機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土性能的影響研究

摘要：為找出機(jī)制砂中合理的石粉含量范圍，配制出高流動(dòng)性、高體積穩(wěn)定性、高耐久性的混凝土，文章依托南寧某橋梁工程，研究機(jī)制砂石粉等微細(xì)集料（粒徑<0.075 mm）對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，并通過(guò)配置不同石粉含量的機(jī)制砂混凝土，測(cè)試其坍落度、擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度等性能指標(biāo)，結(jié)果表明：綜合考慮拌和性能和力學(xué)性能的前提下，C50機(jī)制砂混凝土的最佳石粉含量是7%～10%。

關(guān)鍵詞：機(jī)制砂混凝土;石粉含量;流動(dòng)性;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：U416.03A080304

0 引言

機(jī)制砂在歐美等國(guó)建筑工程領(lǐng)域上的應(yīng)用已有30年的歷史，并形成了較為完善的材料、試驗(yàn)及使用標(biāo)準(zhǔn)體系。我國(guó)對(duì)機(jī)制砂混凝土的研究起步較晚，工程建設(shè)過(guò)程中仍以天然河砂作為主體細(xì)集料。伴隨著我國(guó)基建規(guī)模的不斷擴(kuò)大與更新?lián)Q代，天然河砂的需求量不斷擴(kuò)大。然而無(wú)節(jié)制的開(kāi)采天然河砂對(duì)水利環(huán)境以及生態(tài)多樣性造成了惡劣的影響，因此使用機(jī)制砂制備混凝土已成為國(guó)內(nèi)基建持續(xù)發(fā)展的必要方向之一[1- 2]。而如何使用機(jī)制砂制備高標(biāo)號(hào)混凝土并使其性能滿足施工要求，是國(guó)內(nèi)機(jī)制砂發(fā)展的首要問(wèn)題之一。

機(jī)制砂區(qū)別于天然河砂的原因之一是生產(chǎn)機(jī)制砂過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的石粉[3]。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)將石粉定義為在機(jī)制砂制作過(guò)程中產(chǎn)生的礦物組成，成分與母巖一致，且公稱粒徑<80 μm的細(xì)小顆粒[4]。由于石粉的比表面積極小，一定量的石粉在混凝土水化過(guò)程中能有效地填充混凝土漿體的孔隙，減小粗細(xì)骨料之間的碰撞，從而使機(jī)制砂混凝土的和易性優(yōu)于天然骨料混凝土[5]。因此，石粉含量是影響高標(biāo)號(hào)機(jī)制砂混凝土性能的關(guān)鍵因素之一。有關(guān)學(xué)者對(duì)高標(biāo)號(hào)混凝土中的石粉摻量做了相應(yīng)的研究：趙春磊等[6]根據(jù)機(jī)制砂混凝土配制原則，配置了C55機(jī)制砂混凝土并對(duì)工作性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，將石粉控制在6%～8%時(shí)，混凝土性能表現(xiàn)良好且較為經(jīng)濟(jì);王恒[7]研究了石粉含量分別為0%、3%、6%、8%和10%的C80混凝土坍落度、擴(kuò)展度及抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)，結(jié)果表明，石粉含量為0%～6%時(shí)能夠有效提高砂漿的流變性，而當(dāng)石粉含量超過(guò)8%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度有所降低甚至不滿足相應(yīng)型號(hào)混凝土的強(qiáng)度要求;余澤文等[8]研究了不同石粉含量對(duì)C40混凝土的工作性能與抗壓性能的影響，結(jié)果表明，石粉含量為0%～10%的混凝土相較于對(duì)照組（0%）而言，其流動(dòng)性與黏稠度更好，而當(dāng)石粉含量達(dá)到15%～ 20%時(shí)，伴隨黏稠度的進(jìn)一步提升，混凝土的流動(dòng)性與拓展度降低，且在混凝土施工時(shí)容易造成麻面、蜂窩的不良現(xiàn)象。

綜上所述，機(jī)制砂混凝土中石粉含量對(duì)混凝土性能起著至關(guān)重要的影響。本研究依托橋梁實(shí)體工程，通過(guò)控制石粉含量，設(shè)計(jì)配合比，制備C50混凝土并對(duì)其不同時(shí)間段的坍落度以及抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，以確定最佳石粉含量，并在施工中跟蹤驗(yàn)證其工作性能。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1 水泥

水泥使用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。

1.1.2 集料

粗集料規(guī)格為5～26.5 mm，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。機(jī)制砂母巖取于公路開(kāi)挖段，屬于石灰?guī)r，母巖單軸飽和狀態(tài)抗壓強(qiáng)度為78.9 MPa。機(jī)制砂性能指標(biāo)如表3所示。

1.1.3 粉煤灰

粉煤灰選用F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合規(guī)范要求，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

1.1.4 外加劑

外加劑采用高性能聚羧酸減水劑，其性能指標(biāo)見(jiàn)表5。

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

對(duì)不同標(biāo)號(hào)的C50混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，其指標(biāo)如表6所示。

（2）對(duì)機(jī)制砂進(jìn)行水洗，對(duì)經(jīng)洗脫后的懸浮液進(jìn)行靜置處理，后取其沉淀物進(jìn)行烘干，獲得石粉含量，再按石粉質(zhì)量加入干砂調(diào)整石粉含量

1.2.2 混凝土抗壓試驗(yàn)

將不同石粉含量的機(jī)制砂混凝土分別制作成三組150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，分別對(duì)試塊使用微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。其中抗壓強(qiáng)度公式為：

式中：fcu（MPa）——混凝土立方體試件的抗壓強(qiáng)度，精確到0.1 m;

F——試件破壞荷載（N）;

A——試件承壓面積（mm2）。

1.2.3 混凝土流動(dòng)性能試驗(yàn)

通過(guò)配制不同石粉含量（5%、7%、10%、12%、15%）的機(jī)制砂混凝土，將機(jī)制砂水洗烘干以去除其石粉，按石粉質(zhì)量加入到烘干后的機(jī)制砂中，從而控制機(jī)制砂石粉含量。依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，測(cè)試不同石粉含量的機(jī)制砂混凝土拌和物性能，在混凝土拌和后分別測(cè)試其初始坍落度、擴(kuò)展度以及1 h后坍落度、擴(kuò)展度。

1.2.4 亞甲藍(lán)試驗(yàn)

通過(guò)配制2%、4%、6%、8%、10%、12%等6個(gè)不同石粉含量的機(jī)制砂樣品，檢測(cè)樣品細(xì)度模數(shù)、亞甲藍(lán)（MB）值，并外摻3%的黏土后再次進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比這兩次MB值的檢測(cè)結(jié)果并進(jìn)行分析總結(jié)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 試件外形樣貌

C50混凝土配合比各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，用水桶模具制作的水泥墩外觀色澤一致，無(wú)蜂窩麻面，氣泡少，有鏡面效果，且適配強(qiáng)度為59.9 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

2.2 混凝土抗壓試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

如表7和圖1所示為各個(gè)試件抗壓性能的測(cè)試結(jié)果，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。

從表7和圖1可知，C50機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度隨石粉含量增多而呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，其中以石粉含量為10%的機(jī)制砂混凝土抗壓性能較好。由于石粉極小的粒徑能夠填充混凝土內(nèi)部的空隙，從而提高混凝土的密實(shí)性[9];與此同時(shí)，在水化過(guò)程中反應(yīng)生成的單碳鋁酸鈣和三碳鋁酸鈣能夠提高混凝土中水泥與骨料之間界面過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)度，從而增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度[10]。而石粉含量過(guò)高則會(huì)阻礙漿體與骨料之間的粘結(jié)，在試件受到荷載時(shí)更容易被剝離，使試件強(qiáng)度降低。

2.3 混凝土流動(dòng)性能測(cè)試結(jié)果

C50混凝土流動(dòng)性能測(cè)試結(jié)果如表8所示。不同石粉含量機(jī)制砂混凝土坍落度如圖2所示。不同石粉含量機(jī)制砂混凝土擴(kuò)展度如圖3所示。

由圖2和圖3可知，隨著石粉含量從5增大到15%，C50機(jī)制砂混凝土的坍落度及擴(kuò)展度變化趨勢(shì)為先增大再降低。這表明一定的石粉含量能夠有效提高混凝土的拌和性，從而提高其流動(dòng)性，其中以7%和10%石粉含量的混凝土拌和性較好。由于適量石粉能夠在拌和混凝土的過(guò)程中形成有潤(rùn)滑作用的漿體，從而減少集料之間的摩擦[11]，而過(guò)量的石粉會(huì)使混凝土中的水分被過(guò)多地吸收，在水灰比不變的條件下，沒(méi)有充足的水分會(huì)導(dǎo)致水泥砂漿過(guò)于黏稠[12]，使其拌和性降低。

2.4 石粉含量對(duì)亞甲藍(lán)值（MB值）的影響

不同石粉含量機(jī)制砂的亞甲藍(lán)實(shí)驗(yàn)測(cè)試（MB值）結(jié)果如表9所示。

由表9可知，整體上石粉含量與微細(xì)集料含量呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性，微細(xì)集料含量與細(xì)度模數(shù)呈正相關(guān)性。由此可知，石粉含量所占比例越多，微細(xì)集料和細(xì)度模數(shù)越小。總體上看，MB值隨石粉含量增多而變大，但是在石粉含量超過(guò)4%后MB值變化微小;當(dāng)外摻3%黏土后，不同石粉含量的樣品的MB值幾乎完全相同。

由此可知，極少量的石粉會(huì)引起MB值的增加，這種變化可能是由于少量泥粉附著在石粉中引起的。當(dāng)機(jī)制砂中含有一定量的黏土?xí)r，這種變化極其微小。可知，當(dāng)機(jī)制砂中含有一定量泥粉時(shí)，石粉含量變化引起的MB值變化可以忽略。

3 實(shí)體工程應(yīng)用

將石粉含量為7%的C50機(jī)制砂混凝土應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工中，制作了C50混凝土梁板。在后期對(duì)該梁板的外觀表現(xiàn)與力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，其鋼筋間距與保護(hù)層厚度、回彈強(qiáng)度均符合規(guī)范，且梁板外觀色澤與試件一致，沒(méi)有產(chǎn)生蜂窩麻面的現(xiàn)象，具有鏡面效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)研究了機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，確定了機(jī)制砂中合理的石粉含量范圍，并配制出高流動(dòng)性、高體積穩(wěn)定性、高耐久性的混凝土，主要結(jié)論如下：

（1）一定量的石粉能夠有效地提高C50機(jī)制砂混凝土的拌和性，而過(guò)量的石粉會(huì)增大混凝土的黏性，拌和性較差。其中以7%～10%石粉含量的機(jī)制砂混凝土拌和性較好。

（2）一定量的石粉能夠提高機(jī)制砂混凝土的密實(shí)性，且增強(qiáng)了界面過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)度，起到了提高其抗壓強(qiáng)度的作用;而過(guò)量的石粉會(huì)阻礙漿體與集料之間的粘結(jié)，降低混凝土抗壓強(qiáng)度。其中以10%石粉含量機(jī)制砂混凝土抗壓性能較好。

（3）綜合拌和性能與抗壓性能考慮，石粉含量為7%～10%是C50機(jī)制砂混凝土的最佳含量，C50混凝土梁板外觀色澤良好且無(wú)麻面蜂窩的現(xiàn)象，力學(xué)性能滿足規(guī)范要求。

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作者簡(jiǎn)介：

胡廷志（1988—），碩士，工程師，主要從事高速公路建設(shè)與管理工作。