人工砂石粉含量對混凝土性能影響的試驗研究

謝麗莉，朱永國，陳洪奎，張超

(國電大渡河猴子巖水電建設有限公司，四川康定626005)

1 概述

石粉含量是人工砂的重要指標之一，對混凝土拌合物性能、強度及耐久性等均會有影響。關于人工砂石粉含量的規定限值，不同行業、不同規范有不同的規定。電力行業標準《水工混凝土施工規范》(DL/T 5144－2001)規定的水工混凝土人工砂石粉含量為6%～18%。而國家標準《建筑用砂》(GB/T 14684－2001)規定，強度等級大于C60的混凝土宜采用Ⅰ類砂，人工砂的石粉含量應＜3%;強度等級為C60～C30并有抗凍抗滲或其他要求的混凝土宜采用Ⅱ類砂，人工砂的石粉含量應＜5%;強度等級小于C30的混凝土和建筑砂漿宜采用Ⅲ類砂，人工砂的石粉含量應＜7%，但根據使用地區和用途在試驗驗證的基礎上可由供需雙方協商確定。

猴子巖水電站二區省道S211復建公路(樞紐區段)的隧道初期支護噴混凝土(C20，約22 000 m3)、襯砌混凝土(C20，約55 000 m3)、路面基層混凝土(C20，約46 500 m2)等需要大量的砂石料。由于天然砂石料缺乏且質量難以滿足要求，因此，決定采用人工砂石料，即利用隧道開挖料進行機械破碎、篩分生產的砂石料。在實際生產中，機制砂的其它質量指標基本滿足規范要求，但石粉含量偏高。由于省道S211復建公路建成通車后需要移交地方公路部門，施工過程中需要接受地方公路系統質監站的質量監督，人工機制砂的質量控制宜依據國家標準《建筑用砂》(GB/T 14684－2001)的規定。因此，對于猴子巖水電站省道S211復建公路(樞紐區段)的隧道初期支護噴混凝土、隧道襯砌、路面基層等強度等級低于C30的混凝土，如何確定人工機制砂石粉含量的限值，作為質量檢測、質量控制的依據，需要進行試驗驗證。

2 試驗內容

2.1 試驗方法

結合猴子巖水電站省道S211復建公路(樞紐區段)隧道襯砌混凝土(泵送C25)的施工配合比，試驗分析了人工砂石粉含量對混凝土性能的影響。采用隧道開挖料生產的人工砂，用直徑0.075 mm的篩子篩除石粉后用外摻法將所篩出的石粉重新摻入已經篩除石粉的人工砂中，配制成石粉含量分別為4%、7%、10%、12%、14%的人工砂，在用水量、水泥用量、粗骨料、外加劑等原材料均不變的情況下，使用不同石粉含量的人工砂配制相同水灰比的混凝土，對比分析不同石粉含量的人工砂本身質量指標變化情況、不同石粉含量的人工砂拌制混凝土的拌合物性能以及在標準養護條件下7 d、28 d抗壓強度的試驗結果，分析人工砂石粉含量對中低強度等級混凝土性能的影響，以確定合理的人工砂石粉限值。

2.2 原材料

2.2.1 人工砂

由于料場生產工藝的影響和料源質量的波動導致料場加工的人工砂質量不穩定，為保證試驗結果的代表性和實用性，選取具有代表性的人工砂(Ⅲ標段人工砂石系統生產)，先篩除石粉，然后重新將石粉按4%、7%、10%、12%、14%的比例摻入篩除石粉的人工砂中，配制成不同石粉含量的人工砂。

試驗采用的人工砂為工程實際用砂。依據國家標準《建筑用砂》(GB/T14684－2001)，對不同石粉含量人工砂的顆粒級配分析結果見表1。由表1可以看出，不同石粉含量的人工砂除粒徑0.15 mm的累積篩余量稍低外，大都處于Ⅱ區范圍內。

表1 不同石粉含量人工砂級配表

2.2.2 人工碎石

粗骨料同樣采用Ⅲ標段人工砂石系統生產的粒徑5～31.5 mm連續級配人工碎石，表觀密度為2 810 kg/m3，含泥量為0.4%，泥塊含量為0%，顆粒級配檢測結果符合國家標準《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685－2001)。

2.2.3 水泥

水泥采用峨塔牌P·O42.5R水泥，標準稠度27.2%，初凝時間155 min、終凝時間195 min，3 d抗折強度為5.4 MPa，抗壓強度為32.6 MPa，7 d抗折強度為7.7 MPa，抗壓強度為55.7 MPa，各項指標均符合GB 175－2007標準要求。

2.2.4 外加劑

外加劑采用重慶健杰科技公司生產的WH－2A型緩凝高效減水劑，摻量為0.8%，減水率為16.8%。

2.2.5 水

拌合用水采用飲用水。

2.3 試驗采用的配合比

試驗配合比設計強度等級為C25，坍落度要求為140 mm±20 mm。試驗中以人工砂石粉含量4%且滿足混凝土設計指標為基準配合比。其余配合比材料用量除人工砂的石粉含量不同外，均與基準配合比一致。試驗配合比見表2。

表2 試驗采用的配合比表

3 試驗結果與分析

3.1 原材料試驗

3.1.1 石粉含量對人工砂堆積密度、孔隙率的影響分析

混凝土強度的影響因素之一是混凝土的密實度。相同水灰比的混凝土越密實，其強度就越高。在混凝土中，粗骨料主要起骨架作用，細骨料填充于粗骨料的縫隙，同時粗骨料、細骨料中不同粒徑的顆粒也相互填充，石粉則填充于更細小的空隙，使整個混凝土的骨料更加密實。通過分析石粉含量對人工砂堆積密度的影響，就可以間接地分析石粉含量對混凝土強度的影響。通過試驗檢測得知，不同石粉含量的人工砂，其堆積密度、孔隙率、細度模數試驗結果如表3所示，石粉含量與堆積密度關系曲線如圖1所示，石粉含量與孔隙率關系曲線見圖2。

從石粉含量與堆積密度、孔隙率關系圖可以看出，在石粉含量達到19%以前，隨著石粉含量的增大，堆積密度相應增大，孔隙率減小;當石粉含量超過19%時，隨著石粉含量的增大，堆積密度開始減小，孔隙率開始增大。這主要是因為當篩除石粉的人工砂顆粒級配一定時，人工砂中稍粗的顆粒在堆積時起骨架作用，其孔隙率也為定值;石粉含量較小時，石粉主要填充于粗顆粒的間隙，致使堆積密度逐漸增大;當石粉含量超過一定比例時，人工砂粗顆粒間的空隙已被填充充分，石粉則獨立分布于人工砂中。由于石粉粒徑相對比較單一，導致其堆積密度逐漸減小，從而導致不同石粉含量的人工砂拌制的混凝土密實度將會不同、強度也就不同。

3.1.2 石粉含量對細度模數的影響分析

通常評定人工砂的級配好壞主要是看其顆粒級配組成情況，轉化為一個定性指標就是細度模數。那么，分析石粉含量對人工砂細度模數的影響也就相當于分析石粉含量對人工砂級配的影響，石粉含量與細度模數的關系見圖3。

從石粉含量與細度模數關系圖可以看出:隨著石粉含量的增加，人工砂的細度模數成線性減小。當石粉含量小于14%時，細度模數在2.44～2.88之間，而混凝土所用人工砂一般要求為中砂，其細度模數范圍宜為2.4～2.8，因此，本試驗僅針對人工砂石粉含量在14%以內時對混凝土性能產生的影響。人工砂一般較粗，細度模數基本在3左右，適當提高石粉含量可以在一定范圍內降低人工砂的細度模數，對人工砂偏粗造成的不良影響將有所改善。

表3 不同石粉含量人工砂堆積密度、孔隙率、細度模數試驗結果表

圖1 石粉含量與堆積密度關系曲線圖

圖2 石粉含量與孔隙率關系曲線圖

圖3 石粉含量與細度模數關系曲線圖

3.2 混凝土拌合物性能試驗

根據石粉含量對混凝土坍落度、泌水率的影響進行了分析。

混凝土拌合物的主要控制指標是和易性。和易性包括流動性、粘聚性、保水性。流動性使混凝土在運輸澆筑的過程易于流動，能夠密實的填滿不同形狀的模板。粘聚性和保水性相互依存、關系緊密，粘聚性好的混凝土不容易泌水;同樣，容易泌水的混凝土其粘聚性不好，這種混凝土在運輸澆筑的過程中容易造成骨料和漿液分離，難以得到均勻密實的混凝土，混凝土的質量也難以保證。因此，和易性對混凝土的質量至關重要，分析石粉含量對混凝土和易性的影響也就十分必要。依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080－2002)，不同石粉含量的混凝土坍落度、泌水率的試驗檢測結果見表4，石粉含量與塌落度、泌水率的關系見圖4。

表4 不同石粉含量的混凝土坍落度、泌水率試驗結果表

圖4 石粉含量與坍落度、泌水率關系圖

由石粉含量與坍落度、泌水率關系圖可以看出:在混凝土配合比不變的情況下，在一定范圍內，隨著人工砂中石粉含量增大，混凝土泌水率逐漸減小，坍落度先是增加，后又減小，石粉含量在10%時達到最大。從和易性的描述可以得知:在人工砂石粉含量偏少時，混凝土的粘聚性不好，易于離析;石粉含量過多時，坍落度減少較多，混凝土將會偏粘稠，也就是說，不管是從坍落度還是從和易性來考慮，人工砂的石粉含量對混凝土的拌合物性能而言，過大和過小都不利。

3.3 石粉含量對混凝土抗壓強度的影響分析

固定水灰比為0.55，水泥用量為330 kg/m3，砂率為41%，重慶健杰WH－2A型緩凝高效減水劑的摻量為水泥質量的0.8%。人工砂的石粉含量通過石粉等質量取代人工砂取得。依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081－2002)，試驗不同石粉含量的混凝土抗壓強度結果見表5，石粉含量與混凝土強度關系曲線見圖5。

表5 不同石粉含量混凝土抗壓強度試驗結果表

從圖5可以看出，石粉含量在14%以內時，隨著石粉含量的逐漸增大，混凝土的7 d、28 d抗壓強度亦逐漸增大，這與此次使用的人工砂的堆積密度隨石粉含量增大而增大的規律相一致。

圖5 石粉含量與混凝土強度關系曲線圖

4 試驗結論

筆者通過以上試驗和分析得出以下結論:

(1)人工砂中含有適量的石粉，可以彌補由于人工砂粗糙和棱角較多而導致混凝土工作性較差的不利影響，但石粉含量并非越高越好;

(2)隨著石粉含量的增加，人工砂的細度模數呈線性下降的趨勢，當石粉含量小于19%時，石粉使人工砂的堆積密度增大，空隙率減小;當石粉含量大于19%時，隨著石粉含量的繼續增加，人工砂堆積密度減小，空隙率增大。

(3)在人工砂石粉含量不大于14%時，隨著石粉含量的增大，可以改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的抗壓強度。在配置中低強度等級混凝土時，將人工砂中石粉含量控制在14%以內，混凝土的拌合物性能及抗壓強度是能夠得到保證的。

［1］水工混凝土施工規范，DL/T 5144－2001［S］.

［2］建筑用砂，GB/T14684－2001［S］.

［3］建筑用卵石、碎石，GB/T 14685－2001［S］.

［4］普通混凝土拌合物性能試驗方法標準，GB/T 50080－2002［S］.

［5］普通混凝土力學性能試驗方法標準，GB/T50081－2002［S］.