機制砂石粉含量對水泥混凝土的影響研究

摘 要：本文針對水泥混凝土在應用到具體工程項目中存在抗壓強度弱，無法滿足工程實際所需的問題，研究了機制砂石粉含量對水泥混凝土的影響。通過原材料準備、試驗設計等步驟，對不同機制砂石粉含量下水泥混凝土的性能表現進行具體分析。通過分析可知，當機制砂中的石粉摻量約為20%時，可有效地提高水泥混凝土的強度，當機制砂中的石粉摻量過多時，會引起強度的負面影響。在高強度混凝土中，石粉摻入率對其影響較大，對其不利影響也較大。在具體施工中須結合實際合理配制水泥混凝土，便于施工順利進行。

關鍵詞：機制砂；石粉；含量；水泥；混凝土

中圖分類號：TU 753 " " " " " 文獻標志碼：A

在制備混凝土的過程中，為確保配制的水泥混凝土在實際應用中可以達到工程使用標準，通常情況下，施工方會使用機制砂材料代替傳統的河砂或天然砂，但機制砂在應用中，會產生一定量的石粉，根據工程項目的建設需求，水泥混凝土配制中的機制砂用量需要控制在10%以內。根據大量的研究與實踐成果，機制砂并不是越“純凈”越好，在機制砂中摻入適量的石粉，不僅可以優化水泥混凝土的綜合性能，還可以降低混凝土配制的成本[1]。因此，明確機制砂中石粉摻入量的臨界值，對于指導水泥混凝土生產制造單位來說，具有十分現實的意義與顯著的經濟價值。

在深入水泥混凝土生產制造的研究中發現，石粉屬于一種粒徑＜75μm的細粉，在大氣環境中，以顆粒物的形式存在。根據《建筑用砂》規范等相關文件對水泥混凝土制備提出的要求，明確了一定量石粉對水泥混凝土的力學性能尤其是強度有一定的改善作用[2]。當石粉用量超出某一限度時，將導致其工作性能與強度下降，甚至對混凝土的綜合使用效果產生負面影響。為落實這方面工作，優化生產中的混凝土配合比，本文將對此進行研究。

1 原材料準備

由于水泥混凝土在使用中的塑性、耐久性較好，成本較低，且可以在工程中根據需求被加工成任何形狀，因此，相關水泥混凝土的研究一直受到廣大施工單位的青睞，并在建筑工程領域廣泛使用。在我國環境保護政策越來越嚴格的情況下，天然河砂日漸減少，混凝土制備中所需的砂石已經出現了短缺的情況。全國各地仍在不斷地進行各類工程基本建設工作[3]。在此背景下，人工砂、機制砂將逐步取代河流砂，作為一種重要的混凝土組分。但是，機制砂是用礦石中的細碎石塊磨成的，其中不可避免地夾雜著石粉[4]。在混凝土的制備過程中，必須要考慮石粉的作用，并對其進行定量分析，以確定其對混凝土的作用機理。試驗前，應準備水泥混凝土，制備原材料，根據工程項目的具體需求，選用P.042.5R水泥、II級粉煤灰、連續級配碎石（碎石粒徑在5mm～25mm）、機制砂以及減水劑作為原材料。為保證原材料的質量，排除并避免試驗中相關因素對混凝土綜合性能測定結果的影響，參照相關標準，對水泥混凝土制備中原材料各項物理性能指標進行檢測，相關內容見表1～表5。

從表5中的內容可以看出，本次試驗準備的水泥混凝土制備原材料各項物理性能指標符合技術規范，即滿足本次試驗需求。

2 試驗設計

在上述內容的基礎上，對試驗步驟進行設計，根據本次試驗目的，分別制備C30、C35和C40水泥混凝土，將其作為本次試驗的研究對象。將C30、C35和C40這3種強度的水泥混凝土制備中，機制砂石粉含量作為控制變量，設置每種強度混凝土中機制砂石粉含量：15%、20%和25%，同時，在對應強度的混凝土下，設置1個機制砂石粉摻入量為0的組別，將此組別作為對照組。根據機制砂石粉的不同摻入量，制備水泥混凝土試驗塊，試驗塊的長度×寬度×高度為150mm×150mm×150mm，將制備完成的水泥混凝土塊按照標準分別養護3天、7天和28天。對達到設計齡期的試驗塊進行試驗，試驗中，使用壓力機測試，進行試驗塊強度的檢測，通過此種方式，觀察并記錄試驗塊是否發生裂縫或裂縫的發育情況，從而得到試驗塊的強度值[5]。

3 機制砂石粉含量對水泥混凝土的影響分析

3.1 原料數據

對試驗中使用的機制砂進行篩分，并將篩分數據以及細度模數等參數記錄，見表6。

從機制砂篩分數據及細度模數記錄表中內容可以看出，此次試驗所選擇的機制砂的細度模數為2.94。結合表7中記錄的當前對機制砂細度模數與水泥混凝土工作性能的影響研究成果，進行具體分析。對表7中記錄的內容進行分析，當機制砂細度模數≤2.7時，隨著細度模數增加，坍 落度和坍落擴展度都逐漸遞增；當機制砂細度模數大于2.7時，隨著細度模數增加，坍落度和坍落擴展度均呈現逐漸遞減的變化趨勢，流動性、保水性和黏聚性都逐漸變差[6]。結合該表中的內容對上述機制砂篩分數據及細度模數記錄進行分析得出，試驗中所選擇的機制砂細度模數大于2.7，小于3.0，具備良好的流動性、保水性和黏聚性，有利于工程施工[7]。同時，對水泥混凝土的抗壓強度等力學性能進行分析，所選擇機制砂能夠使水泥混凝土達到最佳狀態。綜上所述，所選擇的機制砂基本性能指標良好，對于后續壓力試驗及對試驗結果均能夠提供更有利的保障條件。

3.2 壓力試驗與試驗數據分析

針對所選擇的試驗試塊，對其進行壓力試驗，如圖1所示。

從圖1可以看出，試塊在壓力測試過程中共經歷了4個階段，分別為試塊起壓初始階段、試塊出現裂縫階段、試塊上裂縫進一步發展階段、試塊被壓碎階段。在此基礎上記錄試塊被壓碎時的強度數值，并得到在不同強度條件下試塊的抗壓數值，見表8。

結合表中記錄的內容可以看出，在摻入不同的石粉量中，摻入量為20%前后對比分別形成了正效應和負效應，隨著石粉摻入量減少，混凝土的強度呈現先減少后增加的趨勢，而20%石粉摻入量可以作為1個臨界點，在該臨界點上水泥混凝土試塊的抗壓強度最高[8]。結合上述結果，對強度等級為C30的水泥混凝土試塊進行橫向比較，探究不同石粉摻入量條件下水泥混凝土試塊的抗壓強度變化，如圖2所示。

對強度等級為C35的水泥混凝土試塊進行橫向比較，探究不同石粉摻入量條件下，水泥混凝土試塊的抗壓強度變化，如圖3所示。

對比圖2和圖3可以看出，水泥混凝土試塊的強度變化趨勢基本相同。

對強度等級為C30的水泥混凝土試塊進行橫向比較，探究不同石粉摻入量條件下，水泥混凝土試塊的抗壓強度變化，如圖4所示。

與石粉摻入量為0的對照組相比，當石粉用量約為15%時，其強度顯著低于空白對照，但隨著石粉用量增加，其強度會逐漸提高，當石粉用量為20%時，其強度與空白對照基本相同，當石粉用量大于20%時，會產生不利影響，使其強度顯著降低。造成這種負面效果的原因如下：當石粉含量過高時，將會破壞混凝土中緊密的堆積結構，嚴重影響了混凝土的強度。分析上述試驗結果產生的具體原因，可以從以下2個方面來解釋：從前人的試驗結果來看，采用機制砂時，填充密實度最高；研究中所用機制砂細度模數為2.9，密實度好，且加入適量石粉，可使機制砂微孔充填，使其密實度更高，使初期流動性更好；同時，由于水泥漿硬化，使過渡界面處的密實度更高，因此可提高其強度，進而得知，后期抗滲性及耐久性也將得到顯著提升。另一方面，石粉還能在水泥水化反應中產生“成核”效果，取代水泥、礦粉等膠體物質作為“成核”，從而使水泥中的活性物質能夠充分參與到水化反應中，在水化反應初期促進C-S-H凝膠和氫氧化鈣的生成，促進水泥水化反應進行，提高水泥水化反應初期的強度。

4 結語

現有的研究成果大多基于定性角度分析混凝土的生產、制備與作用。雖然已有一些技術人員提出了優化水泥混凝土制備的策略，但是大多數是粗略的、原則性的，缺乏定量成果作為支撐。同時，對于混凝土強度等問題，也有一些學者進行論述，但都是淺嘗輒止，沒有進行更深層次的探索。對水泥混凝土生產制備的過程中，機制砂中石粉含量的臨界值（最優值）進行研究，得到以下2個結論：1）在機制砂中，當石粉摻量約為20%時，可有效地提高水泥混凝土的強度，但過多時，會導致強度的負面影響。2）高強混凝土對石粉摻入量的變化表現更明顯，同時負效應也更明顯。通過本次研究，認證了“適當石粉有助于優化混凝土工作性能”的結論，本次研究的成果，可以用于指導混凝土企業與工廠的生產作業。但要對此方案在相關領域內進一步推廣應用，還將持續對這方面內容進行研究，采用此種方式提高混凝土施工企業的經濟效益，進而保證水泥混凝土施工項目的質量。

參考文獻

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