粗骨料石粉含量对C50高性能混凝土性能的影响研究
2021-08-01
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第3 4卷,第4期 2 0 l 3年7月 文章编号:1001~4632(2013)04—0027—06 中 国 铁 道 科 学 CHINA RAILWAY SCIENCE VoI.34 No.4 July,2013 粗骨料石粉含量对C50高性能混凝土性能的影响研究 安明结,苏 阳,王 月,韩 松,余自若 (北京交通大学土木建筑工程学院,北京摘100044) 要:运用室内试验方法,研究玄武岩、石灰岩碎石和碎卵石粗骨料中石粉含量对C50高性能混凝土工 作性、力学性能和耐久性的影响。结果表明:新拌混凝土的扩展度随石粉含量的增加而减小,其黏聚性和保水 性得到改善,而其流动性在石粉含量为2 时达到最大,之后随石粉含量的增加而减小;3种粗骨料的C50混凝 土的抗压强度和劈裂抗拉强度均随石粉含量的增加呈先增大后减小的规律,抗压强度在石粉含量为2 时达到最 大,劈裂抗拉强度在石粉含量为4 时达到最大;粗骨料品种对C5O混凝土受压弹性模量的影响较大,4 石粉 含量C5O混凝土受压弹性模量玄武岩混凝土>石灰岩混凝土>碎卵石混凝土;石粉含量在O~6 范围内,3种粗 骨料的C50混凝土的电通量均在1 000 C以下,混凝土的密实性较好;石粉含量为4 时,玄武岩混凝土的抗冻 性最好,碎卵石混凝土的抗冻性最差。 关键词:高性能混凝土;粗骨料;石粉;含量;工作性;力学性能;耐久性 中图分类号:TU528.31 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1001—4632.2013.04.05 桥梁作为铁路线路主体结构,修建数量不断增 加[】],其使用的混凝土是C50高性能混凝土,粗 骨料通常使用机制集料碎石。机制碎石粗骨料由天 然岩石经过破碎筛分而制成,在生产、运输、存放 过程中会产生大量的石粉。目前,关于机制集料对 混凝土性能影响的研究主要集中在粒径≤0.75 mm 的石灰岩机制砂石粉方面L2 ],而不同岩石种类的 2O mm连续级配,表观密度分别为2 751,2 807 和2 766 kg・1TI~,其中碎卵石破碎面大于8O , 含泥量、泥块含量、针片状颗粒含量、压碎指标均 符合GB/T14685要求;石粉分别由上述碎石骨料 研磨而成,各类石粉粒径分布见表1;拌合用水采 用饮用水;减水剂选用含固量为20 9/6的聚羧酸系 高效减水剂。 表1石粉粒径分布 碎石石粉对高性能混凝土的影响尚不明确。铁路桥 梁混凝土所用的粗骨料宜就地取材,石灰岩碎石、 玄武岩碎石和破碎卵石等在各地广泛应用,粗骨料 中与这些碎石同岩质的石粉对混凝土性能的影响不 能一概而论。本文研究石灰岩碎石,玄武岩碎石以 及碎卵石3种粗骨料中石粉含量对C50高性能混 凝土的工作性、力学性能和耐久性的影响。 1.2配合比 原材料与试验方法 1.1原材料 试验中基准C50高性能混凝土的配合比为水 泥:细骨料:粗骨料:粉煤灰:矿粉:水一336: 722:1 083:48:96:158.4,减水剂用量为 水泥选用北京金隅42.5普通硅酸盐水泥,水 泥掺合料选用I级粉煤灰和¥95级矿粉;细集料选 用中粗河砂,细度模数2.72,含泥量2 ;粗骨料 1.31 。为了对比不同种岩石石粉对C50高性能 混凝土性能的影响,根据粗骨料在表面湿润状态下 吸附石粉量在5.5 左右的试验结果,石粉按质量 百分率分别取代粗骨料2 (21.66 kg・m ), 选用碎卵石、玄武岩碎石和石灰岩碎石3种,5~ 收稿日期:2012—11~30;修订日期:2013—05—17 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51278039) 作者简介:安明吉吉(1970一),男,吉林蛟河人,教授,博士。 28 中国铁道科学 第34卷 4 9/6(43.32 kg・ITI )和6 9/6(64.98 kg・m )。 对应3种石粉取代百分率减水剂用量分别为 1.5 ,1.7 和1.8 。本文中用H50表示粗骨料 为碎卵石的C50混凝土,X5o表示粗骨料为玄武 岩碎石的C50混凝土,¥50表示粗骨料为石灰岩碎 石的C50混凝土。 1.3试验方法 将粗骨料本身自带的石粉清洗干净,以保证混 凝土中石粉含量的准确性。混凝土拌合时先把粗骨 料和石粉放人搅拌机中搅拌1.5 rain,然后依次放 人其他材料搅拌。 抗压强度、劈裂抗拉强度及静力受压弹性模量 试验按GB/T 50081--2002《普通混凝土力学性能 试验方法标准》测定,其中抗压强度、劈裂抗拉强 度试验的试件尺寸为100 mm×100 minx 100 mm, 静力受压弹性模量试验的试件尺寸为100 mm× 100 minx 300 mm。耐久性试验按GB/T 50082— 2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标 准》进行测试,氯离子渗透性试件尺寸为直径 (100±1)mm,高度(50±2)mm;抗冻性试件 尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。 2试验结果与分析 2.1 石粉含量对混凝土工作性能的影响 图1和图2给出了石粉含量对混凝土坍落度和 石粉含量,% 图1石粉含量对坍落度的影响 石粉含量,% 图2石粉含量对扩展度的影响 扩展度影响的试验结果。表2给出了不同石粉含量 新拌混凝土的黏聚性和保水性试验结果。 表2不同石粉含量新拌混凝土的黏聚性和保水性 从图1、图2和表2可以看出,混凝土的工作 性能受石粉含量影响较大。 碎卵石和玄武岩碎石配制混凝土的坍落度随石 粉含量的增加呈先增大后减小的趋势,当骨料中石 粉含量为2 时坍落度达到最大,分别为210和 240 mm。这是因为石粉含量较低时,吸附在碎石 表面的石粉起到了润滑的作用,减小了碎石与碎石 之间、碎石与细集料之间的摩擦,提高了}昆凝土的 流动性。随着石粉含量的继续增大,混凝土的坍落 度逐渐降低,石粉含量为6 时坍落度分别降至 178和160 mm。这是因为润湿石粉需要占用一定 量的水,随着石粉含量的增大,石粉占用了较大量 的水分,导致混凝土中胶凝材料的用水量相对降 低,从而减小了坍落度。石灰岩碎石混凝土的坍落 度随石粉含量的增加逐步减小,但变化缓慢,未掺 石粉时坍落度为242 mm,6 时坍落度降至228 mm。这可能是由于石灰岩碎石混凝土在未掺石粉 时流动性较大并泌水导致石粉含量2 时加入的石 粉不能有效包裹在碎石表面,造成石粉对和易性改 善效果不明显。 碎卵石、玄武岩和石灰岩配制的混凝土扩展度 均随石粉含量的增加而降低。石粉含量为6 时相 对于未掺石粉时扩展度分别降低了160,295和 125 rD_ln。 石粉可以明显改善混凝土拌和物的黏聚性和保 水性,改善的效果随石粉含量的增加逐渐增强。其 中用碎卵石和玄武岩碎石配制的混凝土在石粉含量 为2 时的黏聚性和保水性明显改善,黏聚性均由 一般变为较好,保水性由稍差变为较好。石灰岩碎 第4期 粗骨料石粉含量对C5O高性能混凝土性能的影响研究 29 石混凝土的黏聚性和保水性在石粉含量为4 时改 Bd 雠想 善效果显著。 舳 粘结的石粉变多,又逐渐成为混凝土内部的缺陷, 2.2石粉含量对混凝土力学性能的影响 2.2.1石粉含量对混凝土抗压强度的影响 造成强度逐渐降低;③碎卵石混凝土在较大石粉含 量(2 ,4 .o4和6 )时抗压强度均高于未掺石粉 含量时的强度,可能是因为碎卵石吸水性远远好于 石灰岩碎石和玄武岩碎石,在水化后期碎卵石释放 图3给出了不同粗骨料、不同石粉含量混凝土 抗压强度的试验结果。 0 2 4 6 石粉含量/% 图3不同石粉含量混凝土的抗压强度 从图3可以看出,相同配合比的C50高性能 混凝土,3种粗骨料混凝土的抗压强度均随着石粉 含量的增加呈先增大后减小的趋势。 在不掺石粉时,3种骨料混凝土的抗压强度由 大到小的顺序是玄武岩混凝土>石灰岩混凝土>碎 卵石混凝土,分别为77.7,76.1和72.4 MPa。这 是因为玄武岩粗骨料的母岩强度高于石灰岩和碎卵 石,造成玄武岩混凝土的抗压强度大于石灰岩和碎 卵石混凝土,而碎卵石中由于存在部分天然形成的 较为光滑的表面,影响了粗骨料与水泥基体的粘 结,因此其强度最低。 石粉含量为2 时3种粗骨料混凝土的抗压强 度均达到最大值,碎卵石混凝土为81.9 MPa、玄 武岩混凝土为78.7 MPa和石灰岩混凝土为79.2 MPa。其中碎卵石混凝土的强度增长最为明显,提 高了9.5 MPa,其增幅达到13.1 ,而石灰岩混 凝土和玄武岩混凝土的增幅只有4.1 和1.3 。 石粉含量超过2 后,3种粗骨料混凝土的抗压强 度均随掺量的增加而下降。石粉含量为6 时碎卵 石混凝土的强度仍高出未掺石粉混凝土2.6 MPa, 石灰岩混凝土和玄武岩混凝土的强度分别降低5.0 和3.2 MPa。掺入石粉后引起上述强度变化的原因 主要有:①石粉含量为2 时,一方面由于石粉细 小,粒径大于胶凝材料但小于细集料,在混凝土中 起到微集料填充效应,另一方面较细的石粉颗粒可 作为水泥水化过程中的“晶核”,能够加速水泥中 的GS水化,从而促进强度增长L5];②当石粉含 量超过2 后,随着石粉含量的增加,粗骨料界面 少量水使得界面处混凝土水化的更充分,削弱了粗 骨料表面较大量的石粉对界面强度的消极影响。 2.2.2石粉含量对混凝土劈裂抗拉强度的影响 图4给出了不同粗骨料、不同石粉含量混凝土 劈裂抗拉强度的试验结果。 石粉含量,% 图4不同石粉含量混凝土的劈裂抗拉强度 从图4可以看出,相同配合比的3种粗骨料混 凝土劈裂抗拉强度均随着石粉含量的增加呈先增大 后减小趋势,在石粉含量4 时劈裂抗拉强度达到 最大值。 在不掺石粉时,3种骨料混凝土中玄武岩混凝 土的劈裂抗拉强度最高,达到4.16 MPa,其次为 石灰岩混凝土3.O8 MPa,碎卵石混凝土的劈裂抗 拉强度最低,只有2.83 MPa。掺人石粉的上述3 种骨料混凝土,在相同石粉掺量条件下的强度分布 规律也与不掺石粉相同。这可能主要与粗骨料母岩 强度有关。3种骨料母岩的强度顺序为玄武岩>石 灰岩>碎卵石,玄武岩骨料和石灰岩骨料同为表面 粗糙的碎石,玄武岩的强度高于石灰岩,因此界面 粘结强度也是玄武岩混凝土高于石灰岩混凝土。碎 卵石不仅骨料的强度低于石灰岩骨料,而且存在部 分天然形成的较为光滑的表面,削弱了粗骨料与水 泥基体的粘结,因此其劈裂抗拉强度最低。 石粉含量在0~4 范围内,3种骨料的劈裂抗 拉强度随着石粉含量的增加而增大。石粉含量4 时,劈裂抗拉强度达到最大值,玄武岩混凝土为 4.87 MPa、石灰岩混凝土为4.34 MPa、碎卵石混 凝土为3.64 MPa。其中:石灰岩混凝土较未掺石 粉时其劈裂抗拉强度提高了1.26 MPa,增幅达到 41 ,碎卵石提高了0.81 MPa,其增幅达到 28 ,玄武岩混凝土只提高了0.71 MPa,增幅为 30 中国铁道科学 第34卷 17 。当石粉含量超过4 增加到6 时,3种粗 骨料混凝土的劈裂抗拉强度均随石粉掺量的增加而 下降,石粉含量6 时石灰岩混凝土和玄武岩混凝 图6给出了不同粗骨料、不同石粉含量混凝土 电通量的试验结果,其中碎卵石混凝土为84 d的 电通量值,石灰岩和玄武岩混凝土为56 d的电通 土强度仍高出不掺石粉混凝土1.23和0.50 MPa, 而碎卵石混凝土降至不掺石粉混凝土的水平。与抗 压强度不同,石粉含量在0~4 时劈裂抗拉强度 随石粉含量的增加而提高,并且提高幅度较大。其 原因是:①石粉的微集料效应在4 含量时达到最 佳,并且石粉填充的积极作用对劈裂强度的贡献大 于对抗压强度的贡献;②石粉改善了混凝土的黏聚 性和保水性,使得富集于碎石表面的泌水减少,降 低了混凝土界面过渡区的厚度,提高了混凝土的劈 裂抗拉强度[2 ;③石粉的存在可以减少混凝土中的 微气孔,吸附在粗骨料表面的石粉可以增大骨料之 间的摩擦力;④粗骨料母岩强度玄武岩>石灰岩> 碎卵石,造成玄武岩混凝土的劈裂抗拉强度远远大 于石灰岩和碎卵石混凝土,碎卵石中由于存在天然 形成的光滑表面,影响了粗骨料与水泥基体的粘 结,对劈裂强度有削弱作用。 2.2.3石粉含量4 时混凝土静力受压弹性模量 图5为3种粗骨料石粉含量为4 时C50混凝 土的静力受压弹性模量对比结果。由图5可知,粗 骨料中石粉含量为4 时,玄武岩、石灰岩和碎卵 石骨料混凝土的静力受压弹性模量分别为42.8, 41.4和35.6 GPa。由此可知,玄武岩骨料混凝土 的受压弹性模量最高,碎卵石混凝土最低,前者比 后者高出2O ,比石灰岩骨料混凝土高3.3 。其 主要原因如下:粗骨料的弹性模量对混凝土弹性模 量具有正相关的影响,3种骨料中玄武岩骨料的弹 性模量最大;碎卵石骨料中存在天然形成的光滑表 面,影响了粗骨料与水泥基体的粘结,对弹性模量 产生一定影响,因此碎卵石骨料混凝土的静力受压 弹性模量最低。 X5O S50 混凝土类型 图5不同岩性骨料混凝土的弹性模量 2.3石粉含量对混凝土耐久性的影响 2.3.1 电通量 量值。 图6石粉含量对电通量的影响 从图6可以看出,玄武岩混凝土电通量值随石 粉含量的增多逐渐减小,未掺石粉时电通量为907 c,石粉含量为6 时降至792 C,降幅达到了 12.7 9,6。碎卵石混凝土电通量值随石粉含量的增多 呈先减小后增大的变化规律,当石粉含量为2 和 4 9,6时,电通量分别降至589 C和531 C,降幅分别 为9.2 和18.2 ,石粉含量为6 时电通量又较 大幅度的增加;石灰岩混凝土电通量值随石粉含量 的增加呈先增大再减小,然后又增大的趋势,并且 石粉含量为2 ,4 和6 9/6时的电通量均大于未掺 石粉时的电通量值,分别增大了12.6 ,6.3 和 17.7 。3种骨料混凝土在相同石粉含量条件下, 理论上应为碎卵石混凝土的电通量高于石灰岩和玄 武岩混凝土,但是试验结果与此相反,其主要原因 来自于电通量测定龄期,前者长于后两者。 石粉主要通过两方面因素影响混凝土的电通 量:一方面粗骨料表面吸附石粉会降低骨料与水泥 砂浆的粘结;另一方面石粉的微集料效应增强水泥 砂浆的密实度。碎卵石和玄武岩混凝土的电通量变 化主要是这两种因素相互作用的结果。石灰岩混凝 土2 石粉含量比未掺石粉的电通量值大,可能是 此时混凝土泌水使粗骨料与水泥砂浆界面粘结减 弱,削弱了上述两种因素的影响。 2.3.2抗冻性 图7给出了石粉掺量为4 的3种粗骨料C50 高性能混凝土的抗冻试验结果。 从图7中可以看出,C50高性能混凝土的抗冻 性能排序为玄武岩混凝土>石灰岩混凝土>碎卵石 混凝土。冻融循环300次后碎卵石混凝土相对动弹 性模量为55.6 ,石灰岩混凝土相对动弹性模量 第4期 粗骨料石粉含量对C5O高性能混凝土性能的影响研究 31 以起到减水作用,有助于改善C50高性能混凝土 的流动性;石粉含量超过2 时,石粉的需水率大 删 翊i 融 靛 幅度提高,随着石粉含量的增加流动性降低。3种 粗骨料混凝土中掺人石粉均降低新拌混凝土的坍落 度和扩展度,但是有助于改善其保水性和黏聚性。 (2)3种粗骨料C50高性能混凝土的抗压强度 和劈裂抗拉强度均随着石粉含量的增加呈先增大后 减小的规律。3种粗骨料混凝土的抗压强度在石粉 图7不同岩性骨料混凝土相对动弹性模量损失 含量2 时达到最大,劈裂抗拉强度在石粉含量 4 时达到最大。粗骨料的品种对混凝土受压弹性 模量的影响较大,石粉含量4 时3种粗骨料混凝 为79.3 ,而玄武岩混凝土相对动弹性模量的下 降量很小,其值始终大于95 。其主要原因是粗 骨料本身力学特性与吸水率对混凝土抗冻性影响较 大。玄武岩骨料的强度及坚固性高于石灰岩骨料, 因此其混凝土的抗冻性优于石灰岩混凝土。碎卵石 混凝土由于碎卵石表面存在部分光滑的表面,影响 界面的粘结,同时其吸水率大于玄武岩和石灰岩骨 料,因此抗冻性比后两者差。 土的静力受压弹性模量大小排序为玄武岩混凝土> 石灰岩混凝土>碎卵石混凝土。 (3)石粉含量在O~6 范围内,3种粗骨料混 凝土的电通量均在1 000 C以下,混凝土的密实性 较好;石粉含量在0~4 范围内,玄武岩混凝土 与碎卵石混凝土的电通量随石粉含量的增加而降 低,石粉含量超过4 后玄武岩混凝土的电通量增 大;石灰岩混凝土掺人石粉后电通量增大。 (4)粗骨料品种对混凝土的抗冻性影响较大, 在石粉含量为4 时,300次冻融循环后玄武岩混 凝土的相对动弹性模量仍保持在95 以上,而碎 卵石混凝土的抗冻性已降至60 以下。 文 献 3结论 (1)粗骨料石粉含量低于2 时,在玄武岩和 碎卵石骨料中掺入石粉有助于填充体系的空隙,可 参 考 Eli 祝和权,李海燕,杜存山.既有铁路钢筋混凝土桥梁病害原因分析及材料劣化的评估和防治EJ].中国铁道科 学,2004,25(6):59-64. 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(WANG Weidong,WANG Yuli.Researching Development of Influence of Limestone Powder on the Machine-Made Sand oncrCete Perfofnance[J].Ready-iMixed oncrCete,2010(5):29-34.in Chinese) Effect of the Stone Powder Content in Coarse Aggregate on the Properties of C50 High Performance Concrete AN Mingzhe,SU Yang,WANG Yue,HAN Song,YU Ziruo (School of Civil Engineering,Bering Jiaotong University,Bering 100044,China) Abstract:The influences of stone powder contents in basalt gravel,limestone gravel and crushed pebble aggregates on the workability,mechanical properties and durability of C50 high performance concrete were studied through laboratory test methods.Results show that the slump flow of fresh concrete decreases with the increase of the stone powder content,the cohesion and water retention are also improved;but the flowability reaches the maximum when the stone powder content iS 2 ,then decreases with the increase of stone powder content.The compressive strength and splitting tensile strength of C50 concrete with three kinds of aggregates all first increases,and then decreases with the increase of stone powder content,the compressive strength reaches the maximum when stone powder content is 2 ;moreover,the splitting ten— sile strength reaches the maximum when stone powder content is 4 .The type of coarse aggregate has a significant effect on the compressive modulus of elasticity of C50 concrete,the influence level is basalt con— crete>limestone concrete>crushed pebble concrete when stone powder content iS 4 .While the stone powder content is in the range of 0~6%,the electric flux of C50 concrete with three kinds of coarse aggre— gates are all below 1 000 C。which indicates the compactness of these concretes are satisfactory.The frost resistance of C50 concrete with 4 pebble iS the worst. stone powder content presents that basalt iS the best while crushed Key words:High performance concrete;Coarse aggregate;Stone powder;Content;Workability;Me— chanical property;Durability (责任编辑吴彬)