中低強度機制砂混凝土石粉含量確定的研究

王雨利，王衛東，周明凱，李北星，劉素霞

（1.河南理工大學 材料科學與工程學院，河南 焦作454000；2.武漢理工大學 硅酸鹽工程中心教育部重點實驗室，武漢430070）

隨著中國基礎設施建設的迅猛發展和對環境保護的日益重視，現有的天然砂已經不能滿足工程建設的需要，使用機制砂配制混凝土已成為今后的發展趨勢。但機制砂與河砂相比，其顆粒表面粗糙、多棱角，且機制砂大多數級配不良，0.630～0.315mm級顆粒偏少，并含有大量粒徑小于0.07 5mm的石粉。這些石粉與母巖的化學成分完全一樣，且大量的研究表明，適量的石粉對機制砂混凝土的工作性和強度無不利的影響，甚至還可以改善混凝土的性能［1－3］。

《建筑用砂》（GB／T 14684－2001）規定：混凝土用機制砂的石粉含量分別為小于3%（大于等于C60），5%（介于C30～C60），7%（小于等于C30），但沒有給出相應的理論依據。而機制砂在生產過程中產生的石粉一般占到10%～20%，這遠高于國標中石粉含量的限值。

為此，許多人進行了石粉含量對機制砂混凝土工作性能、強度、耐久性能影響的研究［4－13］，且各自得到了相應的觀點。有的認為石粉會增加用水量［14－15］，從而對混凝土性能造成不利的影響；有的認為石粉會填充骨料空隙，不會增大用水量［16］，從而對混凝土性能改善有利；有的則認為有一個度［17－18］，不超過這個度，則對混凝土性能有利。這些觀點的差異，可能是由于采用原材料的不同造成的，也可能配合比設計不同造成的。因此，如何合理有效地確定機制砂的石粉含量，將成為機制砂配合比設計中的一個關鍵環節。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

試驗中采用華新P.C32.5和P.O42.5等水泥，水泥的各項性能指標均符合GB 175－1999標準，其主要性能指標見表1；粗集料采用湖北陽新5～25mm和5～31.5mm連續級配碎石；機制砂為福剛石灰巖機制砂，其相關性能指標見表2，其級配曲線見圖1。外加劑為武鋼浩源FDN－1高效減水劑。

表1 水泥的主要性能

表2 細集料的主要性能指標

圖1 福剛石灰巖機制砂篩分曲線

1.2 試驗方法

按《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》（GB／T50080－2002）測試新拌混凝土的坍落度。成型150mm×150mm×150mm的立方體混凝土試件，標準養護7、28d，測試其抗壓強度。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗設計及結果

1）C40泵送混凝土

固定原材料用量分別為：水泥370kg／m3，水178kg／m3，機制砂800kg／m3，碎石1 102kg／m3。調整機制砂的石粉含量分別為7%、10%、15%、20%。測試其對混凝土工作性能和抗壓強度的影響。混凝土配合比和測試結果見表3。

表3 石粉含量對機制砂混凝土性能的影響

從表3可以看出，隨著機制砂的石粉含量從7%增大到20%，混凝土的坍落度先增大，后又減小，在石粉含量為10%時，混凝土的坍落度最大；混凝土7、28d的抗壓強度也有類似的規律。因此，當石粉含量為10%、水粉比為0.40時，混凝土的工作性、抗壓強度最優。

2）C30塑性混凝土

采用P.C32.5水泥，混凝土原材料用量為：水泥330kg／m3，水165kg／m3，石灰巖機制砂743kg／m3，碎石1212kg／m3。石粉含量分別為0%、5%、10%、15%、20%。測試混凝土坍落度、抗壓強度，混凝土配合比和試驗結果見表4。

表4 采用P·C32.5水泥配制混凝土

從表4可以看出，機制砂的石粉含量從0%增大到20%，混凝土的坍落度先是增加，后又減小，在石粉含量為10%時，混凝土的坍落度最大；石粉含量對抗壓強度影響的變化規律一致。因此，當石粉含量為10%，水粉比為0.41時，混凝土的坍落度和抗壓強度最大。

采用P.O42.5水泥配制C30混凝土，其原材料用量為：水泥254kg／m3，水165kg／m3，機制砂802 kg／m3，碎石1129kg／m3，石粉含量為0%～25%，測試混凝土坍落度和抗壓強度，混凝土配合比及結果見表5。

表5 采用P·O42.5水泥配制混凝土

從表5可以看出，在石粉含量為20%、水粉比為40%時，混凝土的坍落度和抗壓強度最佳。

3）C40的路面混凝土

C40混凝土原材料用量為：水泥360kg／m3，水160kg／m3，機制砂790kg／m3，碎石1140kg／m3，其中石粉含量為1.3%、5%、7%、10%、15%。石粉含量對混凝土坍落度和抗壓強度的影響見表6。

表6 路面混凝土的配制

從表6可以看出，在石粉含量為5%、水粉比為0.40，混凝土的坍落度和抗壓強度最佳。

2.2 討論

從以上石粉含量對中低強度等級機制砂混凝土工作性能和抗壓強度的影響可以得出：無論是流態混凝土還是塑性混凝土，即使其水泥等級、水灰比不同。混凝土要獲得最佳工作性和抗壓強度，混凝土的水粉比均為0.40。

由此，在進行機制砂混凝土配合比設計時，可以通過水粉比0.4來預測機制砂的最佳石粉含量，以此為基礎上，通過試驗進一步驗證與調整。其大體步驟如下：

1）參考行業標準《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55－2000）進行配合比的初步計算，確定水灰比、砂率，各種原材料的用量等；

2）通過公式（1）來估算機制砂的石粉含量，即采用水粉比0.40來預測機制砂的最佳石粉含量；

3）通過試配來驗證與確定機制砂的最佳石粉含量。

式中：mw為用水量；mc為水泥用量；ms為砂用量；x為代表石粉最佳含量的推測值。

3 結 論

以中低強度等級石灰巖機制砂混凝土為研究對象，對比研究了石粉含量對混凝土工作性能和抗壓強度的影響。試驗結果表明，混凝土的類型不同，采用的原材料不同，可能會造成機制砂的最佳石粉不同，但對應的水粉比均為0.40。因此，結合行業標準《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55－2000），通過水粉比0.4來估測機制砂的最佳石粉含量。

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