人工砂石粉含量對混凝土性能的影響

陳靜，鄧國才，文霞

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院科研所，成都610072)

人工砂石粉含量對混凝土性能的影響

陳靜，鄧國才，文霞

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院科研所，成都610072)

大理巖骨料經過破碎后石粉含量達到40%以上，經過處理后使人工砂中保留了20%左右的石粉，控制大理巖人工砂中石粉含量和細度模數的波動范圍是很困難的，本文主要探討人工砂細度模數和石粉含量如何影響混凝土性能，人工砂的石粉含量根據工程的具體設計要求可控制的范圍如何確定等問題。

人工砂；石粉；混凝土；性能；控制標準

1 前言

水工混凝土人工砂中石粉是指加工前經除土處理，加工后形成粒徑小于0.16mm顆粒，其礦物組成和化學成分與被加工母巖相同的物質。人工砂石粉與天然砂中的泥成分不同、粒徑分布不同,在混凝土中所起的作用亦不同。天然砂中的泥對混凝土是有害的，必須嚴格控制其含量。而人工砂中適量的石粉對混凝土是有益的，有適量石粉的存在,彌補了人工砂配制混凝土和易性差的缺陷。同時，它的摻入對完善混凝土特細骨料的級配、提高混凝土密實性都有益處，進而起到提高混凝土綜合性能的作用。

目前，對于石粉含量的控制范圍尚存在一定的爭議，《水工混凝土施工規范》DL/T5144-2001規定：“人工砂石粉含量宜控制在6%～18%”。我國倡導建設資源節約型、環境友好型社會，然而混凝土的大量使用，使自然資源遭受到前所未有的破壞。人工骨料也是一種自然資源，其開采是對環境的一種破壞，為了使人工砂石粉含量滿足規范要求，而盲目地將石粉洗掉，不僅增加了污染物的排放量，而且造成很大的資源浪費。其實，人工砂石粉中粒徑小于0.16mm的顆?？梢砸暈橐环N摻合料，是否表現為一定的活性尚待研究，選擇適當的石粉含量可以改善混凝土和易性和提高混凝土密實性，對提高混凝土性能有利。

錦屏大壩混凝土施工使用的細骨料為大理巖人工砂，從目前機制砂的生產加工情況和工況來看，大理巖骨料經過破碎后石粉含量達到40%以上，經過處理后使人工砂中保留了20%左右的石粉，但仍有20%以上的大理巖石粉被廢棄，從工程成本上講，是一個很大的浪費。三灘砂石骨料系統生產的人工砂石粉含量存在較大的波動，部分已超過規范和錦屏工程對人工砂石粉含量的要求。本文采用石粉含量15%左右的人工砂作為基準砂，通過人工添加石粉配制成試驗預定石粉含量，石粉含量變化范圍為15%～25%，人工翻拌均勻，將其作為研究對象。

2 混凝土原材料及基本性能

試驗采用峨勝P·MH42.5級水泥，其化學成分及物理性能指標見表1。采用宣威Ⅰ級粉煤灰，其化學成分及物理性能指標見表2。人工細骨料采用三灘骨料系統生產的大理巖人工砂做為基準砂，其物理性能指標見表3。人工粗骨料采用“印把子”骨料系統生產的石英砂巖碎石，其物理性能指標見表4。減水劑采用江蘇博特新材料公司JM-II緩凝高效減水劑，其性能指標見表5。引氣劑采用山西黃河新型化工有限公司HJAE-A引氣劑，其性能指標見表6。

表1 水泥化學成分及物理性能

表2 粉煤灰化學成分及物理性能

表3 人工細骨料物理性能

表4 人工粗骨料物理性能

表5 減水劑性能（摻量0.6%）

表6 引氣劑性能（摻量0.4 /萬）

表7 混凝土拌合物試驗成果

3 人工砂石粉含量對混凝土性能影響試驗研究

3.1 人工砂石粉含量對混凝土拌合物的影響

采用級配比例為：特大石∶大石∶中石∶小石=35∶25∶20∶20的四級配混凝土進行試驗，選擇水膠比0.47，粉煤灰摻量35%，與不同石粉含量的人工砂組合進行試驗性能研究，并進行混凝土拌合物坍落度損失、含氣量損失、泌水率、凝結時間等性能試驗?；炷涟韬衔锾涠瓤刂圃?0～70mm，含氣量控制在4%～6%，引氣劑摻量根據含氣量調整，同時對20.6%石粉含量人工砂進行砂率調整試驗。

混凝土配合比參數及拌合物試驗結果見表7。人工砂石粉含量與單位用水量的關系見圖1，人工砂石粉含量對混凝土坍落度保留率的關系見圖2，混凝土拌合物泌水率與石粉含量關系見圖3，混凝土拌合物泌水率與砂率的關系見圖4。

圖1 石粉含量與單位用水量的關系圖

圖2 混凝土拌合物時間－坍落度保留率關系圖

圖3 混凝土拌合物泌水率－石粉含量關系圖

圖4 混凝土拌合物泌水率－砂率關系圖

試驗表明：（1）隨著人工砂石粉含量增加，混凝土用水量也相應增加。如果根據人工砂的石粉含量的變化，及時調整混凝土拌合物的砂率，可以達到降低混凝土單位用水量增加值的目的；在引氣劑摻量不變的情況下，混凝土含氣量隨著石粉的增加減小，含氣量最大值與最小值相差變化不大；石粉含量20.6%保持單位用水量不變，砂率每增減1%，坍落度減增10mm。從出機口拌合物看，合適的砂率基礎上降低砂率，混凝土的保水性、粘聚性變差，混凝土骨料易離析。

（2）用不同石粉含量的人工砂拌制混凝土，通過進行混凝土配合比的調整，在保證混凝土水膠比不變的情況下，可以達到滿意的和易性，同時，混凝土拌合物的坍落度保留率基本一致。

（3）混凝土泌水率隨著人工砂石粉含量的增加而降低，人工砂的石粉含量對混凝土拌合物的泌水性能比較敏感，用不同石粉含量的人工砂拌制混凝土，對混凝土凝結時間、含氣量影響較小。

（4）混凝土泌水率隨著混凝土砂率的增加而降低，混凝土砂率對混凝土拌合物的泌水性能也比較敏感，相同原材料混凝土調整砂率對混凝土的坍落度損失、含氣量、凝結時間影響較小。

3.2 人工砂石粉含量對混凝土力學性能的影響

人工砂石粉含量對混凝土抗壓強度的影響見圖5，對混凝土劈拉強度的影響見圖6，不同石粉含量混凝土抗壓強度發展見圖7。從試驗結果可以看出：當石粉含量在15.2%～25.6%范圍內時，通過混凝土配合比的調整，保證混凝土的水膠比不變，混凝土各齡期抗壓強度和劈拉強度基本一致；各齡期發展系數基本一致；砂率變化對混凝土各齡期的強度也沒有明顯的影響；總體上看，人工砂石粉含量變化、砂率調整對混凝土強度影響不明顯。

圖5 不同石粉含量對混凝土抗壓強度的影響

圖6 不同石粉含量對混凝土劈拉強度的影響

圖7 不同石粉含量混凝土抗壓強度發展

極限拉伸和彈性模量是水工大體積混凝土的重要特性。極限拉伸大小直接顯示了混凝土抗裂能力，從提高混凝土抗裂考慮，希望混凝土的極限拉伸大些，彈性模量要小些。人工砂石粉含量變化對混凝土極限拉伸值的影響見圖8，對混凝土彈性模量強度的影響見圖9，對混凝土軸拉強度的影響見圖10。從試驗結果可以看出：石粉含量從15.2%變化到25.6%時，混凝土極限拉伸、彈性模量值差異不大；當石粉含量在20.6%時，混凝土90d、180d齡期的極限拉伸值最高，隨著石粉含量的降低或增加，混凝土180d極限拉伸值均略有降低；當石粉含量在20.6%時，混凝土90d、180d齡期彈性模量最大；當石粉含量在20.6%時，混凝土90d、180d齡期的軸拉強度最高，隨著石粉含量的降低或增加，混凝土90d、180d軸拉強度均略有降低。

圖8 石粉含量變化對混凝土極限拉伸值的影響

3.3 人工砂石粉含量對混凝土耐久性能的影響

混凝土抗滲和抗凍性是耐久性的重要指標，從人工砂石粉含量對混凝土抗滲和抗凍性試驗成果可以看出（見表8）：所有混凝土的抗凍等級均大于F300,抗滲等級大于等于W16。石粉含量的變化對抗凍、抗滲性能影響較小。

圖9 石粉含量變化對混凝土彈性模量的影響

圖10 石粉含量變化對混凝土軸拉強度的影響

表8 混凝土抗滲和抗凍試驗成果表

混凝土在恒溫絕濕條件下，由于膠凝材料的水化作用而引起的體積變形稱為自生體積變形。混凝土的自生體積變形對大壩混凝土的抗裂性有著不可忽視的影響。從人工砂石粉含量對混凝土自生體積變形的影響圖11和以往觀測資料可以分析出：混凝土自生體積變形有單純膨脹、單純收縮、先脹后縮和先縮后脹等幾種形式，從防止大體積混凝土裂縫出發，希望混凝土是微膨脹型，利用微膨脹產生的預壓應力，以補償混凝土降溫時的收縮，防止或減少大體積混凝土產生裂縫。不同石粉含量混凝土的自生體積變形規律一致，石粉含量對混凝土的自生體積變形影響較小。

干燥收縮是指混凝土停止養護后，在不飽和的空氣中失去內部毛細孔和凝膠孔的吸附水而發生的不可逆收縮，它不同于干濕交替引起的可逆收縮。當外界環境的相對濕度低于100%時，材料就會開始失水，體積就開始收縮，隨著環境中相對濕度的降低，水泥漿體的干縮增大；當相對濕度小于30%時，吸附水大部分就會逸去，也會引起體積的收縮。

在條件相同的情況下，混凝土用水量越少，它在干燥過程中所失去的水也越少，干縮也越小。在保持混凝土水膠比不變、坍落度大致相當情況下，隨著人工砂石粉含量的增加，混凝土的用水量增加，而對混凝土干縮影響最重要的因素是單位體積用水量。從圖12可以看出：石粉含量變化對混凝土干縮有著一定的影響，混凝土干縮值隨著石粉含量的增加略有增大。

圖12 混凝土干縮試驗成果

3.4 人工砂石粉含量對混凝土熱物理性能的影響

混凝土熱物理性能包括混凝土的絕熱溫升、比熱、導溫系數。熱物理性能對大體積混凝土十分重要，是壩體溫度應力和裂縫控制計算的重要參數，混凝土絕熱溫升與配合比關系很大，是優化混凝土配合比的重要根據之一，其他熱物理性能與混凝土所用材料性能有關，特別是與用量占混凝土80%左右的骨料關系很大，混凝土配合比對熱物理性能也有一定影響。從人工砂石粉含量對混凝土熱學性能的試驗成果表9可以看出：石粉含量變化對混凝土熱學性能影響大致相當。

表9 石粉含量對混凝土熱學性能試驗成果

絕熱溫升試驗是混凝土在與外界不出現熱交換條件下，混凝土的溫升試驗結果。由于混凝土是熱的不良導體，且由于大壩混凝土澆筑塊體積很大，澆筑塊內水泥水化的熱量不易散失，所以實驗室內試驗時近似認為大壩混凝土不向外界傳熱。絕熱溫升試驗結果從某種程度上體現大壩混凝土澆筑后壩體的溫升情況。從人工砂石粉含量對混凝土絕熱溫升影響試驗結果表10可以看出：石粉含量變化對混凝土絕熱溫升影響較小。

表10 石粉含量對混凝土絕熱溫升影響試驗結果

4 人工砂石粉含量控制標準之初步探討

錦屏人工砂石粉含量現狀。錦屏大壩混凝土施工用人工砂的石粉含量很高，如果按照《水工混凝土施工規范》(DL/T5144-2001)規定：“人工砂石粉含量宜控制在6%～18%”來評定，人工砂合格率很低?？刂迫斯ど暗馁|量，其目的就是使混凝土的質量滿意，通過解決骨料問題達到解決混凝土問題的目的。錦屏工程大壩混凝土存在水化熱高、收縮率大等問題，因此，混凝土的溫控和防裂是混凝土施工的一個關鍵技術。當然，混凝土裂縫的預防措施是綜合性的措施，或者說多種措施一起采用。根據采用措施的情況，一般可分為設計上的措施和施工中采取的措施。選擇合適的工程材料，通過對混凝土施工配合比的合理設計與優化，采取了一定的技術途徑，可以防止大體積混凝土塑性裂縫及溫度裂縫的產生。

混凝土材料抗裂性的影響因素。影響大壩混凝土抗裂性的因素很多，一是根據工程特點來分析。錦屏工程大壩混凝土存在水化熱高、收縮率大等問題，因此，混凝土的溫控和防裂是混凝土施工的一個關鍵技術。當然，混凝土裂縫的預防措施是綜合性的措施，或者說多種措施一起采用。根據采用措施的情況，一般可分為設計上的措施和施工中采取的措施。選擇合適的工程材料，通過對混凝土施工配合比的合理設計與優化，采取了一定的技術途徑，可以防止大體積混凝土塑性裂縫及溫度裂縫的產生。

混凝土材料抗裂性的影響因素。影響大壩混凝土抗裂性的因素很多，歸納起來可分為兩類：一類是對混凝土抗裂性有利因素，如混凝土極限拉伸、抗拉強度、徐變、膨脹型自生體積變形；另一類為對混凝土抗裂不利因素，如混凝土干縮、溫度變形，收縮型自生體積變形，而拉伸彈模在極限拉伸變形中反映。綜合以上影響因素，如何表征混凝土抗裂性，一般采用抗裂指數這個參數來表達。在2003年黃國興先生在對三峽大壩混凝土進行抗裂性分析時提出以下抗裂指數計算公式

式中 C——混凝土徐變度，10-6/MPa；

G——自生體積變形，×10-6，膨脹取正值、收縮取負值；

εp——混凝土極限拉伸，×10-6；

Rl——混凝土軸拉強度，MPa；

a——為線膨脹系數，10-6/℃；

Tr——混凝土水化熱溫升，℃；

εs——混凝土干縮率，×10-6。

此公式考慮影響因素全面，物理意義明確，分子是在拉應力作用下混凝土產生的極限拉伸變形與徐變變形，還有混凝土本身的自生體積變形（膨脹取正值、收縮取負值）；而分母為在溫度與相對濕度變化作用下混凝土發生的有害收縮變形——溫度變形與干縮變形。顯然兩者比值愈大，表明混凝土抗裂指數大、混凝土抗裂性好。

計算用不同石粉含量的人工砂配制的混凝土的抗裂指數，試驗成果見圖13。

圖13 不同石粉含量人工砂配制的混凝土抗裂指數

從圖13可以看出，隨著石粉含量的增加，混凝土的抗裂指數呈下降趨勢。當石粉含量大于20.6%時，混凝土抗裂指數呈直線下降趨勢，當石粉含量在15.2%～20.6%時，混凝土抗裂指數呈平緩下降。

通過以上人工砂細度模數和石粉含量變化對混凝土性能影響試驗，結合錦屏大壩混凝土存在水化熱高、收縮率大以及葛洲壩錦屏三灘右岸骨料加工系統目前制砂狀況等環境成本綜合因素考慮，參考混凝土抗裂指數試驗成果，推薦錦屏大壩混凝土人工砂石粉含量控制上限為20%。當人工砂石粉含量上限為20%時，可以防止大體積混凝土塑性裂縫及溫度裂縫的產生，也有利于生態環保，提高自然資源的利用率。

5 結論

通過人工砂石粉含量對混凝土性能的影響試驗研究，得出以下結論：

（1）隨著人工砂石粉含量的增加，保持混凝土水膠比、砂率、拌合物和易性相同，混凝土的單位體積用水量增加。從試驗成果分析，人工砂石粉含量在15%～25%范圍內，石粉含量每增加1%，混凝土單位用水量增加0.6kg。

（2）用不同石粉含量拌制的混凝土拌合物的坍落度保留率基本一致；混凝土泌水率隨著人工砂石粉含量的增加而降低，人工砂石粉含量的變化對混凝土拌合物的泌水性能比較敏感；人工砂石粉含量的變化對混凝土凝結時間、含氣量影響較小。

（3）人工砂石粉含量的變化對混凝土力學性能、變形性能、耐久性能、熱學性能影響不明顯，存在對應人工砂某一石粉含量下配制的混凝土單項性能最優現象。但石粉含量變化對混凝土干縮有著一定的影響，混凝土干縮值隨著石粉含量的增加而增大。

（4）通過綜合考慮混凝土的性能，混凝土人工砂石粉含量控制范圍為6%～20%，可達到保證大體積混凝土性能，同時有利于資源利用的目的。

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[單位地址]四川省成都市浣花北路1號(610072)

陳靜，女，工程師，中國水電顧問集團成都勘測設計研究院科研所，現從事混凝土試驗檢測及科研工作。