機制砂中石粉含量對混凝土性能影響研究

張麗霞 （中鐵二十三局集團軌道交通工程有限公司，上海 201301）

混凝土是建筑領域中一種廣泛應用的材料，其性能直接關系到工程結構的質量和耐久性。在混凝土的配比中，機制砂作為主要骨料之一，其性質對混凝土的整體性能有著重要的影響[1]。為了更好地理解和優化混凝土的性能，關注了機制砂中石粉含量對混凝土性能的研究。機制砂以其合適的密度、顆粒穩定性以及細小的顆粒特性而備受關注[2]，其在混凝土中的應用已成為研究熱點，因為通過調整機制砂的含量，可以靈活地調整混凝土的密實性、重量和流動性，以滿足不同工程需求[3]。因此，深入研究機制砂中石粉含量對混凝土性能的影響機制，對于混凝土的工程應用具有重要的理論和實用價值[4]。在本文中，試驗中關注混凝土物理性能和不同含量石粉之間的關系，通過試驗和綜合性分析，為混凝土配合比的優化提供更為實用的理論依據，以滿足不同工程條件下對混凝土性能的需求。

本研究旨在深入分析機制砂中石粉含量對混凝土性能的影響，以確定最佳石粉含量范圍，為混凝土的配合比設計提供科學依據。具體目的如下。①探討石粉在混凝土中的作用機制。綜合考慮石粉的物理和化學性質，以及其對混凝土性能的影響，特別關注石粉在填充作用、化學反應等方面對混凝土強度、抗裂性、抗滲性等性能的貢獻；②確定最佳石粉含量范圍。通過對不同石粉含量下混凝土的工作性能和力學性能進行綜合評估，確定最佳石粉含量范圍。優化石粉含量，以提高混凝土的整體性能，包括但不限于坍落度、和易性、流動性、抗壓強度等；③分析混凝土性能的綜合效應。結合工作性能和力學性能的分析，全面評價不同石粉含量下混凝土的綜合性能。考慮石粉含量對混凝土各項性能的協同影響，為工程實踐中混凝土的應用提供可行的建議[5]。

1 機制砂及石粉特性

機制砂，作為混凝土的主要骨料之一，具有一系列關鍵的物理特性。機制砂在混凝土中的應用狀況是研究的重點之一[6]，需要考慮其顆粒尺寸的分布，以確保混凝土具備優異的力學性能。通過合理的配合比，機制砂能夠為混凝土提供均勻、強度適中的骨料，從而影響混凝土的整體性能。其在混凝土中的分散性和與水泥的粘附性對混凝土的工作性能、抗壓強度等方面產生顯著影響。綜合考慮機制砂的物理和化學特性，以及其在混凝土中的應用狀況，可以更全面地了解機制砂對混凝土性能的影響機制。在后續的試驗和研究中，將進一步探討機制砂中石粉含量對混凝土性能的具體影響，為混凝土配合比的優化提供實用的理論依據。

石粉是一種微細顆粒狀材料，常見于機制砂中，對混凝土性能具有顯著影響，其作用機制涉及填充效應、化學反應和表面效應等多個方面。石粉通過填充效應改變混凝土的骨料配合，填充骨料間的空隙，提高混凝土的致密性。這種填充效應有助于減小混凝土內部孔隙結構，提高抗滲性和抗壓強度；其次，石粉參與水泥水化反應，形成水泥石、石灰石等膠凝物質，提高混凝土的強度。這種化學反應有助于形成致密的水泥基體，增強混凝土的力學性能。然而，石粉含量過高也可能導致水泥石過多，影響混凝土的工作性能。此外，石粉的表面效應對混凝土的粘聚性和流動性有一定影響。適量的石粉能夠改善混凝土的流動性，提高其適應性和澆筑性能。然而，過多的石粉可能導致混凝土粘聚性增強，降低流動性。總體而言，石粉在混凝土中通過填充效應、化學反應和表面效應等多方面作用，對混凝土性能起到復雜而關鍵的調控作用。因此，在混凝土設計中，需合理控制石粉含量，以實現混凝土性能的優化。

2 研究方法

2.1 試驗材料

本次試驗的原材料主要有水泥、粉煤灰、花崗碎石、機制砂、外加劑。

（1）水泥：本試驗采用P·O 42.5 級水泥，檢測結果見表1。

表1 水泥物理性能試驗

（2）粉煤灰：本試驗所用粉煤灰為華潤電廠生產的II級粉煤灰，其物理性能見表2。

表2 粉煤灰物理性能試驗

（3）機制砂：采用項目內采石場毛石料進行破碎而成的人工機制砂，如圖1所示。

圖1 人工機制砂樣品圖

（4）外加劑：采用了SN-JG 聚羧酸高性能減水劑、SN-GH緩凝劑，均符合技術規范要求。

2.2 試驗方案

分別采用25%、20%、15%、10%、5%石粉含量的人工機制砂的A#、B#、C#、D#、E#人工砂進行試驗，見表3。試驗混凝土坍落度在100mm～110mm 內，水膠比為0.48，研究石粉含量和用水量、膠材量、混凝土性能之間的關系。

表3 混凝土性能試驗石粉含量對應編號

3 試驗結果與討論

3.1 工作性能分析

骨料粒徑≤38mm，粉煤灰摻量33%，外加劑摻量1.5%，控制坍落度在100mm～110mm 內，用25%、20%、15%、10%、5%石粉含量的A#、B#、C#、D#、E#人工砂進行拌合試驗，其工作性能見表4。

表4 混凝土工作性能數據表

根據表4的數據，可以分析不同石粉含量的人工機制砂對常態混凝土的用水量、膠材量、工作性能和力學性能之間的影響關系。

（1）用水量：用水量隨著石粉含量的減少而略有減少。具體來說，A#（25%石粉含量）的用水量最多，而E#（5%石粉含量）的用水量最少。

（2）膠材量：膠材量是水泥、粉煤灰的總和。隨著石粉含量的減少，膠材量呈下降趨勢。A#（25%石粉含量）的膠材量最大，而E#（5%石粉含量）的膠材量最小。

（3）坍落度：所有配合比坍落度都控制在100mm～110mm內范圍內，沒有出現坍落度超出范圍的情況。

（4）混凝土工作性能：D#（10%石粉含量）和E#（5%石粉含量）在這些方面表現較好，而A#（25%石粉含量）表現較差。

綜上，低石粉含量（D#和E#）有助于降低用水量和膠材量，同時在工作性能上表現較好。A#（25%石粉含量）在用水量和膠材量上相對較高，工作性能相對較差。

3.2 力學性能分析

采用不同石粉含量的人工砂A#、B#、C#、D#、E#進行拌合試驗，石粉含量分別為25%、20%、15%、10%、5%。試驗中關注混凝土物理性能和不同含量石粉之間的關系，試驗結果見表5。

表5 混凝土物理性能試驗結果

根據表5的數據，可以總結出以下關系：

（1）抗壓強度：隨著石粉含量的增加，抗壓強度呈現下降的趨勢。即石粉含量越高，混凝土的抗壓強度越低。

（2）抗拉強度：同樣地，隨著石粉含量的增加，抗拉強度呈現下降的趨勢。即石粉含量越高，混凝土的抗拉強度越低。

（3）劈裂強度：與抗壓強度和抗拉強度一樣，劈裂強度隨著石粉含量的增加而下降。石粉含量越高，混凝土的劈裂強度越低。

（4）抗滲性：W12 代表混凝土的抗滲性能，對石粉含量的抗滲性沒有顯著關聯性。

綜上，石粉含量的增加對混凝土的各項物理性能產生了負面影響，導致抗壓強度、抗拉強度、劈裂強度普遍降低。

4 結語

通過對機制砂中石粉含量及對混凝土性能的深入研究，得出了以下結論：

（1）隨著石粉含量的增加，混凝土抗壓強度、抗拉強度和劈裂強度普遍呈下降趨勢。這說明石粉在混凝土中的引入對混凝土力學性能有一定的負面影響。

（2）低石粉含量（E#5%石粉含量、D#10%石粉含量）的混凝土在工作性能方面表現較好，包括較低的用水量和膠材量。因此，在混凝土設計中，可以考慮控制石粉含量以優化混凝土的工作性能。

（3）需要注意到一些細微的差異。例如，在抗滲性方面，石粉含量的增加似乎沒有明顯的影響，這需要更多的研究來確認。

未來，可以通過更多的試驗和數值模擬來驗證結論，并深入探討機制砂中石粉的微觀機制。在工程實踐中，可以根據研究結果提供的建議，靈活調整混凝土配合比，以滿足不同工程條件下對混凝土性能的需求。