机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响

杜凤英，李海波，张秀芝

（1. 中交一航局第一工程有限公司，天津 300456；2. 济南四建混凝土有限公司，山东 济南 250031；3. 济南大学材料科学与工程学院，山东 济南 250022）

0 前言

随着基础设施建设的快速发展和环境保护的加强，天然砂资源越来越匾乏，使用机制砂已成为必然趋势。机制砂(Manufactured Sand)被定义为：由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm 的岩石颗粒。目前，机制砂作为一种新型的建筑用砂，已被正式列入国家标准[1]。早在20 世纪60 年代，我国的一些行业和地区的工程建设中，已经开始使用机制砂[2]。但是，机制砂在生产过程中会不可避免地产生较多石粉，这与天然砂有着显著的区别。近几年来，在高石粉含量机制砂的混凝土的性能和应用方面开展了一些研究[3-5]，但是，这远不能满足各种水泥基复合材料发展与应用的需要。

石粉是机制砂中粒径小于0.075mm 的微细颗粒。石粉与泥粉有所不同，它与机制砂为同一母岩，矿物组成相同，是机制砂的一部分，是机制砂的级配组成。由于外观上的原因，很多人对含有一定量的石粉的机制砂存在疑虑，对机制砂中的石粉缺乏了解和认识，盲目地洗走石粉，这样既浪费了水资源又破坏了机制砂的细度模数与颗粒级配。因此，合理地利用机制砂中的石粉既能改善砂浆的性能，又能节约资源，减少环境污染。

冻融交替作用是我国北方地区，特别是东北、西北严寒地区混凝土破坏最常见的一个因素[6]。因此，混凝土抗冻性能是北方地区混凝土耐久性评价的一个重要指标。目前有关石粉对混凝土抗冻性能影响的研究并不多，且没有相一致的结论。本文研究了机制砂中石粉量对混凝土抗冻性能的影响，同时还对石粉含量对混凝土工作性能及强度的影响进行了研究。

1 试验

1.1 原材料

水泥（C）：P·O42.5，其粒度分布见图1。

机制砂（MS）：属于石灰石制机制砂，各项指标见表1。

石粉（LSP）：与机制砂同石料，化学组成见表2，粒度分布见图1。

粉煤灰（FA）：Ⅱ级粉煤灰，化学组成见表2，粒度分布见图1。

混凝土外加剂（A）：聚羧酸减水剂，固体含量为40%，掺量为水泥质量的0.6%。

1.2 配合比

选取在机制砂生产过程中被水冲洗掉的石粉，添加到无石粉的机制砂中，配制出不同石粉含量的机制砂，并对其性能进行研究。不同石粉含量的机制砂配制混凝土配合比保持一致，即水灰比一致，砂率保持一致，外加剂掺量相等，粉煤灰替代率20%，超量系数1.2。

表1 机制砂性能

表2 水泥、粉煤灰及石粉的组成 %

表3 混凝土配合比

1.3 试验方法

混凝土工作性能按GB 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；硬化混凝土抗压强度、抗折强度按GB 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》规定的相关要求进行实验。抗冻性能按GB/T50082-2008《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定的相关要求进行实验。采用快速冻融循环法。

2 结果与讨论

2.1 机制砂掺量对新拌混凝土性能

由表4 可知，在不同的石粉含量时，新拌混凝土性能均较好。随着石粉含量的增加，出机坍落度减小，坍落度损失也呈增大的趋势。这是由于石粉吸附了一部分减水剂和水，使新拌混凝土中自由水减少，致使流动性降低，经时坍落度损失也降低。

表4 新拌混凝土性能

用于配制混凝土所用的机制砂一般由岩石经开采—机械破碎—筛分而成。在生产过程中，会产生10%～15%左右的石粉。石粉是一种比表面积较大的物质，在相同水泥用量、相同坍落度的机制砂混凝土中，随着机制砂中石粉含量的增加，总的比表面积增大，需水量增加。但是在单位水泥用量较少的情况下，拌和物有离析现象，保水性能较差。当机制砂中含有适量石粉时，起滚珠作用的细颗粒增加，改善了混凝土的和易性，相同坍落度情况下减少了用水量，提高了强度，但这时石粉含量仍有一个最优值。超过最优值后，会增加单位用水量，降低混凝土强度。

2.2 石粉含量对混凝土强度的影响

表5 机制砂石粉含量对混凝土强度的影响

从表5 可以看出，在水灰比一致的情况下，随着石粉含量的增加，强度呈先增加后下降的趋势。石灰岩质石粉在一定的掺量范围内，可以提高试件的抗压强度。这是由于石粉颗粒小，硬化后能够使孔隙率减小，并且石灰石粉的微集料效应和微晶核效应能够使C-S-H 和Ca(OH)2包裹在CaCO3颗粒表面，有利于增强界面的粘结作用，同时降低了液相离子的浓度，加速了C3S 的水化作用，有利于硬化后强度的形成。但是随着机制砂中石粉含量的增加，当掺量超过10%后，混凝土的抗压强度也会随之降低。因为石粉作为一种填充性的细集料，随着含量的增加，比表面积增大，在水泥浆用量一定的情况下，使集料的粘性减小，黏聚力降低，最终导致试件抗压强度的降低，并且在硬化后期抗压强度下降幅度更为明显。

2.3 石粉对抗冻融性能的影响

依据国家标准进行对掺加不同石粉的混凝土进行200 次冻融循环，试实结果如图2 所示。

图2 石粉含量对混凝土抗冻融性能的影响

由图可以看出随着石粉含量的增加，经冻融循环后混凝土质量损失和强度损失均有先减少后增大的趋势，且两者变化趋相同。当石掺量为5%和10%时，机制砂混凝土的抗冻性能最好，之后随着石粉含量的增强，经冻融后混凝土的质量损失与强度损失均增大，抗冻性能下降。

图3 石粉对混凝土孔隙结构的影响

由图3 可知，机制砂中适量的石粉能够明显改善硬化后浆体的孔结构，石粉砂浆的抗冻性明显的优于普通砂浆，并且砂浆强度等级越高，抗冻性越好。机制中石粉的含量对抗冻性有较大的影响所以根不同的工程需要合理选择石粉的掺量。

2.4 石粉在混凝土中的作用

石粉在混凝土中的作用有两个方面[7]：一是能起到微集料的作用，对水泥的早期水化有促进作用，石灰石石粉在水泥水化过程中可起到晶核作用,诱导水泥的水化产物析晶，加速水泥水化；二是石灰石石粉对钙矾石向单硫型转化有阻止作用，生成水化碳铝酸钙(C3A·CaCO3·11H2O)，增加混凝土早期强度。除以上两个作用外，本实验还得出一个结论：适量的石粉能够改善混凝土的孔隙结构，提高抗冻性能。

3 结论

针对本实验，得到如下结论：

（1）机制砂中含有适量的石粉能够优化砂的级配，改善混凝土的工作性能。当石粉含量在5%～10%时，石粉含量对新拌混凝土性能影响不大。

（2）机制砂中含有适量的石粉能够明显改善预拌砂浆硬化后的性能。在保证水胶比不变的情况下：石粉含量在5%～10%时，抗压强度达到最高。

（3）适量的石粉可以优化硬化水泥砂浆的孔结构，有利于混凝土强度及抗冻性能的提高。混凝土随机制砂中石粉含量的增加，抗冻性能有先增强，后下降的趋势，当石粉含量在10%～65%有利于混凝土的抗冻性能。

（4）综合考虑机制砂中的石粉含量对混凝土的和易性、强度和抗冻的影响，确定机制砂中石粉的最佳含量，以便在实际工程中选择合理的机制砂，具有显著的科技经济意义。

[1]GB/T 14684-2001.建筑用砂[S].

[2]陈家珑.人工砂—新型建筑用砂[J].新型建筑材料,2002,(6):32-34.

[3]Burak Felekolu, Kamile Tosun, Bülent Baradan, et al. The effect of fly ash and limestone fillers on the viscosity and compressive strength of self-compacting repair mortars[J].Cement and Concrete Research,2006, 36(9) :1719–1726.

[4]李兴贵.高石粉含量人工砂在混凝土中的应用[J].建筑材料学报,2004,7(1):66-71.

[5]G. Ye, X. Liu , G. De Schutter, et al. Influence of limestone powder used as filler in SCC on hydration and microstructure of cement pastes[J]. Cement & Concrete Composites ,2007,29(2): 94–102.

[6]黄士元, 蒋家奋, 杨南如.近代混凝土技术[ M].西安:陕西科学技术出版社, 2002.

[7]HUANG Shiyuan, JIANG Jiafen, YANG Nanru. Modern concrete technology [M]. Xi’an: Shanxi Science and Technology Press, 2002. 193. ( in Chinese)

[8]Zhou Mingkai, Peng Shaoming, Xu Jian, et al. Effect of Stone Powder on Stone Chippings Concrete [J]. Journal of Wuhan University of Technology(Materials Sciences Edition), 1996,11 (4): 29-34.