機制砂中石粉含量對中低強度等級混凝土性能的影響

明維　柯剛（廣東省宏基管樁有限公司）

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機制砂中石粉含量對中低強度等級混凝土性能的影響

明維柯剛
（廣東省宏基管樁有限公司）

【摘要】研究了機制砂中石粉含量對中低強度等級混凝土的坍落度、抗壓強度、電通量、收縮性能的影響，并結合石粉的微觀試驗對其結果進行分析。結果表明：當摻量為0%～12%時，石粉的摻入對中低強度等級混凝土的強度并未有明顯不利影響，但坍落度卻隨石粉摻量的增加明顯下降（尤其是摻量超過6%后），影響了混凝土的工作性能。由于石粉中含有有害的粘土雜質，這使石粉的摻加對混凝土電通量、收縮性能的影響具有一定不穩定性，增大了施工質量可控性的難度。因此，在實際工程中并不能盲目地放寬石粉含量的限制，應結合實際就地取材進行試驗，合理控制機制砂中石粉含量。

【關鍵詞】石粉；混凝土；坍落度；抗壓強度；電通量；收縮性能

1　引言

在我國基礎工程建設以及城鎮化建設迅速發展的過程中，天然砂作為混凝土主要原材料，因過量使用正面臨著質量下降、資源緊缺、破壞生態環境的巨大難題。為緩解這一現狀，機制砂在國內外的工程中逐步得到應用。在機制砂的研究與應用過程中，石粉含量一直是人們爭議的焦點之一，各國的相關標準對其限值也不同[1]，其中我國要求相對較嚴格，石粉含量的最高限值為5% ～10%，澳大利亞及非洲的要求相對較寬松，石粉含量的最高限值分別為25%和15%～20%。Celik[2]等研究了0% ～30%的石粉摻量對混凝土性能的影響，發現隨石粉含量的增加，抗折強度存在一個最優值，在摻量為10%時達到最大。Malhotra[3]的研究表明水灰比0.70時，石粉的摻加利于混凝土各齡期的強度發展，當石粉摻量在15%～20%時，混凝土7d強度比空白樣高20%～30%。國內也有不少學者則認為對于中低強度混凝土而言，石粉含量限值可適當放寬至10%～18%[1,4-8]。然而我國不同地區的巖性較多，生產工藝設備、管理水平更是參差不齊，這導致不少工程中使用的機制砂中所含的石粉品質與國外存在很大差距，并不是所謂真正意義上“優質石粉”，而是石場生產石頭時產生的下腳料，更容易導致一連串工程質量事故。因此，在實際工程中并不能一味推崇放寬石粉含量的理念，必須結合實際原材料情況進行相應的試驗驗證。本文針對本公司生產中所用機制砂，系統地研究了機制砂中石粉含量對中低強度等級混凝土坍落度、抗壓強度、電通量以及收縮性能的影響，并結合石粉的微觀性能對其結果進行分析，從而給實際工程應用提供一定指導意義。

2　試驗原材料及試驗方法

2.1試驗原材料

⑴試驗原材料

水泥：珠江·粵秀的P.O 42.5R水泥，水泥基本物理性能見表1。

表1　水泥基本物理性能

粉煤灰：產自臺山電廠的Ⅱ級粉煤灰，細度（0.045mm篩余）為17.2%，需水量比為95.2%，燒失量為0.12%。

礦粉：由廣東俊興新建材有限公司提供，比表面積為430m2/kg，7d活性指數為78%，流動度比為101%，燒失量為0.6%。

外加劑：紅墻萘系高效減水劑，含固量為29.89%，密度為1.1614g/cm3，pH值為8.36，氯離子含量為0.02%。

石粉：由試驗過程中所使用的機制砂中經篩洗處理的石粉，烘干后使用。

細骨料：由河砂與機制砂以4:6的比例復配制成混合砂，混合砂的細度模數Mx=2.6，級配區為Ⅱ區。其中河砂產自廣東西江，細度模數Mx=1.71，級配區為Ⅲ區；機制砂產自廣東泰盛石廠，細度模數Mx=3.18，級配區為Ⅰ區，花崗巖質地。

粗骨料：產自泰盛石廠，0～30mm粒徑的連續顆粒級配，花崗巖石，含泥量為0.2%，壓碎值為8.9%，針片狀含量為7%。

⑵試驗原材料配合比

不同強度等級的商品混凝土原材料配合比參考實際生產中所用配合比。通過MB值試驗可知，MB值為0.95，因此機制砂中小于75μm的粉體以石粉為主。經試驗已知試驗中所用機制砂的石粉含量為5.5%。混合砂中機制砂與河砂按4:6的質量份比兌摻后，石粉含量為3.3%，因此對于0%和3%的石粉摻量，試驗過程中細骨料主要由河砂和洗去石粉的機制砂以4:6的質量份比組成，然后再將從機制砂中淘洗出來的石粉按比例兌摻。其余摻量則使用未經淘洗的機制砂進行調配。不同強度等級的混凝土原材料配合比見表2，石粉摻加量見表3。

表2　不同強度等級的商品混凝土原材料配合比

表3　不同強度等級的商品混凝土中石粉摻加量　（單位：kg/m3）

2.2試驗方法

⑴混凝土性能試驗

混凝土坍落度試驗參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》GB／T50080-2002進行；抗壓強度試驗參照《普通混凝土力學性能高試驗方法標準》GB/T50081-2011進行；混凝土電通量法抗氯離子滲透試驗、接觸法收縮試驗均參照《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》GB/T50082-2009進行。

⑵石粉性能試驗

石粉顆粒的粒徑分布采用激光粒度測定儀測試；石粉中礦物組成采用XRD法測試；石粉顆粒的微觀形貌分析采用掃描電鏡法測試。

3　試驗結果及討論

3.1不同石粉含量對混凝土坍落度、抗壓強度的影響

圖1、圖2分別為不同石粉摻量對C25～C45強度等級混凝土坍落度以及抗壓強度的影響。從圖1中可看出，在0%～12%的石粉摻量范圍內，隨著石粉摻量的增加，C25～C35的混凝土坍落度先增大后減小，C25、C35以及C30混凝土分別在石粉摻量為3%、6%時達最大值；而C40、C45混凝土坍落度則是一直降低，在石粉摻量為0%～3%范圍內，坍落度降低較小，降低幅度約為5mm，基本可視為誤差，當石粉摻量超過3%之后，坍落度大幅度降低，石粉摻量為12%時，降低幅度高達50mm～110mm。圖2的結果表明：0～12%的石粉摻量對C25～C45混凝土的28d抗壓強度并未有明顯不利或者有利的影響，抗壓強度仍然滿足相應強度等級的要求。與0%摻量的空白樣相比，隨著石粉摻量的增加混凝土強度變化幅度基本在±3MP左右的范圍內。因此，對于中低強度等級的混凝土而言，0%～12%摻量的石粉對其混凝土強度的影響并不明顯，但對坍落度卻產生一定不利的影響，尤其是石粉摻量超過3%～6%后，坍落度損失顯著增大，影響混凝土的工作性能。

圖1　石粉含量對C25～C45混凝土坍落度的影響

圖2　石粉含量對C25～C45混凝土28d抗壓強度的影響

圖3　不同石粉含量對C25～C45混凝土電通量的影響

3.2不同石粉含量對混凝土電通量的影響

圖4　不同石粉含量對C25～C45混凝土干縮率的影響

圖3為石粉摻量對混凝土電通量影響的試驗結果。圖3結果表明：與空白試樣相比，C25、C40、C45混凝土在摻加石粉后，電通量均高于空白試樣，當摻量為12%時，電通量最大；而C30、C35混凝土電通量則是隨著石粉摻量的增加，先降低后升高，且摻量在3%～9%之間，變化趨勢較為平緩，數值較為接近。因此，在石粉摻量為0%～12%范圍內，C25～C45混凝土的電通量隨石粉摻量的變化具有一定離散性，且與空白對比樣相比，當石粉摻量達到12%時，不同強度等級的混凝土電通量均有不同程度的增大，增大率約為2.3%～15.27%。這表明石粉在混凝土中并未良好地發揮其填充作用；盡管如此，石粉摻入后各強度等級的混凝土抗氯離子滲透性的等級仍與空白試樣一致，屬于相同的抗氯離子滲透等級。

3.3不同石粉含量對混凝土收縮性能的影響

圖4（a）～（e）為石粉含量對不同強度等級混凝土收縮性能的影響。從圖4（a）～（e）中可看出，混凝土干縮率隨著齡期的增長而增大，且石粉摻量對不同強度等級的混凝土干縮性能影響具有一定不穩定性。石粉摻量為6%時，C25、C30等級混凝土各齡期的干縮率最小；C35、C40強度等級的混凝土中，石粉的摻加明顯提高了混凝土各齡期的干縮率，并隨著摻量的提高而增大；而C45強度等級的混凝土干縮率則隨著石粉摻量的增加而減小。

3.4石粉的粒徑、組成以及微觀形貌

圖5～圖7分別為石粉的粒徑分布圖、XRD圖以及SEM圖。圖5的結果表明石粉的主要粒徑尺寸在25μm左右；圖6的結果表明石粉中除了還有大量的SiO2之外，還有含有云母和斜綠泥石；從圖7的SEM圖可看出石粉顆粒形狀呈扁平狀，多為薄片和板狀，這主要是由于石粉中云母具有解理性，云母在受力破碎的過程中完全解理，解理面大且斷口完整，從而易呈薄片或板狀。從圖5～圖7的結果可看出，石粉中主要成分為SiO2，在商品混凝土中一般作為惰性填充材料，與其他摻和料相比，石粉的粒徑較粗，因此適量石粉的摻加能夠在骨料的空隙中形成微骨架，優化骨料的級配，對混凝土力學性能是有利的。但石粉中還含有粘土成分的斜綠泥石，眾所周知，粘土雜質對混凝土性能以及混凝土中減水劑均有不利的影響，粘土有粘性且通透性差，透水困難，易增大石粉的吸水性；同時石粉的微觀結構多為薄片和板狀，不具有其他摻合料的“滾珠”效應，石粉與骨料以及漿體之間的摩擦力較大，所以在水灰比不變的情況下，石粉的摻加會導致混凝土坍落度明顯下降，工作性能變差，這在一定程度上也使石粉對混凝土抗氯離子滲透性、收縮性等性能的影響具有一定不穩定性，時好時壞。

圖5　石粉的粒徑分布圖

圖6　石粉的XRD圖

圖7　石粉的SEM圖

4　小結

⑴對于中低強度等級的混凝土而言，0%～12%摻量的石粉對其混凝土強度的影響并不明顯，但對坍落度卻產生一定不利的影響，尤其是石粉摻量超過3%～6%后，坍落度損失顯著增大，影響混凝土的工作性能。而對于商品混凝土而言，混凝土工作性能是必要的技術指標，因此在不影響混凝土其他性能的條件下，改善摻石粉的混凝土的工作性能的研究還需進一步深入。

⑵理論上講，石粉的主要成分為SiO2，在混凝土中一般作為惰性摻合料，起著填充空隙，優化骨料的作用，對混凝土的力學性能應起有利的作用。但由于機制砂為石場生產石頭是產生的下腳料，受多種因素限制并未經嚴格的加工，與所謂“優質石粉”的品質存在一定差距，石粉中還含有對混凝土性能不利的黏土成分，因而對混凝土電通量、收縮性能的影響也具有一定的不穩定性，時好時壞。

⑶不管是何種強度等級的混凝土，當石粉摻量處于9%～12%時，混凝土各方面性能均出現明顯變差的趨勢，當石粉摻量達到12%時，混凝土各方面性能最差。

總之，由于國內的石粉品質參差不齊，品質欠缺的石粉對中低強度等級的混凝土性能的影響并不穩定，這在一定程度上增大了施工質量可控性的難度。因此，在實際工程中并不能盲目地放寬石粉摻量的限制，需根據實際就地取材進行試驗后對機制砂中石粉含量進行合理控制。

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