石粉含量對機制砂混凝土力學性能的試驗研究

周春林，施喜孝

（中交四航局第四工程有限公司，四川成都 610218）

引言

在《水工混凝土試驗規程》(SL/T 352-2020)[1]中規定：粒徑在0.16 mm 以下的人工骨料中的顆粒為石粉，適量的石粉可有效提高混凝土拌合物的工作性能，提高密實度[2]。《水工混凝土施工規范》(DL/T 5144-2015)[3]中認為機制砂石粉含量控制在6 %～18 %為宜，國內學者對機制砂石粉中石粉含量最優的問題進行了大量的研究，在控制石粉含量的范圍上仍存在較大的爭議，國內有關方面對機制砂石粉含量的控制問題進行了廣泛的研究。張巖等[4]研究發現，機制砂的石粉含量為10 %左右時，抗沖耐磨混凝土綜合性能最優，綜合考慮加工經濟成本和資源重要性后，機制砂石粉含量控制在11 %～13 %范圍內更合適；肖延亮等[5]研究發現，由于高石粉含量的混凝土拌和物粘稠度較大，其干縮值隨機制砂石粉含量的增加而增加，而混凝土的抗凍性能呈先增后減的趨勢；李新宇等[6]研究了機制砂高云母石粉對抗沖磨混凝土性能的影響作用，發現高云母石粉含量對抗沖磨混凝土的抗沖磨強度及長齡期干縮性能都有較大影響，隨石粉含量在6 %～18 %范圍內增加，抗沖磨混凝土長齡期干縮性能以及抵御推移質和懸移質磨耗的能力都呈劣化趨勢，但過低的石粉含量可能會使混凝土拌合物離析，因此機制砂中的石粉含量需根據原材料的性質控制在一個小范圍內。朱海波等[7]以阿爾塔什水利樞紐工程壩體為研究對象，開展了面板混凝土的抗壓強度試驗研究，結果表明將原材料中的機制砂石粉含量控制在9 %～15 %，可以同時滿足混凝土拌合物性能和混凝土強度要求。

《機制砂抗沖耐磨混凝土最優石粉含量研究》以渠江風洞子航運工程C9035抗沖耐磨混凝土配比設計試驗為基礎，以節材節能為理念，給出了較為經濟適用的機制砂石粉含量控制范圍。

1 工程概況

風洞子航運樞紐工程主要包括新建Ⅲ級船閘一座，有效尺度200×23×4.2 m；新建水電站一座，裝機容量75（4×18.75）兆瓦；新建擋泄水建筑物：20 孔泄洪沖砂閘、非溢流壩、左右岸接頭壩等。其中泄洪沖砂閘底板過流面、閘墩底部、消力池頂面、消力墩、船閘輸水廊道及電站過流面均需設置一層厚度為50 cm 的C35W4F50 抗沖耐磨混凝土。

2 機制砂技術指標及配合比設計

本項目所用機制砂由當地某公司選用潔凈、質地堅硬的石灰巖為母材生產，母巖抗壓強度為80～100 MPa，產品為精品機制砂（S1）和普通機制砂（S2），根據《水工混凝土砂石骨料試驗規程》(DL/T 5151-2014)對兩種機制砂進行顆粒分析。得機制砂的石粉含量、泥塊含量、MB 值等，為深入研究機制砂石粉的技術特性，根據《水運工程機制砂混凝土應用技術規范》(JTS/T 227-2022)，進一步開展燒失量、流動度比等性能試驗研究，結果如表1 所示。

表1 細骨料試驗檢測結果

經試驗檢測結果分析，普通機制砂(S2)石粉含量偏大，不符合《水工混凝土施工規范》(DL/T 5144-2015)中石粉含量6 %～18 %的要求，精品機制砂(S1)各項指標均能達到要求，但石粉含量接近規范下限值，不能充分發揮石粉的填充作用，且該種砂產量有限，無法滿足本工程的使用需要。針對兩種砂的物理特性，可考慮將兩種砂混合調配后使用，配制后的機制砂級配情況如表2。

表2 細骨料顆粒級配合成情況

不同石粉含量的機制砂具有不同的顆粒級配和堆積密度，對混凝土拌合物的工作性能、力學耐久性能和抗沖耐磨性能有一定的影響，精品機制砂按不同比例與普通機制砂混合后，配置C35W4F50抗沖耐磨混凝土，并開展混凝土工作性能、力學耐久性能和抗沖耐磨性能的分析研究。確定摻入機制砂的最佳比例以及摻入石粉的最優區間。控制水灰比、單位用水量、砂率、減水劑摻量、抗沖耐磨劑等指標不變，表3 為兩種機制砂不同調配比例參數，表4 為混凝土拌合物相關性能試驗結果。

表3 混凝土配合比設計參數

表4 混凝土拌合物相關性能試驗成果表

根據試驗結果分析，配合比P1、P2 混凝土的粘聚性較一般，略呈松散狀，隨著石粉含量的增加，混凝土粘聚性表現越來越好，當石粉含量超過17.9 %時，混凝土混合物越來越粘稠，不利于現場施工澆筑。所以機制砂中有一定比例的石粉，有助于改善混凝土拌合物的顆粒級配比，提高新拌混凝土的和易性，但過高的石粉含量會使混凝土拌合物需水量增加，反而對工作性能產生不利影響。石粉含量在11.5 %～16.6 %，混凝土拌合物坍落度經時損失較小，石粉含量超過16.6 %時，石粉中有害雜質和微粒增多，減水劑吸附過多，造成坍落度經時損失逐漸增大。

進一步研究C35抗沖耐磨混凝土硬化后抗壓強度、抗沖磨強度、滲水高度、凍融質量損失率、干燥收縮率，試驗結果如表5 所示。

表5 抗沖耐磨混凝土力學耐久性能及抗沖耐磨性能

根據試驗結果分析，如圖2，在P1～P4 中，隨著機制砂石粉含量的增大，石粉在混凝土拌合物中的填充效應明顯，顯著改善了混凝土的密實性[9]，其抗壓強度、抗沖磨強度均逐漸增大，抗滲性能、抗凍性能也顯著提高；當石粉含量超過15.3 %，其抗壓強度、抗沖磨強度均逐漸緩慢降低，抗滲性能、抗凍性能也均逐漸降低，其原因是砂中石粉含量在完成填充效應后已逐漸富余，過多的石粉含量將可能會對硬化后混凝土的起到反向作用。

圖1 重組機制砂級配情況

圖2 抗沖耐磨混凝土力學耐久性能

針對抗沖耐磨混凝土的干縮性能，如圖3 所示，呈現出的規律與以上不同。當石粉含量在12.7 %左右時達到最大值，然后干縮率逐漸降低，在考慮機制砂中石粉含量增加的情況下，提高了混凝土中的漿體稠度，這就造成了混凝土干縮率的提高。同時，石粉對混凝土的填充作用隨著機制砂中石粉含量的提高變得更加顯著，一定程度上改善了混凝土的收縮程度。以上兩個因素共同決定了混凝土收縮率的趨勢，當前者的影響占主導地位時，混凝土的收縮增幅擴大；而當后者的效應占據主導地位時，混凝土的收縮率則減小。因此，對于混凝土來說，它的干縮率存在一個極值點[10]。

圖3 抗沖耐磨混凝土干縮性能

3 機制砂最優石粉含量評估

渠江風洞子航運工程所用某公司生產的普通機制砂(S2)石粉含量約為21 %，無法滿足《水工混凝土施工規范》(DL/T 5144-2015)中石粉含量6 %～18 %的規定，不宜直接使用。而精品機制砂石粉的含量約為9 %左右，雖然符合規范要求，但石粉含量較小，混凝土的工作性能和力學耐久性能以及抗沖耐磨等方面都達不到最佳效果。因此，如不主動控制機制砂石粉含量，僅通過精品機制砂（S1）配制C35 機制砂抗沖耐磨混凝土，普通機制砂（S2）難以得到合理利用，且混凝土的綜合性能無法達到最優，經濟性較差。

試驗結果表明，當石粉含量較低時，石粉和膠凝材料組合漿體無法有效填充骨料之間的空隙，對混凝土拌和物的工作性能、力學耐久性能、抗沖耐磨性能、體積穩定性等均產生一定的負面作用。石粉含量過大，混凝土骨料比表面積增大，會增加混凝土的單位用水量，從而增加膠凝材料用量，不利于混凝土的溫控防裂；另外，抗沖耐磨混凝土水膠比較低，膠凝材料用量較高，石粉含量過大會使混凝土拌和物變粘稠，不利于混凝土澆筑施工，新拌混凝土排氣困難，導致澆筑后外觀質量差。

由以上試驗結果可知，渠江風洞子航運工程抗沖磨混凝土所使用的機制砂最優石粉含量宜控制在15 %左右，結合本項目精品機制砂（S1）供應效率，推薦渠江風洞子航運工程抗沖磨混凝土機制砂石粉含量（＜0.16 mm）宜控制在13 %～15 %范圍內。

4 結語

通過對渠江風洞子航運工程抗沖耐磨混凝土所使用機制砂石粉含量的優選試驗研究，得出如下結論：

1）采用固定的配合比，即保持水膠比、單位用水量、單位膠凝材料用量、摻量等參數不變的情況下，每增加1 %的石粉摻量，坍落度降低5 mm左右，含氣量提高0.1 %左右；

2）C35W6F50 抗沖耐磨混凝土所用機制砂石粉含量控制在15 %左右時，抗壓強度、抗凍性能、抗滲性能、抗沖磨強度等性能指標均能達到最優情況，石粉含量的減少或增加，混凝土上述相關性能指標均呈下降趨勢；

3）C35W6F50 抗沖耐磨混凝土所用機制砂石粉含量控制在13 %左右時，干縮率達到最大值，石粉含量的減少或增加，干縮性能反而表現更優；

4）C35W6F50 抗沖磨混凝土所使用的最適機制砂石粉含量在15 %左右，為解決渠江風洞子航運工程優質機制砂短缺的問題，充分合理調配利用現有機制砂資源，建議實際機制砂石粉含量控制在13 %～15 %。