石粉含量對高性能混凝土性能的應用研究

趙翔宇

(山西省交通建設工程質量檢測中心(有限公司)，山西 太原 030006)

1 引 言

近年來隨著我國大基建不斷的發展，各種原材料資源出現了匱乏的局面，而且各地的價格不斷的創出新高，其中天然砂表現的尤為突出；而天然砂短缺的另外一個重要原因就是國家環保資源的保護所致；這樣使得機制砂的地位在近幾年得到了很大的提高；而石粉只有在確保機制砂優質的前提下才能夠更好的使用，在高性能混凝土、高強混凝土中對于機制砂的使用在行業及研究機構都進行了系統的研究，重點就廣東懷陽高速公路西江特大斜拉橋C55混凝土中不同石粉含量對混凝土的性能進行研究。

2 高性能混凝土及石粉的定義和性能要求

2.1 高性能混凝土定義及性能

美國ACI與NIST最早提出高性能混凝土，對高性能混凝土提出是優于普通混凝土，有穩定的強度值，其性能高于普通混凝土且具普通混凝土不具有的性能。高性能混凝土從材料的選用及配合比的設計都要嚴格進行設計，確保其具有好的工作性能、便于施工振搗，同時高性能混凝土的早期強度要高，并具混凝土體積及性能的穩定性；ACI對該定義所作的解釋是：“高性能混凝土是一種異于普通混凝土特性的拌合物”。針對此在高層建筑、大跨徑橋梁以及異常環境下的高性能混凝土其特性顯得尤為突出。

《高性能混凝土應用技術規程》(CECS 207：2006)中規定為：采用常規材料和工藝生在產，具有混凝土結構所要求各項力學性能，具有高耐久性、高工作性和高體積穩定性的混凝土[1]。其必須具有設計要求的強度等級，在設計使用年限內必須滿足結構承載和正常使用功能要求。

2.2 高性能混凝土應滿足下列一種或幾種技術要求[1]

(1)水膠比宜取低值；

(2)早期強度(7 d)達到設計強度值的90%;

(3)300次凍融循環后相對動彈性模量大于80%；

(4)膠凝材料強度不得低于52.5。

2.3 機制砂及石粉定義及性能要求[2]

機制砂目前涉及的主要料源有花崗巖、玄武巖、正長巖、片麻巖、石英巖、石灰巖、白云巖、大理巖等十幾種。通過對機制砂的生產來進一步生產石粉；其中機制砂混凝土施工規范部分主要參照中華人民共和國交通運輸行業標準《公路工程水泥混凝土用機制砂》(JT/T 819—2011)。另外也融合了機制砂研究的最新進展，這些內容由于尚沒有國家標準和行業標準可以參照，采用“在試驗成功，建設方批準的情況下可采用”的形式提出，旨在促進機制砂的科學使用，避免資源浪費，提高工程建設質量。機制砂從粒徑來分析研究，目前規范及規程從公稱粒徑來區分，粒徑小于5 mm的顆粒。而石粉是在《人工砂混凝土應用技術規程》(JGJ/T 241—2011)中這樣定義，經過人工對石料的再加工，其公稱粒徑小于80 μm的顆粒物質，且該石粉的物理和化學成分均與破碎的母巖相同；機制砂中的石粉含量并不是越低越好，適量石粉在機制砂混凝土中對工作性、強度、耐磨、耐久性往往有良性作用，如果將石粉含量控制在較大的限值，并不是放低了技術標準，和我國標準體系中“地方標準不得低于國家標準”并不違背。

(1)機制砂的吸水率不得大于3%；單級最大壓碎值指標小于25%；

(2)機制砂的物理指標應符合現行標準《普通混凝土用砂、石質量及檢驗標準方法》(JGJ52—2006)之規定。

(3)機制砂混凝土應選擇硅酸鹽水泥，水泥等級宜采用52.5級水泥；水泥入機溫度不得高于60 ℃。

(4)機制砂的顆粒級配除滿足規范規定外，除孔徑4.74 mm、600 μm累計篩余外，其余孔徑的累計篩余可以超出規范之規定，但不應超出5%；

(5)用于加工機制砂的母巖應不具有潛在堿活性，SO3含量必須符合規定。

2.4 石粉的作用機理

微集料填充作用。石粉在混凝土中優先參與水化反應，只有微顆粒與水分子充分吸收包裹，石粉顆粒才會進行有效的運動；然后在混凝土骨架間隙中填充骨架孔隙，如何充分填充這就需要我們在實際施工中加強對混凝土成型的有效規范振搗，這樣使得結構混凝土密實性得到有效提高，從而對提高強度有很高的作用。

保水增稠作用。石粉在混凝土中對水分子有一定的的吸附作用，使得混凝土單位用水量增加，混凝土的流動性能增強，這樣混凝土的工作性可以提高便于施工；另一方面，混凝土在發生水化作用時，又會釋放水分子用于補償混凝土的收縮。

3 原材料及試驗方法

3.1 原材料

(1)中材水泥：P.052.5R；

(2)機制砂：廣東省云浮市封開縣銀灘石場生產；

(3)碎石：5～20.5 mm的連續粒徑的花崗巖碎石；

(4)石粉：南中宜材石粉生產廠;

(5)外加劑：聚羧酸高效減水劑;

(6)水：自來水或者井水。

3.2 試驗方法

(1)混凝土拌合物性能依據GB/T50080《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》的規定進行，混凝土抗壓依據GB/T50081《普通混凝土力學性能試驗方法標準》的規定執行。試件采用標準試件150 mm×150 mm×150 mm，一組三塊試件在標準養生條件下養生28 d，標準養生條件溫度20±2 ℃，濕度≥95%，試件達到齡期后及時從養護室取出，并把試件表面的水汽用軟布擦拭干凈，在2 000 N壓力機上進行試驗。對于每一組試件強度的確定采用代表值進行確定。

(2)混凝土拌合物干縮性試驗：試驗是指混凝土試件在標準溫度和濕度下，試件失水后導致試件在長度方向上的變化。試件有一組三塊標準試件組成，試件用預埋測釘發，在標準養生條件下帶釘養護1～2 d，試件在標準養生條件下3 d，應從標準養生室取出立即放入干縮室內，并及時量測試件軸向長度方向的長度，按照規程進行標準試驗和計量。

(3)混凝土耐久性試驗(電通量法)：試件采用φ=100±1 mm，高度50±2 mm的圓柱型試件；首先對于試件達到標準養生條件(28)時，進行試驗如果試件摻大量的礦物摻合料試驗齡期可以取56，本試驗根據項目進度要求未摻加礦物摻合料，齡期取標準養生條件進行試驗；首先對表面進行干燥處理；其次，在測試前應進行真空保水；然后注入化學溶液作為導電介質；對于滿足試驗條件的試件進行試驗，試驗在20～5 ℃溫度下進行；對于試驗結果按照試驗規程進行處理，原則上采用三個數值的算術平均值。

(4)混凝土抗滲性試驗；試驗采用一組6個直徑為150 mmd的圓形試件，當試件達到標準養生條件齡期時按照規程要求進行試驗；首先對試驗表面進行處理，達到試驗要求條件后對其側面涂層密封材料；其次對密封好的試件進行逐級加壓，每個8 h增加一個單位0.1 Pa，觀測斷面滲水情況，直至達到試驗規程停止加壓的標準后，停止試驗根據試驗結果對滲水等級進行判定。

4 試驗結果與分析

4.1 C55混凝土配合比

配合比采用C55混凝土為研究對象，主要研究石粉含量對混凝土的工作性和強度的影響。對于混凝土配合比的控制，必須做好一下幾方面的工作來保證混凝土的施工質量：(1)生產所用的原材料必須從源頭上管控好，建立健全材料的管理制度，其中特別是外加劑的使用要做好使用前適用性檢驗；(2)拌合站計量準確是保證高性能混凝土質量的關鍵，其中拌合站檢定周期不得大于1年；(3)在整個混凝土拌合管理過程中，協調好人、料、機的合理利用，確保混凝土的施工質量，其中拌合時間要較普通混凝土延遲20～30 s，可以提高混凝土的工作性能；對于此混凝土配合比設計充分考慮結構對于早期強度要求較高，因為配合比設計對于礦物摻合料就進行了嚴格的控制，因其如果摻加了礦物摻合料勢必對于混凝土早期強度進行了限制，影響結構早期外加應力的施作，而影響工程進度，因此項目在混凝土設計前期就充分考慮了這一點，因此在石粉的使用比例也進行了有效的設計。且機制砂中小于80 μm的顆粒含量要控制到一定范圍，這樣從另一方面技術要求可以確保混凝土的和易性滿足施工質量的需要。C55混凝土基準配合比見表1。

表1 C55基準配合比

4.2 石粉含量對機制砂混凝土強度和工作性的影響

石粉采用2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%的含量進行混凝土配制，計量嚴格按照預定比例進行，在每一種摻配比例下，對混凝土進行拌制，嚴格控制混凝土的摻配比例、用水量、拌合時間等等；記錄生產混凝土的工作性能及外觀質量，然后對混泥土拌合物性能和抗壓強度試驗，通過試驗建立其數學關系，并進行系統的分析研究。試驗結果見表2和圖1、圖2。

表2 石粉含量對混凝土的試驗結果

圖1 石粉含量與強度圖

圖2 石粉含量與坍落度圖

從表2、圖1、圖2得出，C55混凝土在石粉含量在2%～14%之間，混凝土的工作性及粘聚性性能成向好趨勢，從圖中可以看出石粉含量與塌落度成反比例關系，從而說明隨著其值增加，混凝土流動性性能降低工作性能變差，這樣不利于混凝土的輸送及大方量澆筑。通過試驗分析原因是石粉含量小的狀態下，其微小的吸水作用對混凝土的坍落度影響較小，當石粉含量超過10%以后，坍落度下降趨勢明顯，從而印證石粉含量其微小吸水作用增大；石粉含量對混凝土強度的影響，從表2及圖1看出，隨著石粉含量的增加混凝土成上升趨勢，但當石粉含量達到一定量后，強度有減小的趨勢，當石粉含量達到10%時，混凝土強度值相對較高，在增加混凝土強度成下降趨勢。分析原因是因為石粉在混凝土內部起填充作用，使得混凝土的密實度增加，且石粉的吸水性也為混凝土強度在早期強度形成時，提供了水化作用的條件。

4.3 石粉含量對機制砂混凝土干縮性能的影響

石粉含量對機制砂C55混凝土在不同含量的情況下，混凝土干縮試驗對比如圖3，從圖3可以看出機制砂混凝土隨著石粉含量的增加混凝土干縮率存在一個最大值，本試驗研究結果石粉含量最大值為8%，但隨著石粉含量的繼續增加，混凝土的干縮率反而成下降趨勢。分析原因是由于當混凝土中石粉含量達到最大后，也就是石粉的填充使得結構混凝土孔隙率降低如果繼續增加其混凝土的密實性到達一個恒定值，干縮率反而變化不大，成下降趨勢！

圖3 石粉含量與干縮率關系圖

4.4 石粉含量對機制砂混凝土耐久性能的影響

混凝土的耐久性是指抗滲性、抗凍性、抗侵蝕性、抗碳化性及防止堿-集料反應等，統稱為混凝土的耐久性[3]。我國對于高性能混凝土的研究和設計，基本立足于在普通混凝土的基礎上大幅提高混凝土的耐久性能，以耐久性作為配合比設計的主要指標。所以縱觀以上性質其本質取決于混凝土的密實性能，而密實性能的評價目前使用傳統滲水壓法(GBJ82-85)，但其對于高性能混凝土的評價其結果還有待商榷。為更好的對其滲透性進行評價，目前是使用最廣的電測方法是電通量檢測方法。通過本試驗研究結果圖4可以看出，對于混凝土的耐久性而言，在混凝土的組成中石粉含量是影響最低的，且電通量變化率也低。分析原因主要是石粉含量對于C55混凝土的孔隙率影響不同所致。對于C55混凝土其配合比中使用的碎石為公稱粒徑5～20 mm的小碎石，其孔隙率勢必偏小，混凝土較密室。這樣通過試驗測得不同石粉含量下的混凝土其電通量變化幅度很小，因此其耐久性通過電通量試驗測得，石粉含量對機制砂混凝土耐久性影響很小。

圖4 石粉含量與電通量關系圖

4.5 石粉含量對機制砂混凝土抗滲性的影響

研究通過對不同石粉含量的C55混凝土進行抗滲性試驗，試驗表明其抗滲性變化較小，分析其原因主要是C55混凝土其水泥用量較大，結果使結構混凝土密實度較大，因此不同石粉含量特別是含量在5%～10%的情況下，混凝土抗滲性試驗表現出對其影響較小。

5 結論及建議

(1)機制砂混凝土強度值與石粉含量成正比例關系，且當石粉含量達到10%時，其強度值達到峰值。因此在制作C55混凝土時根據地材的可取性石粉含量在2%～10%范圍內取值制作混凝土是合理可行的。

(2)C55混凝土坍落度與石粉含量成反比例關系；在實際應用中特別是采用泵送混凝土要嚴格控制石粉含量，確保混凝土的泵送性能。

(3)C55混凝土隨著石粉含量的增加，混凝土的干縮率存在一個最大值，但隨著石粉含量的繼續增加，混凝土的干縮率成下降趨勢。

(4)C55混凝土石粉含量對于其耐久性影響較小是通過試驗獲得，能夠很好的說明石粉含量對混凝土耐久性的影響。

(5)不同石粉含量下C55混凝土抗滲性影響較小。