尾礦特細(xì)砂與河砂復(fù)配在混凝土中的應(yīng)用研究

熊大路，辛崇升，田慶斌，邢又家，姜瑞雙

（1. 濟(jì)南金曰公路工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2. 山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031；3. 山東省混凝土材料與橋梁結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250102）

引言

目前，國(guó)家加快了高速公路、高速鐵路、城市軌道交通等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)步伐，而對(duì)建設(shè)用砂的消耗也越來(lái)越大[1-3]。作為傳統(tǒng)的混凝土用細(xì)集料，河砂的儲(chǔ)備資源越來(lái)越少，同時(shí)，各地天然河砂的開(kāi)采已受到限制，市場(chǎng)上的河砂品質(zhì)也越來(lái)越難以保證[4]。橋隧混凝土用細(xì)集料一般選用中砂，然而現(xiàn)在各工地的粗砂卻隨處可見(jiàn)，細(xì)度模數(shù)均在3.1以上，且顆粒級(jí)配不合理，細(xì)顆粒含量較少。采用粒形和級(jí)配不合理的粗砂配制混凝土，不僅難以保證混凝土拌合物的工作性，易引起拌合物的泌水、離析，同時(shí)也難以保證混凝土結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量及長(zhǎng)期耐久性。

近年來(lái)，尾礦砂的研究和應(yīng)用越來(lái)越多[5-6]。尾礦砂來(lái)源于選礦廠排放的固體廢棄物，而其粒徑有大有小，其中，尾礦特細(xì)砂與天然特細(xì)砂一樣，具有平均粒徑小、顆粒級(jí)配是中間大兩頭小、細(xì)度模數(shù)小、比表面積大、需水量大的特點(diǎn)，若單獨(dú)使用特細(xì)砂配制混凝土，會(huì)導(dǎo)致混凝土拌合物黏度大、泵送困難、收縮大、易開(kāi)裂等問(wèn)題[7]。若要將特細(xì)砂應(yīng)用到混凝土中，首先要解決好其級(jí)配單一、需水量大的問(wèn)題。而特細(xì)砂與粗砂的復(fù)配，兩種材料可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，為發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢(shì)提供了一條有效途徑[8-10]。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）水泥：P·O42.5普通硅酸鹽水泥，物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1。（2）粉煤灰：F類I級(jí)粉煤灰，45μm方孔篩篩余量4.5%，需水量比96%，燒失量3.52%。（3）粗集料：5～20 mm連續(xù)級(jí)配的天然碎石，表觀密度2 725 kg/m3，含泥量0.2%，壓碎值21.0%。（4）細(xì)集料：天然河砂，表觀密度2 630 kg/m3，松散堆積密度1 525 kg/m3，含泥量1.4%，細(xì)度模數(shù)為2.67。（5）尾礦特細(xì)砂：表觀密度2 800 kg/m3，75μm以下顆粒含量4.5%，吸水率2.0%，細(xì)度模數(shù)0.82。（6）減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率26.3%。

表1 P·O 42.5水泥基本性質(zhì)

1.2 配合比

試驗(yàn)配制C40混凝土，以全河砂為基準(zhǔn)配合比，研究特細(xì)砂替代15%河砂的混凝土各項(xiàng)性能發(fā)展，配合比見(jiàn)表2。

表2 混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 細(xì)集料的顆粒級(jí)配

砂的顆粒級(jí)配試驗(yàn)按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）進(jìn)行測(cè)試。用特細(xì)砂等量取代河砂，特細(xì)砂的取代率分別為0%、10%、15%、20%、30%，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)編號(hào)為S1、S2、S3、S4、S5。并根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011）有關(guān)細(xì)集料的技術(shù)要求，優(yōu)選最佳的取代率，研究復(fù)配前后混凝土的性能。

1.3.2 混凝土的性能測(cè)試

（1）工作性能：根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080-2016）的試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行新拌混凝土的和易性測(cè)試；（2）抗壓強(qiáng)度：根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2019）進(jìn)行。成型100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，放于混凝土養(yǎng)護(hù)室（溫度20±2℃，相對(duì)濕度大于95%）中養(yǎng)護(hù)至3 d、7 d、28 d、56 d后測(cè)試。（3）抗氯離子滲透性能：根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》（CCES01-2004）中的NEL法評(píng)價(jià)硬化混凝土的抗氯離子滲透性能，并根據(jù)表3進(jìn)行滲透性評(píng)價(jià)。

表3 混凝土抗氯離子滲透性評(píng)價(jià)

2 結(jié)果與分析

2.1 特細(xì)砂與河砂復(fù)配后的顆粒級(jí)配

特細(xì)砂摻量對(duì)細(xì)集料的顆粒級(jí)配的影響見(jiàn)圖1。特細(xì)砂摻加可明顯改善粗砂的顆粒級(jí)配。隨著摻量增加，2.36 mm和1.18 mm的粗顆粒含量明顯降低，且0.3 mm和0.15 mm的細(xì)顆粒含量明顯增加。當(dāng)摻加15%特細(xì)砂時(shí)，2.36 mm和1.18 mm的顆粒含量從25.2%和18.0%分別降低至18.2%和15.5%；而0.3 mm的顆粒含量則從16.8%增加至19.0%。

圖1 特細(xì)砂摻量對(duì)細(xì)集料顆粒級(jí)配的影響

由圖1（b）累計(jì)篩余曲線可知，未復(fù)配特細(xì)砂前，河砂（S1）不在II區(qū)的級(jí)配曲線范圍內(nèi)，隨著特細(xì)砂的摻量增加，各粒徑累計(jì)篩余逐漸降低；當(dāng)摻量達(dá)到15%后，細(xì)集料的級(jí)配曲線基本滿足II區(qū)砂的級(jí)配要求；但在摻量達(dá)到30%時(shí)，0.15 mm的累計(jì)篩余偏低，這說(shuō)明0.15 mm以下的顆粒含量有了明顯增加。當(dāng)0.15 mm以下細(xì)顆粒含量過(guò)多時(shí)，會(huì)明顯增加細(xì)顆粒的需水性，從而對(duì)混凝土拌合物的流動(dòng)性產(chǎn)生不利影響。

圖2 為特細(xì)砂摻量對(duì)細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)影響。隨著摻量增加，細(xì)集料細(xì)度模數(shù)從初始的3.34降低至2.38，摻加特細(xì)砂后，細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)均在中砂（2.3～3.0）范圍內(nèi)。當(dāng)特細(xì)砂摻量為15%、20%時(shí)，細(xì)度模數(shù)為2.77、2.60，有利于改善混凝土的工作性能。綜合分計(jì)篩余、累計(jì)篩余及細(xì)度模數(shù)的研究結(jié)果，當(dāng)特細(xì)砂摻量為15%時(shí)，細(xì)集料的顆粒級(jí)配達(dá)到了最優(yōu)。

試驗(yàn)表明，特細(xì)砂與粗砂的復(fù)配，可以實(shí)現(xiàn)兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，降低河砂的粗顆粒含量，增加細(xì)顆粒含量，優(yōu)化細(xì)集料的顆粒級(jí)配，有利于細(xì)集料實(shí)現(xiàn)緊密堆積，減少松散堆積空隙率，提高混凝土的工作性能。

圖2 特細(xì)砂摻量對(duì)細(xì)集料細(xì)度模數(shù)的影響

2.2 混凝土的工作性能

細(xì)集料顆粒級(jí)配實(shí)驗(yàn)表明，15%摻量的特細(xì)砂即可明顯改善細(xì)集料的顆粒級(jí)配。特細(xì)砂復(fù)配前后，混凝土的工作性能對(duì)比見(jiàn)表4。WS0組混凝土拌合物流動(dòng)性差，保水性差，底部有泌水留出，且碎石的漿體包裹量不足，發(fā)生明顯的離析現(xiàn)象，見(jiàn)圖3（a）。采用15%特細(xì)砂與85%河砂復(fù)配的細(xì)集料配制的混凝土（WS1）拌合物的工作性能得到明顯改善，拌合物流動(dòng)性非常好，且黏聚性保水性良好，坍落度達(dá)到240 mm，擴(kuò)展度達(dá)到550 mm，但未發(fā)現(xiàn)泌水、泌漿等問(wèn)題，見(jiàn)圖3（b）。

表4 摻15%特細(xì)砂的混凝土工作性能

圖3 混凝土工作性能對(duì)比

2.3 混凝土的力學(xué)性能

特細(xì)砂對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖4。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，有無(wú)特細(xì)砂的混凝土抗壓強(qiáng)度均逐漸增大。WS1試件的抗壓強(qiáng)度均高于WS0的抗壓強(qiáng)度，在28 d齡期時(shí)，WS1的抗壓強(qiáng)度達(dá)到57.7 MPa，比WS0試件抗壓強(qiáng)度高13.3%。特細(xì)砂的摻加改善了細(xì)集料的顆粒級(jí)配，填充了粗顆粒之間的空隙，提高了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性和密實(shí)性，使得混凝土強(qiáng)度有所增加。

圖4 摻15%特細(xì)砂的混凝土抗壓強(qiáng)度

2.4 混凝土的抗氯離子滲透性能

特細(xì)砂對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能影響見(jiàn)表5。NEL法測(cè)試結(jié)果顯示，WS0試件的56 d抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)為1.09×10-12m2/s，WS1試件的 56 d抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)為0.86×10-12m2/s。兩組試件的滲透性等級(jí)分別為III級(jí)和Ⅳ級(jí)，滲透性評(píng)價(jià)分別為中和低。摻加15%的特細(xì)砂，提高了混凝土的抗氯離子滲透性能，這是因?yàn)榧?xì)集料中的細(xì)顆粒適量增加，可降低細(xì)集料的松散堆積空隙率，從而提高了基體的密實(shí)度，改善了混凝土的抗氯離子滲透性能。此外，拌合物良好的工作性，也有助于硬化混凝土耐久性能的提高。

表5 摻15%特細(xì)砂的混凝土56 d抗氯離子滲透性能

3 結(jié)語(yǔ)

（1）采用尾礦特細(xì)砂與天然河砂的復(fù)配，可改善細(xì)集料的顆粒級(jí)配。隨著特細(xì)砂摻量的增加，2.36 mm和1.18 mm的粗顆粒含量明顯降低，且0.3 mm和0.15 mm的細(xì)顆粒含量明顯增加。當(dāng)特細(xì)砂摻量為15%時(shí)，細(xì)集料的級(jí)配曲線從I區(qū)改善到II區(qū)，細(xì)度模數(shù)從3.34降至2.77，此時(shí)，細(xì)集料的顆粒級(jí)配最合理。（2）尾礦特細(xì)砂與天然砂復(fù)配后，混凝土拌合物工作性得到明顯改善，坍落度達(dá)到240 mm，擴(kuò)展度達(dá)到550 mm，且無(wú)泌水、離析發(fā)生，拌合物的流動(dòng)性、黏聚性以及保水性均較好。（3）尾礦特細(xì)砂的摻加，提高了混凝土抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能。與粗砂混凝土相比，特細(xì)砂與粗砂復(fù)配的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度提高了13.3%，56 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低了21.1%。細(xì)集料中的細(xì)顆粒適量增加，填充了粗顆粒之間的空隙，可降低細(xì)集料的松散堆積空隙率，從而提高了基體的密實(shí)度。