石灰巖機制砂技術參數對中等強度混凝土性能的影響

黃京勝，宋少民＊，嚴章國

（1. 北京建筑大學，建筑結構與環境修復功能材料北京市重點試驗室，北京 100044；2. 中國水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽 550008）

0 引言

混凝土作為主要的結構工程材料，是土木工程材料的主體。隨著國家建筑、橋梁、鐵路的高速發展，每年混凝土用量近 80 億立方米。與此同時，許多地區優質河砂資源也正在面臨逐漸枯竭的窘境，機制砂已經替代成為建筑用砂的主力砂源。但機制砂的品質差異很大，人們對于機制砂概念的理解也不夠清晰，行業內存在把石屑混同于機制砂的情況；機制砂的標準也并不相同，許多廠家甚至把石屑當作機制砂供應和應用。由此造成的機制砂對混凝土各方面性能影響也存在誤區，在混凝土中的應用也令人擔憂。宋少民等人[1,2]研究了機制砂巖性對混凝土性能的影響；吳明威等人[3]也對人工砂石粉在混凝土中的應用做了相關研究。當前機制砂在建筑、橋梁、鐵路等多個方向的應用均取得了比較好的效果[4-5]。其實與河砂相比，機制砂是通過機械和特定工藝加工的產品，可根據不同需求生產不同粗細和級配，并且由于機制砂的表面棱角性更強，致使機制砂與水泥漿體的粘結力更強[6]。河砂在同條件下配制的混凝土的強度往往低于機制砂混凝土。設備和工藝不同、巖石母巖巖性不同、母巖表面吸附有害物質含量不同，機制砂品質也不相同，許多機制砂加工廠對所生產的機制砂級配、石粉含量、片狀顆粒含量等指標并不能進行有效地控制[7-8]。

本文選取了部分機制砂針對 C45 大流動性混凝土（參考 JGJ 55—2011 術語中規定[9]：拌合物坍落度不低于 160mm 的混凝土為大流動性混凝土）進行相關試驗研究，通過改變機制砂的單一變量，包括機制砂級配、石粉含量、片狀顆粒含量等指標，研究機制砂品質的改變對混凝土和易性與抗壓強度的影響。

1 原材料與試驗設計

1.1 原材料

（1）水泥：采用北京金隅水泥有限公司生產的P·O42.5 水泥，水泥具體性能指標[10]如表 1 所示。

（2）粉煤灰：采用北京敬業達公司生產的Ⅰ級粉煤灰，其主要性能指標[11]見表 2。

（3）粗骨料：采用北京榆構有限公司公司的石灰巖石子，石子粒徑為 5～20mm 連續級配。粗骨料的性能指標見表 3。

（4）細骨料：采用安順市平壩區遠達建材有限公司生產的石灰巖機制砂，機制砂具體性能指標見表 4。

（5）外加劑：減水劑采用北京市高強混凝土有限責任公司提供的聚羧酸減水劑，具體性能指標[12-13]見表5。

表 1 水泥物理性能指標

表 2 粉煤灰主要性能指標

表 3 粗骨料性能指標

表 4 細骨料性能指標

表 5 混凝土外加劑性能指標

1.2 試驗設計

（1）本試驗混凝土強度等級為 C45，具體配合比見表 6[9]。

表 6 C45 混凝土試驗配合比 kg/m3

（2）坍落度、擴展度試驗參照 GB/ T50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行[14]；試驗參照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行抗壓強度試驗[15]。

（3）文中“比粒度”的概念由北京市建筑工程研究院的傅沛興[16]提出，宋少民完善了比粒度的定義和計算方法，見 CBMF 38—2018 T/CAATB 001—2018《高性能混凝土用骨料》[17]；機制砂片狀顆粒含量的定義見行標 JG/T 568—2019《高性能混凝土用骨料》[18]。

（3）試驗中砂石骨料均經過烘箱烘干，含水率均低于 0.2%。本試驗采用單因素分析方法，X 組為機制砂級配組，其中 X1 為機制砂原有級配，不改變機制砂的細度模數，通過降低 0.6mm、0.3mm 粒徑顆粒，提升其他粒徑機制砂的方式使原有機制砂級配逐漸形成“兩頭大、中間小”的情況，并觀察混凝土和易性與抗壓強度隨機制砂級配變化而變化的相關趨勢，其中石粉含量和片狀顆粒含量均為 0%。B 組為機制砂石粉含量組，含量主要選取 0%、5%、10%、15%、20% 五組進行混凝土的和易性與抗壓強度的探究；與此同時盡可能保持石粉組級配相似，片狀顆粒含量與 X1 組同樣為0%。C 組為機制砂片狀顆粒含量組，選取含量為 0%、10%、20%、30% 的片狀顆粒進行試驗，級配為原砂級配，石粉含量為 0%。機制砂的具體級配如表 7 所示。

表 7 機制砂試驗級配

2 試驗結果及分析

2.1 機制砂級配對混凝土性能的影響

本試驗通過固定減水劑用量和單方混凝土用水量的方式觀察機制砂級配的變化對混凝土和易性和耐久性的影響，其中石粉含量控制在 0%，片狀顆粒含量也為0%。具體情況如表 8 和圖 1、2 所示。

表 8 機制砂試驗級配各組混凝土性能數據

圖 1 機制砂級配對混凝土和易性的影響

圖 2 機制砂級配對混凝土立方體抗壓強度的影響

從表 8 和圖 1、2 中可以看出，在原砂級配基礎上，隨著機制砂中 0.6mm、0.3mm 粒徑顆粒從多到少的級配變化，X1 組機制砂級配 0.3mm 和 0.6mm 顆粒分計篩余過高，混凝土有輕微泌水情況；當 0.6mm 與0.3mm 顆粒砂總占機制砂比例 30%～60% 時（X2～X4），混凝土拌合物狀態良好，尤其是 X3 機制砂級配符合 CMBF 38—2018 T/CAATB 001—2018《高性能混凝土用骨料》Ⅱ級要求，和易性最好；隨著 0.6mm 和0.3mm 砂總占比的進一步減小，混凝土開始出現離析和泌水的現象，這表明合理的級配有利于混凝土的和易性，“兩頭大、中間小”的粒徑分布存在較嚴重的粒徑缺失問題，不能有效填充混凝土的空隙，導致混凝土的黏聚性、保水性較差。觀察混凝土的抗壓強度變化可以發現，機制砂級配好的 X3、X4 組和易性最好，混凝土強度也最高；X5、X6 組和易性不好，抗壓強度也最低，這表明，級配合理的機制砂級配有利于混凝土和易性和抗壓強度；X1、X2 組相較于 X3、X4 組，1.18mm粒徑以上機制砂過低，對混凝土和易性和抗壓強度有一定影響，但不顯著；X5、X6 組相較于 X3、X4 組，0.6mm 及 0.3mm 粒徑機制砂總占比低于 30%，1.18mm以上顆粒含量大于 35%，對混凝土和易性與抗壓強度存在顯著影響。這表明級配不合理的機制砂對混凝土和易性和抗壓強度都有不利影響，因此保證機制砂級配的合理性至關重要。

2.2 機制砂不同石粉含量對混凝土性能的影響

石粉含量組級配如表 9 所示，片狀顆粒含量為0%，減水劑用量不變，不同機制砂石粉含量混凝土坍落度、擴展度及抗壓強度值及其變化規律見表 10 和圖3、4。由表 10 和圖 3、4 可以看出，石粉含量在 5%～10% 時混凝土和易性最好，強度也相對較高。B1、B4和 B5 組混凝土出現了離析或泌水現象，強度也相對較低，最終試驗表明，不含石粉或石粉含量過高都并不有利于混凝土工作性與抗壓強度。適宜的石粉不僅能夠發揮其粒級優勢對混凝土中的空隙進行填充，有利于混凝土拌合物和易性，還可以提高混凝土的勻質性，有利于混凝土性能發展。

表 9 機制砂試驗級配

表 10 機制砂不同石粉含量混凝土性能數據

2.3 機制砂片狀顆粒含量混凝土性能的影響

圖 3 機制砂石粉含量對混凝土和易性的影響

圖 4 機制砂石粉含量對混凝土抗壓強度的影響

圖 5 片狀顆粒含量組混凝土坍落度與擴展度

圖 6 片狀顆粒含量組混凝土立方體抗壓強度

C1、C2 和 C3 組（片狀顆粒含量組）的石粉含量和級配均與 X1 組相同，由于 X1 組 1.18mm 以上粒徑機制砂不足 30%，故通過調整級配使 C4 組（級配見表 11）片狀顆粒含量能夠符合要求，片狀顆粒含量的定義與操作方法見 JG/T 568—2019《高性能混凝土用骨料》，具體情況如表 12 和圖 5、6 所示。

表 11 機制砂試驗級配

表 12 片狀顆粒含量對混凝土性能的影響

如表 12 和圖 5、6 所示，機制砂片狀顆粒越多，混凝土工作性與抗壓強度越差。試驗表明，片狀顆粒含量不利于混凝土流動性與抗壓強度，并且含量越多，影響越明顯。由于機制砂片狀顆粒的形狀差、不規則，內阻力大，也就會加大對漿體的需求量，如不增大漿體用量，會導致混凝土和易性不良，抗壓強度也有所較低。

3 結論

（1）“兩頭大、中間小”的機制砂級配對混凝土工作性和抗壓強度都會有顯著影響，機制砂 0.3mm 和0.6mm 顆粒分計篩余之和在 30%～60%，對于混凝土的和易性和強度保證是有利的。

（2）亞甲藍值較低的前提下，5%～10% 機制砂石粉有利于混凝土和易性與抗壓強度，C45 混凝土機制砂石粉含量宜為 10% 左右。

（3）機制砂片狀顆粒含量高不利于混凝土和易性與抗壓強度發展；對于 C45 混凝土，機制砂片狀顆粒含量不宜超過 10%。