機制砂石粉含量對混凝土性能影響研究

余澤文 袁飛飛 周孝軍 丁慶軍

【摘要】文章通過試驗研究，探討了石粉含量對C40機制砂混凝土工作性能、力學性能、勻質性與干燥收縮的影響。結果表明：石粉可提高機制砂混凝土拌合物的粘聚性與保水性、避免泌水離析，同時提高混凝土的抗折、劈拉與抗壓強度，且石粉含量在10 %～15 %范圍時，對混凝土工作性能與強度的提高作用最佳;隨石粉含量增加，混凝土勻質性提升，而石粉含量超過10 %后，對勻質性提升趨于穩定;機制砂混凝土的早期干縮隨石粉含量增加而增加，而7 d后的干縮在石粉含量為10 %時最大。研究成果為高石粉含量機制砂在山區高速公路橋梁工程中應用提供了技術支撐，為合理控制石粉含量提供了依據。

【關鍵詞】機制砂; 石粉; 工作性能; 力學性能; 干燥收縮; 勻質性。

【中國分類號】TU528【文獻標志碼】A

1 工程概況

石粉是在機制砂生產過程中產生的粒徑小于75 μm的顆粒，其與機制砂的礦物組成、化學成分一致，與天然砂中泥粉有本質區別[1-2]。國內外大量研究表明[2-8]，機制砂并非“越干凈越好”，機制砂中適量的石粉有助于提升混凝土的性能。文獻[9]認為C30～C60混凝土中機制砂石粉含量限值可控制在10 %;文獻[10]認為C25～C45混凝土中機制砂石粉最佳含量在11 %～14 %之間，C60混凝土合理石粉含量在6 %～9 %之間;文獻[11]認為C30機制砂混凝土的最佳石粉含量為9 %～12 %;文獻[12]認為C35和C45機制砂混凝土的石粉合理含量為7 %～13 %和5 %～8 %。總體來看，大部分研究都表明機制砂石粉含量可以高于現行國家標準，但不同強度等級混凝土的機制砂石粉含量限值差異較大，即使相同強度等級混凝土，石粉含量也沒有統一標準。因此，本文針對四川樂（山）西（昌）高速公路橋梁工程C40混凝土，采用工程現場原材料，通過試驗研究，分析機制砂的石粉含量對混凝土工作性能、力學性能、勻質性與體積穩定性的影響，為高石粉含量機制砂混凝土工程應用提供支撐。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

①水泥：拉法基P.O 42.5水泥，3 d抗壓強度28.7 MPa，28 d抗壓強度51.9 MPa;②粉煤灰：習水Ⅱ級粉煤灰，燒失量7.3 %，需水量比100 %，28 d活性指數74.0 %;③機制砂：瀘州石板灘石灰巖機制砂，技術指標見表1;④石：瀘州石板灘碎石，粒徑5～25 mm，壓碎值7.4 %，針片狀含量4.5 %;⑤石粉：由石板灘機制砂生產過程中風選而得，其成分與機制砂一致;⑥外加劑：聚羧酸高性能減水劑;⑦水：自來水。

2.2 配合比

通過水洗、摻配石粉的方法，調整機制砂中石粉含量為0、5 %、10 %、15 %和20 %，以探討石粉含量對混凝土性能

的影響。按照DB 51/T 1995- 2015《機制砂橋梁高性能混凝土技術規程》進行配合比設計，調整用水量與外加劑摻量，以保持混凝土的坍落度基本一致，各組配合比如表2所示。

2.3 試驗方法

①混凝土拌和物性能按GB /T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》進行測試。②混凝土的力學性能依據GB /T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試。③混凝土的干燥收縮按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性和耐久性能試驗方法標準》進行測試。④根據GB/T 4340.1-2009《金屬維氏硬度試驗方法》，采用HV-1000Z顯微硬度計測試混凝土試件28 d顯微硬度。

3 結果分析與討論

3.1 對混凝土拌合物性能的影響

當混凝土拌合物的坍落度基本相同時（200±10 mm），其擴展度、含氣量與表觀狀態等見表3與圖1。可見，石粉含量對混凝土拌合物工作狀態有較大影響。機制砂不含石粉時，混凝土拌合物較松散、包裹性差，出現泌水離析，表面有明顯大氣泡。石粉含量增加到5 %時，由于其微填充效應，混凝土拌合物粘聚性與保水性提高，包裹性與泌水性能有所改善，表面大氣泡也減少;同時用水量減小，擴展度增加，石粉的摻加表現出一定減水作用和潤滑效應。石粉含量增加到10 %時，混凝土粉體材料總量增多，比表面積加大，吸附水量增多，需增加用水量與外加劑摻量以到達一致的坍落度;另外，較多的粉體材料，也使得漿體富裕量與粘稠度增加，混凝土拌合物包裹性好，擴展度達到510 mm，流動性進一步提升，但氣泡不宜排出，表面氣泡少且含氣量增加。石粉含量增加到15 %時，用水量與外加劑摻量持續增加，此時混凝土拌合物因粘稠度高，翻鏟稍吃力，擴展度減小，流動性下降，大氣泡較少，含氣量進一步增加。當石粉含量到達20 %時，混凝土拌合物過于黏稠，擴展度下降至460 mm，流動性明顯變差，翻鏟較吃力，含氣量增加至2.9 %，表面氣泡較少，排氣不暢，施工時易在模板壁富集而形成氣孔、麻面等缺陷。

3.2 對混凝土勻質性的影響

混凝土勻質性差時，表面顯微硬度差異明顯[13]。因此，通過硬化混凝土試件表面顯微硬度測試，研究石粉含量對混凝土勻質性的影響，測試結果見圖2。可見，適量的石粉可改善混凝土的整體勻質性。當機制砂不含石粉時，硬化混凝土試件上部的顯微硬度值最小，上下部位的顯微硬度差值最大，主要因混凝土拌合物包裹性差，出現泌水離析，且粉煤灰上浮，混凝土整體勻質性較差。隨石粉含量增加，石粉的微集料效應增強了混凝土的密實性，改善泌水性能，試件上下部的顯微硬度差逐漸減小，混凝土的整體勻質性改善明顯。當石粉含量超過10%后，上下部顯微硬度差值的降幅也減緩，混凝土勻質性改善趨于穩定。但由于漿體過于粘稠，混凝土工作性能變差，排氣不暢，含氣量增加，試件上下部表面的顯微硬度均出現小幅下降。

3.3 對混凝土力學性能的影響

機制砂中不同石粉含量對C40混凝土抗折、劈裂抗拉與抗壓強度的影響見表4。隨石粉含量增加，混凝土的強度呈現先增加后降低的趨勢。石粉含量達到10 %時，各項強度均達到最大值，7 d齡期時較不含石粉混凝土的抗折、劈裂抗拉與抗壓強度分別提高18.5 %、15.3 %與11.8 %，28 d齡期時則分別提高15.3 %、14.3 %與11.9 %。石粉含量增加到15 %后，混凝土強度開始出現緩慢下降。當石粉含量達到20 %時，混凝土強度出現下降較明顯，幾乎與不含石粉時混凝土強度接近。可見，石粉含量在10 %～15 %時，其對混凝土強度的增加作用較明顯。分析原因在于：一方面石粉粒徑小，具有微集料填充效應，提高了混凝土拌合物的保水性與粘聚性，提升了混凝土的勻質性以及混凝土微結構的致密性[8];同時石粉對CH和C-S-H的形成起到晶核作用，加速水泥的水化，另外，石粉本身也可以與C3A反應，形成水化碳鋁酸鈣[14-15]。但石粉含量達到一定程度時，過多的石粉反而破壞了混凝土中粉體材料的密實堆積結構，且粉體材料比表面積增大，需水量與外加劑用量增多，漿體過于粘稠，拌合物工作性能差，排氣不暢，硬化混凝土微結構密實度差，有害孔增多、凝膠孔減少[12]，從而導致強度下降。

3.4 對混凝土干燥收縮的影響

圖3為不同石粉含量機制砂混凝土的干燥收縮率測試結果。總體來看，石粉含量對機制砂混凝土干燥收縮的影響與齡期有關，這與文獻[9]的測試結果相似。在1～3 d齡期時，石粉的晶核效應較明顯，加速了水泥的水化進程，從而使得早期收縮增加，且隨石粉含量增加，混凝土的干縮增加。在7～360 d齡期段，各組試件均在7～60 d齡期的干縮發展較快，60 d齡期后干縮趨于穩定，且在各齡期均表現為石粉含量為10 %的試件干縮最大，其次是石粉含量15 %的試件，然后依次是石粉含量20 %、5 %與0 %的試件。3 d后水分散失加快，石粉含量越高，因用水量增加，使得混凝土干縮增加。另外，大多數石粉不能參與水泥水化而且起到微集料的填充作用，特別是石粉含量到達一定程度時，微集料填充效應較明顯，提升混凝土的致密性，改善毛細孔結構，增加毛細孔曲折程度，從而減小水分流失，降低混凝土干縮。

4 結論

（1）機制砂中的石粉能提高混凝土拌合物的粘聚性與保水性，避免泌水離析。石粉含量在10 %～15 %時，對混凝土工作性能提升作用最佳;石粉含量超過15 %后，混凝土工作性能下降、含氣量增加明顯，對混凝土的強度與耐久性不利。

（2）隨石粉含量增加，混凝土的勻質性逐漸提升，當石粉含量超過10 %后，混凝土試件表面上下部顯微硬度差值變化不大，對混凝土勻質性的改善效果趨于穩定。

（3）石粉具有微集料效應與晶核作用，可提高機制砂混凝土的強度，石粉含量在10 %～15 %時，對機制砂混凝土的強度提升最佳。石粉對機制砂混凝土抗折強度增強作用最明顯，其次是劈裂抗拉強度，對抗壓強度提高相對最小。

（4）石粉對機制砂混凝土的干燥收縮與齡期相關，1～3 d時的干縮隨石粉含量增加而增加，而7 d后的干縮在石粉含量為10 %時最大。

綜上所述，機制砂中含有適量的石粉有助于提升混凝土的性能，針對樂西高速橋梁工程應用的C40機制砂混凝土，其機制砂中石粉含量可以放寬至10 %～15 %。

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