花崗巖石粉摻量對機制砂混凝土力學性能和耐久性的影響

宋軍強

摘要：本文主要研究了花崗巖機制砂石粉含量（10%、20%、30%）對機制砂混凝土力學性能和耐久性關鍵參數的影響。試驗結果表明：石粉對混凝土早期強度發展不利，但是提高了混凝土后期強度和彈性模量。和純水泥混凝土相比，加入石粉的混凝土56 d齡期抗氯離子滲透性提高顯著。隨著石粉含量的增加，混凝土的電通量隨之增加但都保持在較低的滲透性水平。當石粉摻量在20%以內時，經過350個凍融循環周期后，機制砂混凝土的相對動彈模只有稍微下降，但當石粉摻量達到30%時，混凝土相對動彈模顯著降低。和純水泥混凝土相比，摻加石粉的混凝土干縮在14 d內有所抑制。整體來看，石粉摻量在20%，機制砂混凝土各項性質最佳。

Abstract： This paper mainly studied the effects of gravel powder content （10%， 20%， 30%） on the key parameters of mechanical properties and durability of the machined sand concrete. The test results show that： stone powder is unfavorable for the early strength development of concrete， but it improves the later strength and elastic modulus of the concrete. Compared with pure cement concrete， the addition of powdered concrete has a significant increase in chloride ion permeability at 56 days. As the content of stone powder increases， the electrical flux of the concrete increases with it but maintains a low level of permeability. When the content of stone powder is less than 20%， the relative dynamic modulus of the machine-made sand concrete only slightly decreases after 350 cycles of freeze-thaw cycles， but when the amount of stone powder reaches 30%， the relative dynamic modulus of the concrete decreases significantly. Compared with pure cement concrete， dry concrete shriveled with stone powder was suppressed within 14 days. As a whole， the content of stone powder is 20%， and the properties of machine-made sand concrete are the best.

關鍵詞：石粉；機制砂混凝土；力學性能；耐久性

Key words： stone powder；mechanical sand concrete；mechanical properties；durability

中圖分類號：TU528.041 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）17-0171-03

0 引言

隨著河砂開采的限制以及環境保護的加強，天然河砂資源日漸缺乏。而砂是水泥混凝土的重要原材料之一，用量約占混凝土總體積的1/3，其質量對于新拌及硬化混凝土的性能有著重要影響。機制砂是巖石經機械破碎而成，其區別于天然砂的顯著特點是粒形尖銳、表面粗糙，機制砂近年來越來越多地被用來替代河砂作為細集料應用于混凝土工業中。在機制砂生產過程中，不可避免地混入一定數量（10%～20%）的微細石粉。石粉對于機制砂細集料以及混凝土的性質具有重要影響。因此，本文開展了不同石粉含量（10%、20%、30%）的機制砂混凝土的力學試驗和耐久性試驗，探究石粉含量對上述性能的影響，為機制砂實際工程應用提供技術支撐。

1 試驗

1.1 試驗原材料

采用P·O 42.5級水泥，F類I級粉煤灰，S95級粒化高爐礦渣粉，三者的主要化學成分見表1；粗骨料為花崗巖碎石，5.00～25.00mm連續級配；細骨料為花崗巖機制砂，級配曲線為Ⅱ區，細度模數為2.70；石粉由試驗所用同批次花崗巖機制砂通過0.075mm方孔篩篩分所得，其SEM圖和XRD衍射圖如圖1；減水劑劑選用江蘇蘇博特生產的聚羧酸高效減水劑，減水率為29.3%；引氣劑為烷基苯磺酸鹽類引氣劑，固含量為4.81%。

本試驗膠材用量固定為440kg/m3，共成型5組混凝土試件。S0組混凝土配比中石粉摻量為0，S4組膠材為純水泥，這兩組作為對照組。S1、S2和S3組中石粉的比例分別為膠凝材料總質量的10%、20%和30%，具體的配合比如表2所示。通過調節減水劑摻量，控制試驗混凝土坍落度在180±10mm區間范圍內；調節引氣劑摻量，控制含氣率在4±0.5%范圍內。

1.2 試驗方法

混凝土力學性能：混凝土抗壓強度和彈性模量測試根據GB/T50081-2002標準的規定進行測試，試件尺寸分別為150×150×150mm和150×150×300mm。

抗氯離子滲透性：根據GB/T 50082-2009標準里的電通量法進行測定。試件尺寸為直徑Φ=100±1mm、高度h=50±2mm的試塊。測定混凝土試塊標準養護28d和56d齡期時的電通量值（C）。

抗凍性：按照GB/T50082-2009標準中快凍法進行。試件尺寸為100×100×400mm的棱柱體。試件在養護至28d齡期后，每隔50個凍融循環測定、計算試件的相對動彈模，本次試驗凍融循環總次數為350次。

干燥收縮：混凝土干燥收縮試驗按照GB/T 50082-2009標準進行測試。干燥收縮測試采用接觸法，試件尺寸為100×100×515mm，測試的開始齡期從標準養護1d以后開始，試件放置在溫度為20±2℃，相對濕度為60±5%的干燥養護室中，分別測定試件在1d，3d，14d，28d，60d和90d齡期時的干燥收縮值。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

石粉摻量對機制砂混凝土力學性能的影響如圖2所示。混凝土的抗壓強度是進行混凝土結構設計時的主要指標。從圖2（a）可以看出，隨著養護齡期的增長，機制砂混凝土的抗壓強度呈增大的趨勢。利用ORIGIN 8.5對混凝土抗壓強度值和齡期自然對數值進行線性擬合，擬合效果如圖2（b）所示。可以看出，兩者近似呈正線性關系，相關系數R2>0.90。然而，從線性擬合方程來看，斜率不同，證明各組混凝土強度發展表現出不同的增長趨勢。石粉和礦物摻合料會一定程度降低機制砂混凝土3d和7d齡期的抗壓強度，但是對后期強度有明顯的提高作用，其中試樣S0和S2的28d和56d齡期的抗壓強度超過了S4。另外，試樣S0的后期強度在所有組中是最高的。這說明石粉的膠凝活性不如粉煤灰。在所有加石粉混凝土中，S2的抗壓強度是最高的，原因主要在于石粉顆粒的填充作用[2]。當石粉比例為20%時，混凝土體系最密實。當石粉比例達到30%時，可觀察到機制砂混凝土的強度有所下降，S3的28d和56d齡期的抗壓強度比S4低13.3MPa和14.3MPa。盡管石粉能夠提高混凝土結構的致密性，但是石粉的活性不如粉煤灰。當石粉比例過高時，物理填充效應不如膠凝材料的沉積作用[1]。因此，石粉的比例最好控制在20%以內以改善或保持混凝土的抗壓強度。

2.2 彈性模量

圖3給出了石粉摻量對S0～S4組機制砂混凝土彈性模量的影響。可以看出，各組混凝土56d齡期的彈性模量相比28d齡期分別增長了3.2%-11.4%。其中，S2組混凝土的28d和56d齡期的彈性模量最大。石粉作為惰性填料可以填充混凝土的網狀結構[2]，因此有助于提高混凝土的彈性模量。

2.3 抗氯離子滲透性

圖4給出了石粉摻量對S0～S4組混凝土電通量的影響。與28d齡期相比，56d齡期混凝土電通量降低了28.0%-54.0%。其中，S4組混凝土電通量降低最小，而S0組電通量降低最大（54.0%），這說明加入石粉、粉煤灰或者礦渣粉均能提高混凝土的抗氯離子滲透性。S3組混凝土56d齡期的電通量值雖然相比其他組較高，但是根據【GB/T 50082-2009】，其氯離子滲透性仍然維持在較低水平。盡管石粉能夠一定程度上提高混凝土的抗氯離子滲透性，但是其積極作用明顯小于粉煤灰和礦渣粉。隨著石粉摻量增加，其對混凝土抗氯離子滲透性的改善作用降低。粉煤灰和礦渣粉的使用能夠改善混凝土的孔結構[3]。另外，氯離子能夠和礦物摻合料激發出來的鋁、硅氧化物進行化學結合被固定，而石粉只有物理填充作用對氯離子沒有化學結合固定作用[3]。

2.4 抗凍性

抗凍性不僅可以用來衡量混凝土的抗凍性能，也是反映混凝土耐久性的重要綜合指標。圖5給出了各組機制砂混凝土在凍融循環過程中相對動彈模的變化。可以看出，在經過350次凍融循環后，S0動彈模降低最小，S1、S2分別比S0小2.5%和2.9%，說明兩組混凝土抗凍性略有下降，但是都符合F350要求。F350要求經過350個凍融循環周期后，混凝土相對動彈模不低于60%。當石粉摻量為30%時，混凝土動彈模出現明顯地降低，減小到82.3%，比S0小11.8%。盡管如此，S3仍然可以在嚴寒環境中應用到混凝土結構中，因為其符合F350要求。混凝土抗凍性在很大程度上依靠其自身含氣量和強度。對于相同強度等級的混凝土，其抗凍性隨含氣量的增加而提高。對于相同含氣量的混凝土，其抗凍性隨著強度的提高而提高[1]。在5組混凝土中，S3的含氣量為3.8%，抗壓強度比S0低14.0MPa，這是其抗凍性降低較大的主要原因。然而，加入適當石粉含量的混凝土，例如S2，其相對動彈模沒有明顯的降低，這說明混凝土加入適量石粉應用于寒冷地區工程建設是可行的。

2.5 干縮

圖6給出了S0～S4組混凝土在不同養護齡期干縮率的變化。可以看出，石粉和其他礦物摻合料都能一定程度上抑制混凝土的干縮。14d齡期以內時，S0～S3的干縮率都小于S4。然而，石粉的對混凝土干縮的改善效應在一定程度上低于粉煤灰和礦渣粉。石粉摻量對混凝土干縮的影響有一個臨界值。摻量在20%以內，石粉對混凝土干縮的抑制作用比較明顯。

當摻量達到30%時，混凝土長期干縮變形程度反而得到加強。原因主要在于加入適量石粉之后，膠凝材料比例有所降低，混凝土的水化反應前后的體積變形有所降低。但是，水化反應需水量也相應減少，導致混凝土體系內自由水量有所增加。當石粉比例超過臨界值時，增多了混凝土中漿體數量，增大了有效水膠比，部分自由水并未參與水化，易于蒸發，導致混凝土干縮增大。因此，S3具有最大的干縮變形。

3 結論

①石粉會降低混凝土的早期強度。當機制砂石粉摻量占膠凝材料比例在20%以內時，機制砂混凝土具有更高的長期抗壓強度和彈性模量。

②石粉的加入有助于提高機制砂混凝土的抗氯離子滲透性。隨著石粉摻量的增加，混凝土的電通量增加，但56d齡期混凝土氯離子滲透性仍維持在較低的水平。

③石粉對機制砂混凝土抗凍性的影響與其摻入比例有關。當摻入比例在20%以內時，經過350個凍融循環后相對動彈模量減少量最大為2.9%。當石粉摻量達到30%時，混凝土相對動彈模顯著降低。

④石粉可以降低14d齡期內混凝土的干縮。當摻加比例達到30%時，混凝土長期干縮變形程度增大。

⑤綜合考慮混凝土工作性、力學性能、耐久性和干縮等性質，石粉最佳摻量為總膠凝材料的20%。

參考文獻：

[1]劉戰鰲.機制砂中細粉對混凝土性能的影響及機理研究[D].武漢：武漢理工大學，2016.

[2]劉數華，閻培渝.石灰石粉對水泥漿體填充效應和砂漿孔結構的影響[J].硅酸鹽學報，2008，36（1）：69-72.

[3]M. Uysal， K. Yilmaz， M. Ipek， The effect of mineral admixtures on mechanical properties， chloride ion permeability and impermeability of self-compacting concrete. Construction and Building. Materials， 2012， 27 （1）： 263-270.