機制砂石粉含量對混凝土性能影響探析

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【摘要】文章通過試驗研究，探討了石粉含量對C40機制砂混凝土工作性能、力學性能、勻質性與干燥收縮的影響。結果表明:石粉可提高機制砂混凝土拌合物的粘聚性與保水性、避免泌水離析，同時提高混凝土的抗折、劈拉與抗壓強度，且石粉含量在10%～15%范圍時，對混凝土工作性能與強度的提高作用最佳;隨石粉含量增加，混凝土勻質性提升，而石粉含量超過10%后，對勻質性提升趨于穩(wěn)定;機制砂混凝土的早期干縮隨石粉含量增加而增加，而7d后的干縮在石粉含量為10%時最大。研究成果為高石粉含量機制砂在山區(qū)高速公路橋梁工程中應用提供了技術支撐，為合理控制石粉含量提供了依據。

【關鍵詞】機制砂;石粉;工作性能;力學性能;干燥收縮;勻質性。

1工程概況

石粉是在機制砂生產過程中產生的粒徑小于75μm的顆粒，其與機制砂的礦物組成、化學成分一致，與天然砂中泥粉有本質區(qū)別［1－2］。國內外大量研究表明［2－8］，機制砂并非“越干凈越好”，機制砂中適量的石粉有助于提升混凝土的性能。文獻［9］認為C30～C60混凝土中機制砂石粉含量限值可控制在10%;文獻［10］認為C25～C45混凝土中機制砂石粉最佳含量在11%～14%之間，C60混凝土合理石粉含量在6%～9%之間;文獻［11］認為C30機制砂混凝土的最佳石粉含量為9%～12%;文獻［12］認為C35和C45機制砂混凝土的石粉合理含量為7%～13%和5%～8%?？傮w來看，大部分研究都表明機制砂石粉含量可以高于現行國家標準，但不同強度等級混凝土的機制砂石粉含量限值差異較大，即使相同強度等級混凝土，石粉含量也沒有統一標準。因此，本文針對四川樂(山)西(昌)高速公路橋梁工程C40混凝土，采用工程現場原材料，通過試驗研究，分析機制砂的石粉含量對混凝土工作性能、力學性能、勻質性與體積穩(wěn)定性的影響，為高石粉含量機制砂混凝土工程應用提供支撐。

2原材料與試驗方法

2．1原材料

①水泥:拉法基P．O42．5水泥，3d抗壓強度28．7MPa，28d抗壓強度51．9MPa;②粉煤灰:習水Ⅱ級粉煤灰，燒失量7．3%，需水量比100%，28d活性指數74．0%;③機制砂:瀘州石板灘石灰?guī)r機制砂，技術指標見表1;④石:瀘州石板灘碎石，粒徑5～25mm，壓碎值7．4%，針片狀含量4．5%;⑤石粉:由石板灘機制砂生產過程中風選而得，其成分與機制砂一致;⑥外加劑:聚羧酸高性能減水劑;⑦水:自來水。

2．2配合比

通過水洗、摻配石粉的方法，調整機制砂中石粉含量為0、5%、10%、15%和20%，以探討石粉含量對混凝土性能的影響。按照DB51/T1995－2015《機制砂橋梁高性能混凝土技術規(guī)程》進行配合比設計，調整用水量與外加劑摻量，以保持混凝土的坍落度基本一致，各組配合比如表2所示。

2．3試驗方法

①混凝土拌和物性能按GB/T50080—2016《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》進行測試。②混凝土的力學性能依據GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試。③混凝土的干燥收縮按照GB/T50082－2009《普通混凝土長期性和耐久性能試驗方法標準》進行測試。④根據GB/T4340．1－2009《金屬維氏硬度試驗方法》，采用HV－1000Z顯微硬度計測試混凝土試件28d顯微硬度。

3結果分析與討論

3．1對混凝土拌合物性能的影響

當混凝土拌合物的坍落度基本相同時(200±10mm)，其擴展度、含氣量與表觀狀態(tài)等見表3與圖1?？梢姡酆繉炷涟韬衔锕ぷ鳡顟B(tài)有較大影響。機制砂不含石粉時，混凝土拌合物較松散、包裹性差，出現泌水離析，表面有明顯大氣泡。石粉含量增加到5%時，由于其微填充效應，混凝土拌合物粘聚性與保水性提高，包裹性與泌水性能有所改善，表面大氣泡也減少;同時用水量減小，擴展度增加，石粉的摻加表現出一定減水作用和潤滑效應。石粉含量增加到10%時，混凝土粉體材料總量增多，比表面積加大，吸附水量增多，需增加用水量與外加劑摻量以到達一致的坍落度;另外，較多的粉體材料，也使得漿體富裕量與粘稠度增加，混凝土拌合物包裹性好，擴展度達到510mm，流動性進一步提升，但氣泡不宜排出，表面氣泡少且含氣量增加。石粉含量增加到15%時，用水量與外加劑摻量持續(xù)增加，此時混凝土拌合物因粘稠度高，翻鏟稍吃力，擴展度減小，流動性下降，大氣泡較少，含氣量進一步增加。當石粉含量到達20%時，混凝土拌合物過于黏稠，擴展度下降至460mm，流動性明顯變差，翻鏟較吃力，含氣量增加至2．9%，表面氣泡較少，排氣不暢，施工時易在模板壁富集而形成氣孔、麻面等缺陷。

3．2對混凝土勻質性的影響

混凝土勻質性差時，表面顯微硬度差異明顯［13］。因此，通過硬化混凝土試件表面顯微硬度測試，研究石粉含量對混凝土勻質性的影響，測試結果見圖2?？梢?，適量的石粉可改善混凝土的整體勻質性。當機制砂不含石粉時，硬化混凝土試件上部的顯微硬度值最小，上下部位的顯微硬度差值最大，主要因混凝土拌合物包裹性差，出現泌水離析，且粉煤灰上浮，混凝土整體勻質性較差。隨石粉含量增加，石粉的微集料效應增強了混凝土的密實性，改善泌水性能，試件上下部的顯微硬度差逐漸減小，混凝土的整體勻質性改善明顯。當石粉含量超過10%后，上下部顯微硬度差值的降幅也減緩，混凝土勻質性改善趨于穩(wěn)定。但由于漿體過于粘稠，混凝土工作性能變差，排氣不暢，含氣量增加，試件上下部表面的顯微硬度均出現小幅下降。

3．3對混凝土力學性能的影響

機制砂中不同石粉含量對C40混凝土抗折、劈裂抗拉與抗壓強度的影響見表4。隨石粉含量增加，混凝土的強度呈現先增加后降低的趨勢。石粉含量達到10%時，各項強度均達到最大值，7d齡期時較不含石粉混凝土的抗折、劈裂抗拉與抗壓強度分別提高18．5%、15．3%與11．8%，28d齡期時則分別提高15．3%、14．3%與11．9%。石粉含量增加到15%后，混凝土強度開始出現緩慢下降。當石粉含量達到20%時，混凝土強度出現下降較明顯，幾乎與不含石粉時混凝土強度接近?？梢?，石粉含量在10%～15%時，其對混凝土強度的增加作用較明顯。分析原因在于:一方面石粉粒徑小，具有微集料填充效應，提高了混凝土拌合物的保水性與粘聚性，提升了混凝土的勻質性以及混凝土微結構的致密性［8］;同時石粉對CH和C－S－H的形成起到晶核作用，加速水泥的水化，另外，石粉本身也可以與C3A反應，形成水化碳鋁酸鈣［14－15］。但石粉含量達到一定程度時，過多的石粉反而破壞了混凝土中粉體材料的密實堆積結構，且粉體材料比表面積增大，需水量與外加劑用量增多，漿體過于粘稠，拌合物工作性能差，排氣不暢，硬化混凝土微結構密實度差，有害孔增多、凝膠孔減少［12］，從而導致強度下降。

3．4對混凝土干燥收縮的影響

圖3為不同石粉含量機制砂混凝土的干燥收縮率測試結果?？傮w來看，石粉含量對機制砂混凝土干燥收縮的影響與齡期有關，這與文獻［9］的測試結果相似。在1～3d齡期時，石粉的晶核效應較明顯，加速了水泥的水化進程，從而使得早期收縮增加，且隨石粉含量增加，混凝土的干縮增加。在7～360d齡期段，各組試件均在7～60d齡期的干縮發(fā)展較快，60d齡期后干縮趨于穩(wěn)定，且在各齡期均表現為石粉含量為10%的試件干縮最大，其次是石粉含量15%的試件，然后依次是石粉含量20%、5%與0%的試件。3d后水分散失加快，石粉含量越高，因用水量增加，使得混凝土干縮增加。另外，大多數石粉不能參與水泥水化而且起到微集料的填充作用，特別是石粉含量到達一定程度時，微集料填充效應較明顯，提升混凝土的致密性，改善毛細孔結構，增加毛細孔曲折程度，從而減小水分流失，降低混凝土干縮。

4結論

(1)機制砂中的石粉能提高混凝土拌合物的粘聚性與保水性，避免泌水離析。石粉含量在10%～15%時，對混凝土工作性能提升作用最佳;石粉含量超過15%后，混凝土工作性能下降、含氣量增加明顯，對混凝土的強度與耐久性不利。(2)隨石粉含量增加，混凝土的勻質性逐漸提升，當石粉含量超過10%后，混凝土試件表面上下部顯微硬度差值變化不大，對混凝土勻質性的改善效果趨于穩(wěn)定。(3)石粉具有微集料效應與晶核作用，可提高機制砂混凝土的強度，石粉含量在10%～15%時，對機制砂混凝土的強度提升最佳。石粉對機制砂混凝土抗折強度增強作用最明顯，其次是劈裂抗拉強度，對抗壓強度提高相對最小。(4)石粉對機制砂混凝土的干燥收縮與齡期相關，1～3d時的干縮隨石粉含量增加而增加，而7d后的干縮在石粉含量為10%時最大。綜上所述，機制砂中含有適量的石粉有助于提升混凝土的性能，針對樂西高速橋梁工程應用的C40機制砂混凝土，其機制砂中石粉含量可以放寬至10%～15%。

作者:余澤文 袁飛飛 周孝軍 丁慶軍 單位:四川公路橋梁建設集團有限公司 西華大學土木建筑與環(huán)境學院 武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室