石粉含量對C50花崗巖機制砂混凝土性能的影響

張凌強，陳 倩，黃 興，李北星

(1.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070；2.湖北交投翻壩江北高速公路有限公司，宜昌 443000； 3.中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司，大連 116033)

0 引 言

近年來，隨著基礎建設步伐逐漸加快，我國可供開采的河砂資源越來越少[1]。由于天然砂資源的日趨匱乏以及國家對環境保護的加強，應用機制砂代替河砂配制混凝土勢在必行。機制砂是巖石經過除土開采破碎而成的，機制砂特性取決于其母巖與加工工藝和設備。目前工程中應用比較普遍的是石灰巖機制砂，石灰巖機制砂混凝土的研究比較深入且在工程中成功應用的案例也很多[2]。我國花崗巖的儲量豐富，但對花崗巖機制砂混凝土的研究較少，工程中應用也不多[3]。花崗巖屬于酸性巖漿巖中的侵入巖，其母巖強度高、脆性大。三峽翻壩江北高速公路位于湖北省宜昌市夷陵區境內山嶺重丘區，周邊天然河砂和優質碎石資源匱乏，花崗巖豐富，工程建設中隧道開挖的洞渣為混凝土提供了大量的機制砂石資源。本文以隧道洞渣自制的花崗巖機制砂為原料配制了預應力T梁C50混凝土，主要研究石粉含量對該花崗巖機制砂混凝土的工作性能、力學性能、干縮性能和抗滲、抗凍耐久性能的影響，為花崗巖機制砂在三峽翻壩高速公路建設中的應用提供有價值的參考依據。

1 實 驗

1.1 原材料

(1)水泥為葛洲壩當陽三峽牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，主要性能指標見表1。粉煤灰為華能岳陽電廠F類Ⅰ級粉煤灰，主要性能指標見表2。

表1 水泥的主要性能指標Table 1 Main performance indexes of cement

表2 粉煤灰的主要性能指標Table 2 Main performance indexes of fly ash

(2)粗、細集料采用三峽翻壩江北高速公路二標黃金灣料場的5～20 mm連續級配的花崗巖碎石和2區級配機制砂，其性能見表3，級配曲線如圖1和圖2所示。其中，碎石采用4.75～9.5 mm、9.5～19 mm二級配比，摻配比例為30%∶70%。

表3 粗、細集料主要性能指標Table 3 Main performance indexes of coarse and fine aggregate

圖1 5～20 mm花崗巖碎石級配曲線Fig.1 Grading curves of 5-20 mm granite crushed stone

圖2 花崗巖機制砂級配曲線Fig.2 Grading curves of granite manufactured sand

(3)石粉為調整機制砂的石粉，將上述花崗巖機制砂用球磨機粉磨制得石粉，石粉比表面積326.4 m2/kg。石粉的主要化學組成見表4。

表4 花崗巖石粉的主要化學組成Table 4 Main chemical composition of granite stone powder /wt%

(4)外加劑為湖北天安聚羧酸高性能減水劑，含固量23%，減水率27%，含氣量3.1%。

1.2 試驗方法

混凝土工作性能測試參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行。混凝土力學性能試驗依據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，其中抗壓強度、抗折強度試件尺寸分別為150 mm×150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×400 mm，每組3塊；彈性模量試驗試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm，每組6塊。

混凝土抗滲性能、抗凍性和干燥收縮試驗依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。抗滲性能采用快速氯離子遷移系數法(RCM法)試驗，試件直徑φ=(100±1) mm，高度h=(50±2) mm，養護齡期28 d。抗凍性試驗按照快凍法進行，試件為100 mm×100 mm×400 mm棱柱體，養護28 d后開始凍融試驗，每凍融循環50次測定一次試件的動彈性模量，凍融循環總次數為300次。干燥收縮試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm，試件成型1 d后脫模，然后置于標準養護室養護2 d，再轉移至溫度(20±2) ℃、相對濕度(60±5)%的干燥養護室中并立即測定基準長度，干燥收縮齡期分別為1 d、3 d、14 d、28 d、60 d、90 d、120 d、150 d。

2 結果與討論

2.1 石粉含量對花崗巖機制砂混凝土工作性能的影響

表5是石粉含量分別為3%、5%、7%、9%的花崗巖機制砂混凝土配合比。人工調整機制砂中石粉含量，并調整外加劑摻量，使混凝土坍落度達到(200±20) mm，擴展度達到(500±20) mm。

表5 機制砂混凝土配合比與工作性能Table 5 Mix proportion and workability of manufactured sand concrete

由表5可知，在用水量不變的情況下，隨著機制砂中石粉含量的增多，混凝土達到相同或相近的坍落度和擴展度所需要的減水劑用量逐漸增多，石粉含量9%機制砂較石粉含量3%機制砂配制的混凝土其減水劑摻量提高了0.3%。這主要是因為石粉的粒度小于0.075 mm，其比表面積遠大于機制砂顆粒，隨著石粉替代機制砂數量的增多，會增加漿體的粘滯性，從而使混凝土拌和物的粘聚性增加，導致包裹其所需的用水量增加[4]，表現為“增粘效應”。另外，有研究表明，隨著石粉含量的增加，石粉對減水劑存在一定的吸附作用，即“吸附效應”，且隨石粉含量的增加外加劑吸附量增大[5]。

2.2 石粉含量對混凝土抗壓與抗折強度的影響

圖3為石粉含量對花崗巖機制砂混凝土抗壓與抗折強度的影響。由圖3(a)可以看出，隨石粉含量的增加，花崗巖機制砂混凝土7 d和28 d抗壓強度均呈遞增趨勢，石粉含量9%較石粉含量3%的機制砂混凝土7 d、28 d抗壓強度分別提高了8.9%和10.8%。說明石粉含量在9%以下時，提高了混凝土的抗壓強度。這主要有兩方面的原因：一是適量的石粉作為微細集料填補了混凝土中機制砂的空隙，使混凝土結構更密實；二是在混凝土新拌階段，石粉會吸附一部分自由水，等同于減小了膠凝材料漿體的水膠比[6]。

從圖3(b)可以看出，混凝土7 d和28 d的抗折強度隨著石粉含量的增加呈先增大后減小趨勢，在石粉含量5%時混凝土抗折強度最大，石粉含量7%、9%時混凝土抗折強度反而低于石粉含量3%時。其主要原因是：石粉含量的適度增加，完善了機制砂的級配，降低了混凝土中自由水數量，減少了混凝土中富集粗集料表面的泌水，并且使得界面過渡區厚度減小，故石粉含量在5%以下時，混凝土的抗折強度隨石粉含量的增加而增大；但當石粉含量超過一定量時，游離態的石粉會出現在界面過渡區或水泥石中，不利于集料與水泥石的粘結[7]，從而會降低混凝土抗折強度。

2.3 石粉含量對混凝土彈性模量的影響

圖4為石粉含量對機制砂混凝土彈性模量的影響。由圖可以看出，機制砂石粉含量在3%～9%范圍內，隨石粉含量增加，混凝土的彈性模量也增大，9%石粉含量的機制砂混凝土7 d、28 d彈性模量較3%石粉含量時分別提高了13.2%和11.1%，表現出與抗壓強度隨石粉含量變化相似的趨勢。在同配合比條件下，石粉含量對混凝土彈性模量的影響取決于以下兩方面的因素：一是石粉對混凝土強度的提高作用有利于增大其彈性模量；二是石粉含量的增加使得漿體體積增多，增加了漿集體積比，將降低混凝土彈性模量[8]。本試驗中機制砂混凝土彈性模量隨石粉含量增加而增大，說明石粉含量在9%以內對彈性模量的影響以增強的正作用為主。

圖4 石粉含量對機制砂混凝土彈性模量的影響Fig.4 Influence of stone powder content on the elastic modulus of manufactured sand concrete

2.4 石粉含量對混凝土氯離子擴散系數的影響

圖5為石粉含量對機制砂混凝土28 d氯離子擴散系數的影響。可以看出，石粉含量為3%～9%的4組C50機制砂混凝土均具有較高的抗氯離子滲透性，28 d氯離子擴散系數均小于3.0×10-12m2/s，且隨著石粉含量的增加，混凝土抗氯離子滲透性能增強，石粉含量9%的機制砂較石粉含量3%的機制砂混凝土氯離子擴散系數減低22%。其主要原因是：石粉的物理填充效應提高了混凝土的密實度，阻塞了氯離子擴散通道，在一定的范圍內，石粉含量越高，混凝土滲透性越低[9]。

圖5 石粉含量對機制砂混凝土28 d氯離子擴散系數的影響Fig.5 Influence of stone powder content on chloride diffusion coefficient of manufactured sand concrete at 28 d

2.5 石粉含量對混凝土抗凍性的影響

表6為石粉含量對機制砂混凝土抗凍性能的影響。可以看出，四組不同石粉含量的機制砂混凝土經過300次凍融循環后，相對動彈性模量均大于60%，表明該C50花崗巖機制砂混凝土抗凍等級均大于F300級，具有很高的抗凍性。從四組石粉含量的機制砂混凝土凍融過程中相對動彈性模量變化規律來看，相互間差別很小，表明石粉含量在3%～9%范圍變化對C50機制砂混凝土抗凍性影響不大，主要是因為C50機制砂混凝土本身具有較低的水膠比，混凝土硬化后結構密實，孔少。

表6 石粉含量對機制砂混凝土抗凍性能的影響Table 6 Influence of stone powder content on frost resistance of manufactured sand concrete

2.6 石粉含量對混凝土干燥收縮的影響

混凝土的干縮值隨石粉含量變化關系如圖6所示。由圖6可知，石粉含量對混凝土干縮的影響隨干縮齡期不同而有不同的規律。早齡期1～7 d的干縮率隨著石粉含量的增加而逐步增大，7 d齡期以后的干縮率隨石粉含量的增加呈現先增后減的趨勢，干縮率值在石粉含量為7%時達到最高。其原因有兩方面：一方面，石粉含量的增加，使混凝土中漿體含量增加，從而增大了混凝土的收縮值；另一方面，石粉顆粒可以填充混凝土的空隙，使得混凝土孔結構細化，內部結構變得更加致密，一定程度上抑制了混凝土的收縮，因而混凝土干縮率下降[10]。混凝土干縮率的變化趨勢取決于這兩方面的因素，當前者作用占優勢時，收縮值增大，當后者作用效果占優勢時，收縮值將降低，因此，對于機制砂混凝土而言，其收縮值隨石粉含量變化存在一個最大值。

圖6 石粉含量對機制砂混凝土干燥收縮的影響Fig.6 Influence of stone powder content on drying shrinkage of manufactured sand concrete

3 結 論

(1)在花崗巖機制砂石粉含量3%～9%的變化范圍內，隨著石粉含量的增加，C50機制砂混凝土達到同等工作性所需的減水劑摻量逐漸增加，7 d和28 d抗壓強度和彈性模量逐漸增大，抗折強度呈先增后降的趨勢，石粉含量5%時最大。

(2)C50機制砂混凝土的抗氯離子滲透性隨著石粉含量的增加而增強，抗凍等級均超過F300，石粉含量對其抗凍性影響不大。

(3)隨著石粉含量從3%增加到9%，C50機制砂混凝土的早期干縮逐步增大，后期干縮呈先增后減的趨勢，石粉含量為7%的機制砂混凝土的后期干縮最大。