高石粉含量機制砂中低強度混凝土性能研究及配合比優化

劉林沖 周躍東

摘 要：試驗在現有機制砂中摻入一定量的石粉用于中、低強度等級普通混凝土拌和。對比試驗表明，機制砂中摻入適當的石粉能夠在保證混凝土強度的同時明顯改善中、低強度等級混凝土的和易性，提高混凝土可泵性，減少阻泵等施工事故的發生。

關鍵詞：石粉；機制砂；混凝土；配合比

機制砂是經除土處理，由機械破碎、篩分制成的粒徑小于4.75mm的巖石、礦山尾礦或工業廢渣顆粒（不包括軟質、風化的顆粒），在目前天然建筑用砂嚴重資源短缺的情況下，機制砂在現代混凝土中得到廣泛應用。機制砂顆粒粒形多呈三角體或方矩體，表面粗糙，棱角尖銳，而天然砂顆粒多呈圓形，因此，機制砂混凝土流動性相對較差且易離析，要得到同樣的混凝土和易性，必須增加膠凝材料用量。

現行國家標準規定機制砂石粉含量不大于10%，但機械破碎方式生產的機制砂通常粒徑小于75μm的石粉顆粒含量超標嚴重，砂石生產廠往往通過水洗等方式去除石粉以滿足國家標準和客戶要求，浪費資源、能源的同時，更對環境造成嚴重的影響。

另一方面，混凝土生產企業在進行普通混凝土，尤其是中、低強度等級泵送混凝土生產時，為滿足混凝土泵送施工需求，必須增加膠凝材料用量，以獲得更好的和易性，減少堵管、阻泵的發生。由此造成混凝土強度富余很高，大幅提高混凝土企業生產成本的同時浪費社會資源。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料

本次課題結合生產實際，選用以下成都地區常用的當地材料資源進行試驗研究。

（1）石粉：本試驗選用成都福根砂石廠生產的大石粉含量機制砂，篩取粒徑75μm以下的原狀石粉，未經二次磨細加工。

（2）水泥：四川峨勝水泥集團股份有限公司生產的峨勝P.O42.5R水泥，安定性檢驗合格，其他主要性能指標見表1。

（3）粉煤灰：宜賓福溪粉煤灰開發有限公司Ⅰ級，主要性能指標見表2。

（4）細骨料：金馬河機制2區中砂，級配情況見表3。

（6）石：金馬河石灰石質碎石，5～25mm連續級配。

（7）外加劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司PCA-Ⅰ型聚羧酸高性能減水劑。

（8）拌和水：成都地下水。

1.2 試驗方法

根據《普通混凝土拌合物性能測試方法標準》（GB/T 50080-2002）進行混凝土坍落度、擴展度等混凝土工作性能進行測試，混凝土力學性能測試按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2002）進行，試件尺寸150×150×150mm。所有試驗儀器均滿足國家標準要求。

2 試驗過程及結果分析

2.1 試驗過程

考慮到直接取用石粉砂，難以獲得試驗所需的定值石粉含量，所以，本次試驗采用成都福根砂石廠生產的機制石粉砂，篩取粒徑75μm以下的顆粒，按不同比例摻入生產所用金馬河2區機制中砂進行混凝土拌和試驗，基準配合比使用原裝機制砂，不摻入石粉。

使用原裝機制砂進行進行基準配合比混凝土拌和，獲取最優砂率、外加劑摻量等技術指標后，開展對比試驗。后期試驗發現，隨著石粉摻入量及混凝土強度等級的變化，砂率、外加劑摻量均需作出相應的調整，以獲取更好的混凝土和易性。因此，后期試驗過程中，同強度等級的混凝土，除石粉摻入量、砂率及外加劑摻量作出相應改變，其他材料用量均不作調整，對比各組混凝土工作性能與力學性能。部分實驗數據見表5。

2.2 試驗結果分析

試驗表明，在適當調整砂率和外加劑摻量的情況下，在機制砂中摻入石粉，可以有效改善混凝土的和易性。在一定的范圍內加大石粉摻入量，可提高混凝土工作性能，但隨著混凝土強度等級的提高，膠凝材料總量的增加，和易性改善效應逐漸降低。同時，機制砂中適當的石粉含量，可以提高混凝土強度，但如果摻入過多石粉，則對混凝土強度有較大影響，同時影響混凝土坍落度。數據表明，混凝土強度等級越高，膠凝材料總量越大，在不影響混凝土強度的前提下，可以摻入的石粉比例越高，石粉摻入量與各強度等級混凝土性能指標示意圖見圖1。

圖1 各強度等級混凝土石粉摻入量與性能指標關系曲線圖

3 石粉砂混凝土配合比優化

3.1 砂率優化調整

大量試驗表明，隨著石粉摻入量的變化，需適當調整砂率以獲得最佳混凝土工作性能。通過表5可發現，石粉摻入量加大，砂率需有一定的提高。因為石粉顆粒粒徑小于75μm，與水泥、粉煤灰粒徑相當，因此，我們可以理解為，機制砂中摻入石粉，相當于混凝土增加膠凝材料，而機制砂（75μm-4.75mm）用量則有減少，因此，需增加機制砂的使用量，即增大砂率。

3.2 外加劑摻量調整

類似3.1所表述，在機制砂中摻入與水泥、粉煤灰粒徑相當的石粉，相當于增加膠凝材料，因此，計算時，需將石粉歸入膠凝材料，并以此確定外加劑用量。

3.3 石粉含量的調整

根據圖1所示，不同強度等級的混凝土，最佳石粉含量相差較大。對于低強度等級混凝土（C30以下），因為膠凝材料總量少，混凝土和易性差，難以泵送施工，因此，低強度等級混凝土，宜選用不降低強度可選的最大石粉摻入量；而對于強度稍高的混凝土（C30及以上），混凝土已經有較好的和易性，基本能滿足泵送施工，所以，我們選用強度增長最大值。由此確定的各強度等級混凝土最優石粉摻入量見表6。

4 工程實例

成都市環球時代中心位于成都市城南，緊鄰成都地鐵一號線世紀城終點站，是國內首個集“第五代寫字樓”、“LOFT創意空間”、“商企CEO私邸”、“國際購物中心”于一體的大型建筑樓群，總建筑面積約26.4萬m2。其1#樓第33層1、2單元墻柱各使用C40混凝土300m3，第34層有梁板分別使用C30混凝土260m3，同一天完成澆筑。為對比試驗，1單元所有混凝土均使用摻配石粉機制砂，兩種砂摻配后，確保C30砼所用機制砂石粉含量為12%，用于C40混凝土配制的機制砂石粉含量為15%；2單元所有混凝土均直接使用原有機制砂，不摻入石粉砂。澆筑時，摻入石粉的混凝土和易性明顯優于不摻加石粉的混凝土，混凝土脫模后，所有混凝土外觀良好。28天混凝土采用鉆芯法取樣進行強度測試，數據見表7：

5 結語

石粉在機制砂生產過程中大量產生，大部分機制砂生產企業均通過篩分、水洗等方式去除，浪費自然資源的同時，增加企業設備投入與維護費用，同時對環境造成影響。

試驗及工程實際應用證明，機制砂生產過程中所產生的石粉，在經過試驗后按一定比例摻入機制砂，或直接使用石粉砂與普通機制砂配合使用，可以明顯改善混凝土工作性能，提高混凝土和易性，尤其是對膠凝材料用量較少的低強度等級混凝土。

力學性能方面，適當的石粉摻入，可以在一定程度上提高混凝土強度，但過量的石粉摻入，會嚴重影響混凝土的強度。因此，最優石粉摻入量需經過試驗獲取數據，并經小范圍施工驗證。通常，混凝土強度等級越高，膠凝材料總量越大，越可以容納更多的石粉而不影響混凝土強度。

參考文獻

[1] 劉小兵等.石粉含量對機制砂混凝土性能的影響[J].粉煤灰，2011（12）.

[2] GB/T 14684-2011.建設用砂[S].

[3] 黃燕基等.泵送低強度等級混凝土的研究與應用[J].紅河水，2003（1）.

作者簡介：劉林沖（1986.10- ），男，本科，畢業于西南科技大學材料科學與工程專業，四川楚北混凝土有限公司，助理工程師，研究方向：商品混凝土及混凝土制品研究。