人工機制砂混凝土石粉含量試驗研究

袁自立張國富關喜才

（1.河南省石漫灘水庫管理局 舞鋼 462500 2.河南省水利基本建設工程質量檢測中心站 漯河 462000）

1引言

機制砂作為細骨料普遍應用于各種建筑工程混凝土中，在美、英、日等國家已有30多年的歷史，其材料試驗、應用標準已比較完善。20世紀60年代，我國開始在建筑工程中采用機制砂。但是由于試驗標準與技術規范的不完善及材料試驗的滯后，我國建筑業對天然砂仍存在較強的依賴性，在許多重要結構中對機制砂的使用還存在限制條件。建筑市場用砂數量越來越大，質量上要求越來越高，而合格天然砂的資源卻越來越少，機制砂在建筑施工中大量應用勢在必行。目前，在剛剛粉碎的人工原砂中含有10%～20%的石粉，根據不同的行業標準，為滿足施工要求，機制砂只能采取電動吸塵或水洗的方法生產，尤其在石粉含量控制偏低的情況下，必須采用水洗法，水洗時洗除了機制人工砂中的大部分石粉，也要附帶損失一些小于0.63mm、甚至1.25mm以下的顆粒，降低了砂的有效用量，并使原有的0.63～0.315mm顆粒更少，同時也破壞了砂原有的級配。實際工程中發現，這樣會導致機制砂混凝土拌和物容易出現離析、泌水現象，甚至導致硬化后混凝土性能的下降。

2 人工機制砂的特性及確定石粉含量的必要性

目前，國內行業標準對機制人工砂中石粉的定義及質量技術要求存有差異。《水工混凝土試驗規程》（SL352-2006）中將石粉定義為小于0.16mm顆粒，《水工混凝土施工規范》（SDJ207-82）中石粉是指小于0.16mm的顆粒，石粉含量為6%～12%；《水工混凝土施工規范》DL/T5144-2001將石粉定義為小于0.15mm顆粒、機制人工砂石粉含量為6%～8%；《建筑用砂》（GB/T14864-2001）中將小于0.075mm顆粒稱為石粉，規定混凝土用機制人工砂的石粉含量分別小于3%（大于等于 C60）、5%（介 C30～C60之間）、7%（小于等于 C30）。實際應用中統一研究確定機制砂混凝土中石粉含量選擇范圍是實際工程亟待解決的問題。因此，通過試驗研究機制砂混凝土石粉含量意義重大。

南水北調安陽段的混凝土工程中，結合人工機制砂的實際應用對其性能進行了系統試驗研究，所用機制人工砂與天然河砂相比，機制人工砂顆粒表面粗糙、多棱角，最顯著的區別是機制人工砂中含有大量粒徑小于0.080mm的顆粒。試驗研究證明，機制人工砂與河砂中小于0.080mm的顆粒性質完全不同，后者稱為泥粉，泥粉對混凝土工作性、體積穩定性和耐久性都有不利的影響；前者稱為石粉，石粉與母巖的物理化學性質完全一樣，其對混凝土力學性能的影響有：①通過XRD分析認為，石粉中CaCO3微粒具有活性反應，即CaCO3微粒能與C3A反應生成碳鋁酸鹽；②通過TG分析認為，人工砂中的石粉在水泥水化過程中起到了晶核作用（晶核效應），加速了水泥中C3S的水化；③通過SEM分析認為，不管石粉含量的高低和齡期長短，人工砂混凝土比普通混凝土密實得多，孔隙率減少，孔結構得到改善。其主要原因是：發揮石粉的填充效應；人工砂中含有較多的石粉，人工砂混凝土的需水量大，使得在水灰比和單位用水量相同的情況下，人工砂混凝土的實際水灰比要小于普通混凝土即石粉的吸水效應；人工砂表面粗糙，帶有尖銳棱角，使得骨料與漿體咬合力得到增強，有利于漿體與骨料界面的改善即人工砂的形態效應。

因此，為使機制人工砂中石粉在混凝土中合理利用，研究人工機制砂中石粉含量對混凝土強度、耐久性的影響，確定機制人工砂中石粉的最優范圍十分必要。

3 石粉含量對混凝土力學性能的影響試驗

3.1試驗原材料

水泥采用鶴壁同力P.O42.5級水泥，主要性能指標符合GB175-1999《硅酸鹽水泥 普通硅酸鹽水泥》標準要求；粗骨料采用盤石頭水庫花尖腦砂石料廠生產的5～20mm、20～40mm碎石，二級配摻和比例40%（5～20mm）、60%（20～40mm）；細骨料采用盤石頭水庫花尖腦砂石料廠生產的機制砂，不同的石粉含量，通過室內調配；摻和料采用安陽大唐電廠生產的II級F類粉煤灰，質量指標符合《水工混凝土摻用粉煤灰技術規范》（DL/T5055-1996）對粉煤灰的技術要求；外加劑采用山西黃騰化工有限公司生產的UNF-A高效減水劑（水劑），質量指標符合《水工混凝土外加劑技術規程》（DL/T5100-1999）中技術要求。

3.2試驗方法

按SL352-2006《水工混凝土試驗規程》進行混凝土拌和物性能試驗、混凝土立方體抗壓強度試驗，檢測7d、28d抗壓、抗折強度。

3.3試驗結果

采用兩種水膠比對不同石粉含量的機制砂進行對比試驗，從中初步確定其石粉含量最優范圍。

3.3.1第一種水膠比下石粉含量對混凝土拌合物和易性的影響

表1 石粉含量對混凝土拌合物和易性影響

3.3.2第二種水膠比下石粉含量對混凝土拌合物和易性的影響

表2 石粉含量對混凝土拌合物和易性影響

從表1、表2可以看出，石粉含量為14.5%、15.3%時，混凝土拌合物和易性最好。

3.3.3兩種不同水膠比下石粉含量對混凝土抗壓強度的影響

表3 石粉含量對混凝土抗壓強度的影響

表4 石粉含量對混凝土抗壓強度的影響

表5 混凝土抗壓強度增長率

從表3、表4、表5中可以看出，以石粉含量10%配制的混凝土為基準，混凝土的抗壓強度隨著石粉含量增加，石粉含量為14.5%時，增長率最大。水膠比為0.45時，28d抗壓強度增長率為15.7%；水膠比為0.42時，28d抗壓強度增長率為21.4%，但石粉含量超18%時，抗壓強度增長率相對較低。

3.4試驗分析

試驗表明，混凝土的抗壓強度隨著石粉含量增大有增加趨勢，石粉含量為14.5%時，增長率最大。但石粉含量超18%時，抗壓強度增長率相對較低。石粉含量為14.5%、15.3%時，混凝土拌合物和易性最好。

人工機制砂混凝土之所以比普通混凝土的強度等性能有所改善，歸結為人工砂的填充效應、晶核效應、活性效應、吸水效應和形態效應。這5個效應的共同作用，促成了人工機制砂混凝土水化產物的增多、碳鋁酸鹽的生成和界面、孔結構改善。具體來說，石粉的填充效應，不但使毛細孔得到細化，而且使孔隙率減小即孔結構改善；晶核效應加速了C3S的水化，從而使水化產物增多，并避免了晶體的集中生成；活性效應是指石粉中的CaCO3在與水泥中C3A反應生成碳鋁酸鹽的同時，改善了石粉顆粒的表面狀態，有利于石粉顆粒與水化產物間粘接強度的提高；石粉的吸水效應使得人工機制砂混凝土的實際水灰比小于同配比的普通混凝土，人工機制砂混凝土的保水性增強，泌水率減小，減少了自由水在界面上聚集，利于漿體骨料界面的改善；人工機制砂表面粗糙，帶有尖銳棱角，不但使得骨料與漿體的咬合力得到增強，最有利于漿體骨料界面的改善，這是人工機制砂的形態效應。

4結論

人工機制砂混凝土比普通混凝土的性能有所改善，并使得骨料與漿體的咬合力得到了增強。通過對盤石頭水庫花尖腦砂石料廠生產的人工機制砂中石粉含量為10%、14.5%、15.3%、18%、21.3%對混凝土抗壓強度的影響進行對比試驗，石粉含量合理控制在14%～16%是適宜的。通過南水北調安陽段的混凝土工程應用，效果良好，滿足國家重大工程人工機制砂在混凝土中的應用要求■