凝土抗压强度较石粉含量0%有所上升。当石粉达12%，浆体微结构虽然更加致密，但水泥的水化产物C-S-H凝胶多以结晶很差的聚集体颗粒存在，凝胶体结构分散，空间网络整体性较差。[10]说明，此时石粉除了提供成核场所外，部分以游离态存在，这些未参与成核的石粉会阻碍C-S-H凝胶后期晶型的发展，使凝胶不能较好地相互黏结形成立体结构，进而影响混凝土的抗压强度，导致石粉含量12%的混凝土抗压强度下降显著。

3、高石粉机制砂C60自密实混凝土的工程应用

将设计制备出的高石粉机制砂C60自密实混凝土应用于武汉某超高层工程中，具体配合比及性能如表2-5所示，图3-1为J环扩展度试验及超高层建筑实景。

利用石粉含量8.1%的机制砂设计制备出的C60高层泵送自密实混凝土初始坍落度、扩展度为250mm/695mm，J环扩展度为680mm，坍落扩展度与有环条件下扩展度差值＜20mm，满足自密实混凝土性能要求。3h坍落度、扩展度损失较小，混凝土粘聚性和流动性优良，满足工程施工要求，泵送过程中最大泵压＜11MPa，应用效果良好。

4、结论

（1）对C60自密实混凝土胶凝浆体组成进行优化，当硅灰掺量为胶凝材料总量4.5%时，可改善高石粉机制砂混凝土的流动性能，降低浆体粘度，混凝土工作性能优良。当硅灰掺量超过6.4%时，混凝土粘度增大，不利于高层泵送施工。

（2）基于配合比优化试验，确定了高石粉机制砂C60自密实混凝土的最优配合比参数，机制砂石粉含量8.1%，胶凝材料总用量为550kg/m3，硅灰掺量宜为4.5%，砂率为42%。

（3）制备的高石粉机制砂C60自密实混凝土，初始坍落度250mm，扩展度695mm，J环扩展度680mm，3h坍落/扩展度损失较小，倒坍时间3.4s，T5003.0s，研究成果成功应用于武汉某超高层混凝土工程项目。

参考文献

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