機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土性能的影響

鄧文明

（中鐵二局第三工程有限公司， 四川 成都 610083）

0 前言

根據(jù)GB/T14684—2011《建筑用砂》要求，機(jī)制砂是指經(jīng)過(guò)處理，由機(jī)械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75mm的巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣顆粒，但不包括軟質(zhì)、風(fēng)華的顆粒。石粉含量是指機(jī)制砂中粒徑小于75μm的顆粒含量。在缺乏河砂的地區(qū)，機(jī)制砂可替代河砂作為混凝土的細(xì)骨料。近幾年來(lái)，混凝土施工均采用機(jī)制砂作為細(xì)骨料，積累了不少的成功經(jīng)驗(yàn)。

1 機(jī)制砂的性能

1.1 生產(chǎn)特點(diǎn)

機(jī)制砂多取材自當(dāng)?shù)夭牧希硗庥幸徊糠质抢蒙a(chǎn)粗骨料的剩余料為原料的，釆取專用設(shè)備進(jìn)行機(jī)制砂生產(chǎn)，根據(jù)工程的進(jìn)展情況，采用人為的手段對(duì)機(jī)制砂的質(zhì)量進(jìn)行控制，保持其穩(wěn)定性，也就是說(shuō)要保持工程所使用的機(jī)制砂的粒型、細(xì)度模數(shù)和級(jí)配的穩(wěn)定。這也正式機(jī)制砂與天然砂的本質(zhì)的區(qū)別。

1.2 外觀特征

機(jī)制砂的顏色多數(shù)都是灰白色或者黑色的，顆粒有尖銳的棱角，如果采取干法生產(chǎn)的機(jī)制砂，石粉含量達(dá)到百分之十左右，從外觀上就與石粉幾乎一模一樣。

1.3 石粉含量

在生產(chǎn)機(jī)制砂的過(guò)程中，石粉是肯定會(huì)產(chǎn)生的，只是根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，產(chǎn)生的量可多可少。石粉在機(jī)制砂中的存在有利于混凝土的各項(xiàng)性能的發(fā)揮。能夠完善混凝土細(xì)骨料的級(jí)配、提高混凝土的密實(shí)性都有益處。

1.4 細(xì)度模數(shù)

根據(jù)細(xì)度模數(shù)的可以對(duì)機(jī)制砂進(jìn)行劃分，目前生產(chǎn)的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)多數(shù)都處在3.0到3.7之間。屬于中粗砂，石粉含量也處于中等。在機(jī)制砂中，石粉含量和細(xì)度模數(shù)之間是呈反比關(guān)系的。

1.5 顆粒形狀

機(jī)制砂是通過(guò)機(jī)械破碎成型的，所以會(huì)呈現(xiàn)為有棱角的粗糙小顆粒的形態(tài)，并且多數(shù)顆粒都是方矩體或者三角體，這樣的形態(tài)降低了混凝土的和易性，但是有利于水泥和骨料的粘結(jié)。石粉的存在，彌補(bǔ)了機(jī)制砂對(duì)混凝土的和易性造成的影響，避免了強(qiáng)度等級(jí)低的混凝土在使用的過(guò)程中發(fā)生泌水的概率。

2 機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土性能的影響

2.1 原材料性質(zhì)

1.1 水泥

選用湖南韶峰水泥廠生產(chǎn)的韶峰P·O42.5級(jí)水泥，密度為3.14g/cm3，比表面積為340m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27.1%，初凝時(shí)間為135min，終凝時(shí)間為200min，安定性合格，3d抗折強(qiáng)度7.3MPa，28d抗折強(qiáng)度9.6MPa，3d抗壓強(qiáng)度27.6MPa，28天抗壓強(qiáng)度49.6MPa。

1.2 細(xì)骨料

石灰?guī)r機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為3.1，石粉含量為4.3%，表觀密度為2690kg/m3；河砂細(xì)度模數(shù)為2.8，表觀密度為2690kg/m3，孔隙率為41.6%，含泥量為0.5%。

1.3 粗骨料

選用5～25mm連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，壓碎指標(biāo)為7.4%，針片狀顆粒含量為4%，孔隙率44%，含泥量為0.6%。

1.4 外加劑

采用江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率為 25%，含氣量1.9%。

1.5 石粉

石灰?guī)r石粉，粒徑小于0.075mm。

2.2 試驗(yàn)方法

2.1 混凝土拌合物性能試驗(yàn)

按GB50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

2.2 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

按GB50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。混凝土試件采用150mmx150mmx150mm立方體標(biāo)準(zhǔn)試件。

2.3 混凝土耐久性能試驗(yàn)

按GB50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

2.3 機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土工作性能的影響

混凝土拌合物的工作性能主要分為三種，分別是流動(dòng)性、粘聚性和保水性等。混凝土拌合物的工作性是很重要的，它是保證混凝土澆筑質(zhì)量的關(guān)鍵。

本文采用了設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30的7個(gè)不同石粉含量機(jī)制砂以及天然砂對(duì)混凝土拌合物泌水率的影響。

表3.1 石粉含量對(duì)混凝土工作性能的影響

從以上表格可以看出，在混凝土中配入天然砂能夠達(dá)到較好的性能，坍落度較大，泌水率較小，粘聚性較好，輕微離析。但對(duì)于在水泥、水、骨料及外加劑用量相同的情況下使用機(jī)制砂，隨著石粉含量的增加，混凝土拌合物的粘聚性逐步改善，坍落度有所提高，離析泌水現(xiàn)象得到顯著的改善。

2.4 機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

混凝土是一種結(jié)構(gòu)材料，其所具有的性能當(dāng)中非常重要的一種就是力學(xué)性能，這也是在配制混凝土?xí)r所需要遵守的依據(jù)。在眾多因素當(dāng)中，除了礦物摻合料的使用量和水膠比能夠?qū)ζ淞W(xué)性能造成影響以外，粗骨料的顆粒大小、砂漿等等以及水泥石和骨料的界面特性都能夠?qū)ζ湫阅茉斐捎绊憽?/p>

表2.4.1混凝土力學(xué)性能受到石粉含量的影響

2.4.1 機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

混凝土性能中最重要的參數(shù)之一就是混凝土的抗壓強(qiáng)度。表4.1中混凝土抗壓強(qiáng)度的結(jié)果表明，石粉含量在20%以下的C30混凝土，混凝土的強(qiáng)度與石粉含量之間是正比關(guān)系，石粉含量越高，混凝土的強(qiáng)度越高，混凝土的理想石粉含量約在10%到15%之間，石粉含量大于15%時(shí)，混凝土的強(qiáng)度隨著石粉含量的增加而降低。

在機(jī)制砂混凝土中，石粉主要從三方面對(duì)混凝土強(qiáng)度造成了影響：1、石粉能夠依靠其細(xì)度較小的優(yōu)勢(shì)填充混凝土的微骨料；2、石粉經(jīng)過(guò)水化，能夠產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，和水泥當(dāng)中的C3A和C4AF生成能夠與其他水化產(chǎn)物相互填充，彼此包裹的水化碳鋁酸鈣，這樣的結(jié)合可以起到進(jìn)一步緊實(shí)水泥石結(jié)構(gòu)的作用，讓混凝土的強(qiáng)度有所提高；3、石粉含量增加到一個(gè)極限值時(shí)，石粉的存在會(huì)破壞混凝土中最密實(shí)的堆積結(jié)構(gòu)，使混凝土的強(qiáng)度降低。

2.4.2 機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

從表4.1中對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度進(jìn)行分析的結(jié)果表明，當(dāng)混凝土的石粉含量小于10%時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度隨著石粉含量的增加而升高，當(dāng)石粉含量大于10%，抗折強(qiáng)度隨著石粉含量的增加而降低，混凝土的最佳石粉含量明顯在于 10%到15%之間。同時(shí)，混凝土的脆性系數(shù)也會(huì)受到石粉含量增加的影響，這種影響是會(huì)隨著含量的增加而發(fā)生變化，而達(dá)到最佳的狀態(tài)時(shí)石粉含量在百分之七到百分之十之間。在這之前其脆性系數(shù)是處于增加的趨勢(shì)，而當(dāng)達(dá)到這個(gè)最佳值后就開(kāi)始隨著石粉含量的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這種轉(zhuǎn)折變化跟混凝土的保水性受到了石粉含量的影響有關(guān)；當(dāng)石粉含量過(guò)高時(shí)，石粉在骨料界面的富集程度過(guò)大，使得混凝土中的膠結(jié)石與骨料的過(guò)渡區(qū)逐漸減小，使得混凝土的抗折強(qiáng)度開(kāi)始呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。

2.4.3 機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

表4.1中混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于C30強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，隨著石粉含量的增加，逐漸提高了混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。因?yàn)槭艿绞酆康挠绊懀够炷廉?dāng)中的骨料的級(jí)配得到了完善，豐富了混凝土的漿體含量，提高了混凝土的保水性，降低了混凝土中原有的自由水的含量，減少了富集于粗骨料表明的泌水概率，使混凝土界面過(guò)渡區(qū)的厚度降低了，所以導(dǎo)致了混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度有所提高的結(jié)果。

2.4.4 機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土抗壓彈性模量的影響

表2.4.1中混凝土的抗壓彈性模量試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著石粉含量的增加，混凝土的抗壓彈性模量出現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象，石粉含量在3%到5%之間時(shí)，混凝土的抗壓彈性模量最大。

石粉對(duì)于混凝土抗壓彈性模量影響主要存在于兩個(gè)方面：1.機(jī)制砂所含的石粉完善了混凝土骨料的級(jí)配，提高了混凝土的保水性，起到了降低混凝土界面效應(yīng)的作用，有利于提高混凝土的抗壓彈性模量；2.石粉在混凝土中也起到了一種惰性填料的作用，豐富了混凝土的漿體含量，降低了混凝土的骨漿比，從而降低了混凝土的抗壓彈性模量。

2.4.5 機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響

可以通過(guò)混凝土的抗氯離子滲透性能來(lái)對(duì)混凝土密實(shí)性進(jìn)行評(píng)估。從表2.4.2的試驗(yàn)結(jié)果可知，在C30強(qiáng)度等級(jí)的混凝土中，混凝土的抗氯離子滲透系數(shù)隨著石粉含量的增加先是逐漸增大，當(dāng)石粉含量大于7%時(shí)，混凝土的抗氯離子滲透系數(shù)迅速降低。

表2.4.2 石粉含量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響

3 結(jié)論

本文結(jié)合機(jī)制砂混凝土試驗(yàn)，系統(tǒng)的對(duì)機(jī)制砂中石粉含量的變化對(duì)于混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能以及耐久性能等方面造成的影響做出了分析和研究。

1.當(dāng)機(jī)制砂中的十分含量保持在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)時(shí)是能夠完善機(jī)制砂的級(jí)配的，同時(shí)也能夠?qū)饺胧酆蟮幕炷列阅芗右詮浹a(bǔ)，讓其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，在攪拌混凝土的過(guò)程中，由于事前摻入的高效減水劑的作用，水泥和石粉顆粒被分散開(kāi)來(lái)，在礦物摻合料和水泥之間會(huì)存在一定的空隙，石粉顆粒能夠填充在空隙當(dāng)中，讓混凝土的整體結(jié)構(gòu)密度更大，同時(shí)由于空隙被填充，也降低了用水量。所以，能夠達(dá)到保持混凝土原需要的流變性能不變的同時(shí)還能夠減少混凝土當(dāng)中加入的水的量，這樣在混凝土硬化后結(jié)構(gòu)可以更加密實(shí)，建筑體更加的牢固，有利于提高混凝土的坍落度、改善混凝土的泌水性能，對(duì)于C30強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，應(yīng)該將機(jī)制砂中石粉含量控制在百分之十到百分之十五之間，這樣能夠達(dá)到最為完美的狀態(tài)；

2.大體積混凝土的澆筑的牢固性對(duì)溫度和濕度有著特定的要求，不可隨意變化，否則會(huì)造成混凝土內(nèi)外溫差較大，對(duì)混凝土澆筑體的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。混凝土在澆筑后開(kāi)裂的主要原因是也是溫度不穩(wěn)定，造成混凝土內(nèi)部在凝結(jié)過(guò)程中無(wú)法達(dá)到均勻穩(wěn)定的狀態(tài)造成的。在混凝土中機(jī)制砂含有適當(dāng)?shù)氖劭梢云鸬教畛渥饔茫捎趽饺胧酆笥盟繙p少了，所以混凝土的強(qiáng)度也提高了，不需要再摻入大量的水泥，減少了水化溫升的概率。也就使混凝土澆筑的結(jié)構(gòu)狀態(tài)更加穩(wěn)定。

3.與通常所用的礦物摻合料不同，石粉基本不具有火山灰活性，但具有極細(xì)的細(xì)度，表面能較大，在機(jī)械攪拌和高效減水劑共同作用下被分散到水泥和礦物摻合料之間，改善了顆粒堆積效率，提高了混凝土的早起強(qiáng)度。

4.有利于提高混凝土的抗壓、抗折、劈裂抗拉強(qiáng)度。但對(duì)于有抗壓彈性模量要求的混凝土，試驗(yàn)證明機(jī)制砂不是理想的細(xì)骨料。對(duì)于C30強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，應(yīng)該將機(jī)制砂中石粉含量控制在百分之十到百分之十五之間；

5.混凝土的抗氯離子滲透性能隨著石粉含量的增加而增加。