石粉含量對機制砂混凝土性能影響的研究現狀

陳慧，章家海，項炳泉，王曉海，詹奇淇，張元朔，李娜娜

（1.安徽省建筑科學研究設計院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 230031）

1 引言

目前我國的建筑用砂以天然砂和機制砂為主，其中天然砂總量在近年來的連續開采下不斷下降，產量已經不能夠滿足建筑行業的用砂需求。機制砂是由石料經制砂機破碎、篩分而成的一種人工砂，粒徑多小于4.75mm。相較于普通河砂，機制砂具備原料可控、性能穩定、生產設備和工藝可調、成本低廉等眾多優勢[1]，適宜在建筑行業內推廣應用。美國等發達國家早在上個世紀就開始將機制砂應用于實際工程中[2]。美國曾在1996年對機制砂及其母巖進行過針對性研究，結果表明機制砂大約占集細料的20%。

受到生產工藝及流程的影響，石粉會作為一種副產物出現在機制砂中，其主要礦物成分與母巖相同，含量約占機制砂的10%～20%。機制砂中的石粉具有很多有益作用，一方面，石粉能夠有效改善機制砂的級配；另一方面，石粉在某種程度上可以替代水泥填充混凝土內部空隙，提高混凝土的綜合性能。但現行的國標 GB/T 14684-2011（建設用砂）[3]對C60、C30～C60、低于 C30 混凝土中石粉含量的上限作出了明確規定，分別不應超過3%、5%、7%，即混凝土強度等級越高，對石粉含量的控制越嚴格。若機制砂嚴格按照國標來控制其石粉的含量，制砂成本會大幅上升，還會出現大量多余的石粉，造成資源浪費。同時，考慮到混凝土中細顆粒的不足還會對其硬化過程帶來不利影響，導致離析等現象的出現，造成混凝土質量不合格。基于上述原因，研究機制砂中石粉含量對混凝土性能的影響是極為有必要的。近年來，國內外的學者就機制砂中石粉含量對混凝土工作性能（流動性及和易性）、力學性能（抗壓強度及抗折強度）、耐久性能（抗滲性及抗凍性）等方面的影響規律及機理進行了大量的研究，得出了很多有益的結論，但仍存在一些分歧。

圖1 機制砂生產線

圖2 機制砂破碎機

圖3 機制砂制砂樓

圖4 機制砂生產流程圖

2 石粉對混凝土性能的影響

2.1 工作性能

機制砂中石粉含量對混凝土工作性能的影響主要體現在和易性、流動性、泌水率等方面。楊玉輝、王雨利等[4,5]的研究成果顯示適量石粉的添加能夠提高機制砂混凝土的工作性能，其中C80機制砂混凝土在石粉含量占比為7%時達到最佳。賀圖升等[6]的研究指出石粉含量的增加會使得機制砂混凝土的泌水率下降，泌水潛伏期增加。李鳳蘭等[7]的研究表明當石粉的含量在3%～7%時，機制砂混凝土的和易性和流動性隨著石粉含量的增加而得到改善；當石粉含量高于13%時，機制砂混凝土的和易性和流動性逐漸下降。王雨利等[8]的研究顯示將機制砂混凝土的水膠比設置為0.4來對中低強度等級機制砂混凝土的最佳石粉含量進行預測可以取得很好的效果。楊家偉等[9]通過試驗研究發現低強度等級混凝土的和易性在石粉含量為24.8%時達到最佳。張冬梅[10]等的研究表明石粉含量在4%～8%時，獲得的機制砂混凝土性能較普通混凝土有較大改善，且石粉的粒度越細，混凝土性能越好。當石粉含量在6%時，獲得的機制砂混凝土各方面性能達到最佳。周孝軍等[11]的研究發現石粉含量低于5%時，機制砂混凝土的試件表面有較多氣孔；石粉含量在5%～10%時，機制砂混凝土的和易性、流動性等工作性能均較為優良；當石粉含量超過15%后，機制砂混凝土較黏稠，流動性不佳。張如林等[12]指出添加適當的石粉可以改善機制砂的級配，提高機制砂混凝土的工作性能，且石粉含量存在一個最佳值。雷瑜等[13]的研究指出當C35及C45機制砂混凝土中的石粉含量分別低于9%和8%時，機制砂混凝土與普通河砂混凝土在28d齡期后的干燥收縮情況幾乎相同。李軍等[14]的研究成果顯示適量石粉的添加可以改善機制砂混凝土的工作性能。一定范圍內，混凝土的收縮值隨石粉含量的增多而變大，超過限值后隨石粉含量增多而變小。

綜上所述，石粉含量對機制砂混凝土工作性能的影響存在一個最優值。對于不同的混凝土體系，石粉的最佳含量值是不同的。目前的研究缺少能夠動態獲得不同混凝土體系最佳石粉含量的方法，這將是后續的研究熱點之一。

2.2 力學性能

石粉的添加可以提高混凝土拌合物的保水性，填充混凝土內部空隙，降低孔隙率，因此目前多數的研究認為機制砂混凝土的強度高于同水灰比的天然河砂混凝土。Celik[15]、Topcu[16]、Imène[17]、Eren[18]、黎鵬平[19]、楊海峰等[20]的研究成果顯示機制砂混凝土的抗壓及抗折強度在石粉含量為10%時達到最大值，高于或低于10%時機制砂混凝土均無法發揮其最佳力學性能。石粉含量低于10%時，石粉無法完全填充混凝土內部的空隙；石粉含量高于10%時，沒有足夠的水泥漿體包裹集料。張禮華等[21]的研究認為適宜含量的石粉可以提高混凝土的力學性能。對于C30混凝土，石粉含量不宜超過15%；對于C50混凝土，石粉含量宜在5%～10%之間，以5%左右為佳。黃昌華[22]等通過試驗研究發現當C35和C45機制砂混凝土中石粉的含量分別處于7%～13%和5%～8%時，機制砂混凝土的抗壓強度及劈裂抗拉強度隨石粉含量的增加而提高。機制砂混凝土比普通河砂混凝土具備更加優良的劈裂抗拉及抗裂性能。王青等[23]的研究表明添加適量的石粉有利于混凝土力學強度的提高，中低強度泵送機制砂混凝土的力學性能在石粉含量為22%～25%時達到最佳。謝開仲[24]等的研究表明機制砂混凝土的力學性能隨石粉含量的增加先提高后降低，在3%時達到最佳。

綜上所述，大多數學者的研究表明適量石粉的添加可以提高機制砂混凝土的力學性能。對于不同體系的混凝土，石粉的最優含量是變化的。一般認為，10%左右的石粉含量能夠有效提高機制砂混凝土的力學性能。建立能動態評價不同體系機制砂混凝土最佳石粉含量的評價體系是今后研究的熱點。

2.3 耐久性能

目前國內外關于石粉含量對混凝土耐久性能影響的研究主要集中在抗滲性和抗凍性這兩個方面。在抗滲性方面，多數研究表明添加石粉可以將混凝土內部孔隙填滿，提高抗滲性。在抗凍性方面，受到試驗條件及方法等因素的影響，不同的學者得到的結論有所差異。

李婷婷等[25]的研究認為石粉對含膠凝材料少、強度等級低的機制砂混凝土抗滲性提升明顯，對含膠凝材料多、強度等級高的機制砂混凝土則幾乎無影響。在水壓抗滲方面，C30混凝土在石粉含量達到10%～15%左右時水壓抗滲性最好。王稷良等[26,27]的研究表明機制砂中石粉含量的增加會提升低強度機制砂混凝土的抗氯離子滲透性能，降低其抗凍性能。低強度機制砂混凝土的抗凍性能在石粉含量高于10%時大幅降低；高強度機制砂混凝土的抗滲性能及抗凍性能對石粉含量變化不敏感，當石粉含量從3.5%增加至14%時，其抗滲性能及抗凍性能幾乎無變化。王雨利等[28]的研究顯示機制砂混凝土的抗凍性要弱于河砂混凝土，適量石粉的添加可以提升機制砂混凝土的抗凍性能，機制砂混凝土的抗凍性能與機制砂的母巖種類無關。李鳳蘭[29]的研究指出石粉含量的高低幾乎不影響機制砂混凝土的抗滲性能及碳化性能。李北星等[30]的研究表明機制砂混凝土的抗碳化性能、抗滲性能、抗硫酸鹽侵蝕性能等指標在石粉含量為7%時達到最佳，明顯優于河砂混凝土。楊卓強等[31]指出適量石粉的添加會提高混凝土的抗碳化性能和抗滲性能，石粉含量高低幾乎不影響混凝土的抗凍性能，在實際工程中可不考慮石粉含量變化對混凝土抗凍性能的影響。

綜上所述，大多數學者的研究成果表明適量石粉的添加可以增強低強度混凝土（膠凝材料少）的抗凍性及抗滲性，對于高強度混凝土（膠凝材料多）則影響不明顯。

3 存在的問題及建議

從目前國內外學者對機制砂混凝土的研究成果來看，機制砂混凝土具備突出的經濟效益和環保效益。但目前關于機制砂混凝土的研究還存在一些問題，例如：

①目前研究的機制砂母巖多為石灰巖，很少涉及到其它巖石種類，今后應加強對其它巖性機制砂的研究，拓展機制砂的研究范圍；

②目前石粉含量對機制砂混凝土性能影響方面的研究仍存在爭議，石粉的最佳含量在不同體系的混凝土中各不相同，建立能夠動態評價不同體系機制砂混凝土最佳石粉含量的評價體系是今后研究的熱點方向之一；

③目前，吉林、江西、四川、陜西等地已經相繼頒發了適用于本區域的技術標準來對機制砂的生產與應用進行指導，但由于地區地質條件等因素的差異，不同區域應用的領域有所差異，缺乏統一的執行標準，不利于機制砂混凝土在全國范圍內的推廣應用；

④目前機制砂混凝土的配合比設計仍參考普通混凝土來進行，未體現石粉含量變化對混凝土性能的影響。在今后的配合比設計工作中，應在考慮石粉含量的基礎上對設計值進行動態調整。