機(jī)制砂中石粉含量對混凝土性能的影響

杜鳳英，李海波，張秀芝

（1. 中交一航局第一工程有限公司，天津 300456；2. 濟(jì)南四建混凝土有限公司，山東 濟(jì)南 250031；3. 濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022）

0 前言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的加強(qiáng)，天然砂資源越來越匾乏，使用機(jī)制砂已成為必然趨勢。機(jī)制砂(Manufactured Sand)被定義為：由機(jī)械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75mm 的巖石顆粒。目前，機(jī)制砂作為一種新型的建筑用砂，已被正式列入國家標(biāo)準(zhǔn)[1]。早在20 世紀(jì)60 年代，我國的一些行業(yè)和地區(qū)的工程建設(shè)中，已經(jīng)開始使用機(jī)制砂[2]。但是，機(jī)制砂在生產(chǎn)過程中會不可避免地產(chǎn)生較多石粉，這與天然砂有著顯著的區(qū)別。近幾年來，在高石粉含量機(jī)制砂的混凝土的性能和應(yīng)用方面開展了一些研究[3-5]，但是，這遠(yuǎn)不能滿足各種水泥基復(fù)合材料發(fā)展與應(yīng)用的需要。

石粉是機(jī)制砂中粒徑小于0.075mm 的微細(xì)顆粒。石粉與泥粉有所不同，它與機(jī)制砂為同一母巖，礦物組成相同，是機(jī)制砂的一部分，是機(jī)制砂的級配組成。由于外觀上的原因，很多人對含有一定量的石粉的機(jī)制砂存在疑慮，對機(jī)制砂中的石粉缺乏了解和認(rèn)識，盲目地洗走石粉，這樣既浪費(fèi)了水資源又破壞了機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)與顆粒級配。因此，合理地利用機(jī)制砂中的石粉既能改善砂漿的性能，又能節(jié)約資源，減少環(huán)境污染。

凍融交替作用是我國北方地區(qū)，特別是東北、西北嚴(yán)寒地區(qū)混凝土破壞最常見的一個(gè)因素[6]。因此，混凝土抗凍性能是北方地區(qū)混凝土耐久性評價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。目前有關(guān)石粉對混凝土抗凍性能影響的研究并不多，且沒有相一致的結(jié)論。本文研究了機(jī)制砂中石粉量對混凝土抗凍性能的影響，同時(shí)還對石粉含量對混凝土工作性能及強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥（C）：P·O42.5，其粒度分布見圖1。

機(jī)制砂（MS）：屬于石灰石制機(jī)制砂，各項(xiàng)指標(biāo)見表1。

石粉（LSP）：與機(jī)制砂同石料，化學(xué)組成見表2，粒度分布見圖1。

粉煤灰（FA）：Ⅱ級粉煤灰，化學(xué)組成見表2，粒度分布見圖1。

混凝土外加劑（A）：聚羧酸減水劑，固體含量為40%，摻量為水泥質(zhì)量的0.6%。

1.2 配合比

選取在機(jī)制砂生產(chǎn)過程中被水沖洗掉的石粉，添加到無石粉的機(jī)制砂中，配制出不同石粉含量的機(jī)制砂，并對其性能進(jìn)行研究。不同石粉含量的機(jī)制砂配制混凝土配合比保持一致，即水灰比一致，砂率保持一致，外加劑摻量相等，粉煤灰替代率20%，超量系數(shù)1.2。

表1 機(jī)制砂性能

表2 水泥、粉煤灰及石粉的組成 %

表3 混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土工作性能按GB 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試；硬化混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度按GB 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的相關(guān)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。抗凍性能按GB/T50082-2008《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的相關(guān)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用快速凍融循環(huán)法。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)制砂摻量對新拌混凝土性能

由表4 可知，在不同的石粉含量時(shí)，新拌混凝土性能均較好。隨著石粉含量的增加，出機(jī)坍落度減小，坍落度損失也呈增大的趨勢。這是由于石粉吸附了一部分減水劑和水，使新拌混凝土中自由水減少，致使流動性降低，經(jīng)時(shí)坍落度損失也降低。

表4 新拌混凝土性能

用于配制混凝土所用的機(jī)制砂一般由巖石經(jīng)開采—機(jī)械破碎—篩分而成。在生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生10%～15%左右的石粉。石粉是一種比表面積較大的物質(zhì)，在相同水泥用量、相同坍落度的機(jī)制砂混凝土中，隨著機(jī)制砂中石粉含量的增加，總的比表面積增大，需水量增加。但是在單位水泥用量較少的情況下，拌和物有離析現(xiàn)象，保水性能較差。當(dāng)機(jī)制砂中含有適量石粉時(shí)，起滾珠作用的細(xì)顆粒增加，改善了混凝土的和易性，相同坍落度情況下減少了用水量，提高了強(qiáng)度，但這時(shí)石粉含量仍有一個(gè)最優(yōu)值。超過最優(yōu)值后，會增加單位用水量，降低混凝土強(qiáng)度。

2.2 石粉含量對混凝土強(qiáng)度的影響

表5 機(jī)制砂石粉含量對混凝土強(qiáng)度的影響

從表5 可以看出，在水灰比一致的情況下，隨著石粉含量的增加，強(qiáng)度呈先增加后下降的趨勢。石灰?guī)r質(zhì)石粉在一定的摻量范圍內(nèi)，可以提高試件的抗壓強(qiáng)度。這是由于石粉顆粒小，硬化后能夠使孔隙率減小，并且石灰石粉的微集料效應(yīng)和微晶核效應(yīng)能夠使C-S-H 和Ca(OH)2包裹在CaCO3顆粒表面，有利于增強(qiáng)界面的粘結(jié)作用，同時(shí)降低了液相離子的濃度，加速了C3S 的水化作用，有利于硬化后強(qiáng)度的形成。但是隨著機(jī)制砂中石粉含量的增加，當(dāng)摻量超過10%后，混凝土的抗壓強(qiáng)度也會隨之降低。因?yàn)槭圩鳛橐环N填充性的細(xì)集料，隨著含量的增加，比表面積增大，在水泥漿用量一定的情況下，使集料的粘性減小，黏聚力降低，最終導(dǎo)致試件抗壓強(qiáng)度的降低，并且在硬化后期抗壓強(qiáng)度下降幅度更為明顯。

2.3 石粉對抗凍融性能的影響

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對摻加不同石粉的混凝土進(jìn)行200 次凍融循環(huán)，試實(shí)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 石粉含量對混凝土抗凍融性能的影響

由圖可以看出隨著石粉含量的增加，經(jīng)凍融循環(huán)后混凝土質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失均有先減少后增大的趨勢，且兩者變化趨相同。當(dāng)石摻量為5%和10%時(shí)，機(jī)制砂混凝土的抗凍性能最好，之后隨著石粉含量的增強(qiáng)，經(jīng)凍融后混凝土的質(zhì)量損失與強(qiáng)度損失均增大，抗凍性能下降。

圖3 石粉對混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的影響

由圖3 可知，機(jī)制砂中適量的石粉能夠明顯改善硬化后漿體的孔結(jié)構(gòu)，石粉砂漿的抗凍性明顯的優(yōu)于普通砂漿，并且砂漿強(qiáng)度等級越高，抗凍性越好。機(jī)制中石粉的含量對抗凍性有較大的影響所以根不同的工程需要合理選擇石粉的摻量。

2.4 石粉在混凝土中的作用

石粉在混凝土中的作用有兩個(gè)方面[7]：一是能起到微集料的作用，對水泥的早期水化有促進(jìn)作用，石灰石石粉在水泥水化過程中可起到晶核作用,誘導(dǎo)水泥的水化產(chǎn)物析晶，加速水泥水化；二是石灰石石粉對鈣礬石向單硫型轉(zhuǎn)化有阻止作用，生成水化碳鋁酸鈣(C3A·CaCO3·11H2O)，增加混凝土早期強(qiáng)度。除以上兩個(gè)作用外，本實(shí)驗(yàn)還得出一個(gè)結(jié)論：適量的石粉能夠改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，提高抗凍性能。

3 結(jié)論

針對本實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

（1）機(jī)制砂中含有適量的石粉能夠優(yōu)化砂的級配，改善混凝土的工作性能。當(dāng)石粉含量在5%～10%時(shí)，石粉含量對新拌混凝土性能影響不大。

（2）機(jī)制砂中含有適量的石粉能夠明顯改善預(yù)拌砂漿硬化后的性能。在保證水膠比不變的情況下：石粉含量在5%～10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高。

（3）適量的石粉可以優(yōu)化硬化水泥砂漿的孔結(jié)構(gòu)，有利于混凝土強(qiáng)度及抗凍性能的提高。混凝土隨機(jī)制砂中石粉含量的增加，抗凍性能有先增強(qiáng)，后下降的趨勢，當(dāng)石粉含量在10%～65%有利于混凝土的抗凍性能。

（4）綜合考慮機(jī)制砂中的石粉含量對混凝土的和易性、強(qiáng)度和抗凍的影響，確定機(jī)制砂中石粉的最佳含量，以便在實(shí)際工程中選擇合理的機(jī)制砂，具有顯著的科技經(jīng)濟(jì)意義。

[1]GB/T 14684-2001.建筑用砂[S].

[2]陳家瓏.人工砂—新型建筑用砂[J].新型建筑材料,2002,(6):32-34.

[3]Burak Felekolu, Kamile Tosun, Bülent Baradan, et al. The effect of fly ash and limestone fillers on the viscosity and compressive strength of self-compacting repair mortars[J].Cement and Concrete Research,2006, 36(9) :1719–1726.

[4]李興貴.高石粉含量人工砂在混凝土中的應(yīng)用[J].建筑材料學(xué)報(bào),2004,7(1):66-71.

[5]G. Ye, X. Liu , G. De Schutter, et al. Influence of limestone powder used as filler in SCC on hydration and microstructure of cement pastes[J]. Cement & Concrete Composites ,2007,29(2): 94–102.

[6]黃士元, 蔣家奮, 楊南如.近代混凝土技術(shù)[ M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社, 2002.

[7]HUANG Shiyuan, JIANG Jiafen, YANG Nanru. Modern concrete technology [M]. Xi’an: Shanxi Science and Technology Press, 2002. 193. ( in Chinese)

[8]Zhou Mingkai, Peng Shaoming, Xu Jian, et al. Effect of Stone Powder on Stone Chippings Concrete [J]. Journal of Wuhan University of Technology(Materials Sciences Edition), 1996,11 (4): 29-34.