机制砂中石粉含量对中低强度等级混凝土性能的影响

明维　柯刚（广东省宏基管桩有限公司）



机制砂中石粉含量对中低强度等级混凝土性能的影响

明维柯刚
（广东省宏基管桩有限公司）

【摘要】研究了机制砂中石粉含量对中低强度等级混凝土的坍落度、抗压强度、电通量、收缩性能的影响，并结合石粉的微观试验对其结果进行分析。结果表明：当掺量为0%～12%时，石粉的掺入对中低强度等级混凝土的强度并未有明显不利影响，但坍落度却随石粉掺量的增加明显下降（尤其是掺量超过6%后），影响了混凝土的工作性能。由于石粉中含有有害的粘土杂质，这使石粉的掺加对混凝土电通量、收缩性能的影响具有一定不稳定性，增大了施工质量可控性的难度。因此，在实际工程中并不能盲目地放宽石粉含量的限制，应结合实际就地取材进行试验，合理控制机制砂中石粉含量。

【关键词】石粉；混凝土；坍落度；抗压强度；电通量；收缩性能

1　引言

在我国基础工程建设以及城镇化建设迅速发展的过程中，天然砂作为混凝土主要原材料，因过量使用正面临着质量下降、资源紧缺、破坏生态环境的巨大难题。为缓解这一现状，机制砂在国内外的工程中逐步得到应用。在机制砂的研究与应用过程中，石粉含量一直是人们争议的焦点之一，各国的相关标准对其限值也不同[1]，其中我国要求相对较严格，石粉含量的最高限值为5% ～10%，澳大利亚及非洲的要求相对较宽松，石粉含量的最高限值分别为25%和15%～20%。Celik[2]等研究了0% ～30%的石粉掺量对混凝土性能的影响，发现随石粉含量的增加，抗折强度存在一个最优值，在掺量为10%时达到最大。Malhotra[3]的研究表明水灰比0.70时，石粉的掺加利于混凝土各龄期的强度发展，当石粉掺量在15%～20%时，混凝土7d强度比空白样高20%～30%。国内也有不少学者则认为对于中低强度混凝土而言，石粉含量限值可适当放宽至10%～18%[1,4-8]。然而我国不同地区的岩性较多，生产工艺设备、管理水平更是参差不齐，这导致不少工程中使用的机制砂中所含的石粉品质与国外存在很大差距，并不是所谓真正意义上“优质石粉”，而是石场生产石头时产生的下脚料，更容易导致一连串工程质量事故。因此，在实际工程中并不能一味推崇放宽石粉含量的理念，必须结合实际原材料情况进行相应的试验验证。本文针对本公司生产中所用机制砂，系统地研究了机制砂中石粉含量对中低强度等级混凝土坍落度、抗压强度、电通量以及收缩性能的影响，并结合石粉的微观性能对其结果进行分析，从而给实际工程应用提供一定指导意义。

2　试验原材料及试验方法

2.1试验原材料

⑴试验原材料

水泥：珠江·粤秀的P.O 42.5R水泥，水泥基本物理性能见表1。

表1　水泥基本物理性能

粉煤灰：产自台山电厂的Ⅱ级粉煤灰，细度（0.045mm筛余）为17.2%，需水量比为95.2%，烧失量为0.12%。

矿粉：由广东俊兴新建材有限公司提供，比表面积为430m2/kg，7d活性指数为78%，流动度比为101%，烧失量为0.6%。

外加剂：红墙萘系高效减水剂，含固量为29.89%，密度为1.1614g/cm3，pH值为8.36，氯离子含量为0.02%。

石粉：由试验过程中所使用的机制砂中经筛洗处理的石粉，烘干后使用。

细骨料：由河砂与机制砂以4:6的比例复配制成混合砂，混合砂的细度模数Mx=2.6，级配区为Ⅱ区。其中河砂产自广东西江，细度模数Mx=1.71，级配区为Ⅲ区；机制砂产自广东泰盛石厂，细度模数Mx=3.18，级配区为Ⅰ区，花岗岩质地。

粗骨料：产自泰盛石厂，0～30mm粒径的连续颗粒级配，花岗岩石，含泥量为0.2%，压碎值为8.9%，针片状含量为7%。

⑵试验原材料配合比

不同强度等级的商品混凝土原材料配合比参考实际生产中所用配合比。通过MB值试验可知，MB值为0.95，因此机制砂中小于75μm的粉体以石粉为主。经试验已知试验中所用机制砂的石粉含量为5.5%。混合砂中机制砂与河砂按4:6的质量份比兑掺后，石粉含量为3.3%，因此对于0%和3%的石粉掺量，试验过程中细骨料主要由河砂和洗去石粉的机制砂以4:6的质量份比组成，然后再将从机制砂中淘洗出来的石粉按比例兑掺。其余掺量则使用未经淘洗的机制砂进行调配。不同强度等级的混凝土原材料配合比见表2，石粉掺加量见表3。

表2　不同强度等级的商品混凝土原材料配合比

表3　不同强度等级的商品混凝土中石粉掺加量　（单位：kg/m3）

2.2试验方法

⑴混凝土性能试验

混凝土坍落度试验参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB／T50080-2002进行；抗压强度试验参照《普通混凝土力学性能高试验方法标准》GB/T50081-2011进行；混凝土电通量法抗氯离子渗透试验、接触法收缩试验均参照《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》GB/T50082-2009进行。

⑵石粉性能试验

石粉颗粒的粒径分布采用激光粒度测定仪测试；石粉中矿物组成采用XRD法测试；石粉颗粒的微观形貌分析采用扫描电镜法测试。

3　试验结果及讨论

3.1不同石粉含量对混凝土坍落度、抗压强度的影响

图1、图2分别为不同石粉掺量对C25～C45强度等级混凝土坍落度以及抗压强度的影响。从图1中可看出，在0%～12%的石粉掺量范围内，随着石粉掺量的增加，C25～C35的混凝土坍落度先增大后减小，C25、C35以及C30混凝土分别在石粉掺量为3%、6%时达最大值；而C40、C45混凝土坍落度则是一直降低，在石粉掺量为0%～3%范围内，坍落度降低较小，降低幅度约为5mm，基本可视为误差，当石粉掺量超过3%之后，坍落度大幅度降低，石粉掺量为12%时，降低幅度高达50mm～110mm。图2的结果表明：0～12%的石粉掺量对C25～C45混凝土的28d抗压强度并未有明显不利或者有利的影响，抗压强度仍然满足相应强度等级的要求。与0%掺量的空白样相比，随着石粉掺量的增加混凝土强度变化幅度基本在±3MP左右的范围内。因此，对于中低强度等级的混凝土而言，0%～12%掺量的石粉对其混凝土强度的影响并不明显，但对坍落度却产生一定不利的影响，尤其是石粉掺量超过3%～6%后，坍落度损失显著增大，影响混凝土的工作性能。

图1　石粉含量对C25～C45混凝土坍落度的影响

图2　石粉含量对C25～C45混凝土28d抗压强度的影响

图3　不同石粉含量对C25～C45混凝土电通量的影响

3.2不同石粉含量对混凝土电通量的影响

图4　不同石粉含量对C25～C45混凝土干缩率的影响

图3为石粉掺量对混凝土电通量影响的试验结果。图3结果表明：与空白试样相比，C25、C40、C45混凝土在掺加石粉后，电通量均高于空白试样，当掺量为12%时，电通量最大；而C30、C35混凝土电通量则是随着石粉掺量的增加，先降低后升高，且掺量在3%～9%之间，变化趋势较为平缓，数值较为接近。因此，在石粉掺量为0%～12%范围内，C25～C45混凝土的电通量随石粉掺量的变化具有一定离散性，且与空白对比样相比，当石粉掺量达到12%时，不同强度等级的混凝土电通量均有不同程度的增大，增大率约为2.3%～15.27%。这表明石粉在混凝土中并未良好地发挥其填充作用；尽管如此，石粉掺入后各强度等级的混凝土抗氯离子渗透性的等级仍与空白试样一致，属于相同的抗氯离子渗透等级。

3.3不同石粉含量对混凝土收缩性能的影响

图4（a）～（e）为石粉含量对不同强度等级混凝土收缩性能的影响。从图4（a）～（e）中可看出，混凝土干缩率随着龄期的增长而增大，且石粉掺量对不同强度等级的混凝土干缩性能影响具有一定不稳定性。石粉掺量为6%时，C25、C30等级混凝土各龄期的干缩率最小；C35、C40强度等级的混凝土中，石粉的掺加明显提高了混凝土各龄期的干缩率，并随着掺量的提高而增大；而C45强度等级的混凝土干缩率则随着石粉掺量的增加而减小。

3.4石粉的粒径、组成以及微观形貌

图5～图7分别为石粉的粒径分布图、XRD图以及SEM图。图5的结果表明石粉的主要粒径尺寸在25μm左右；图6的结果表明石粉中除了还有大量的SiO2之外，还有含有云母和斜绿泥石；从图7的SEM图可看出石粉颗粒形状呈扁平状，多为薄片和板状，这主要是由于石粉中云母具有解理性，云母在受力破碎的过程中完全解理，解理面大且断口完整，从而易呈薄片或板状。从图5～图7的结果可看出，石粉中主要成分为SiO2，在商品混凝土中一般作为惰性填充材料，与其他掺和料相比，石粉的粒径较粗，因此适量石粉的掺加能够在骨料的空隙中形成微骨架，优化骨料的级配，对混凝土力学性能是有利的。但石粉中还含有粘土成分的斜绿泥石，众所周知，粘土杂质对混凝土性能以及混凝土中减水剂均有不利的影响，粘土有粘性且通透性差，透水困难，易增大石粉的吸水性；同时石粉的微观结构多为薄片和板状，不具有其他掺合料的“滚珠”效应，石粉与骨料以及浆体之间的摩擦力较大，所以在水灰比不变的情况下，石粉的掺加会导致混凝土坍落度明显下降，工作性能变差，这在一定程度上也使石粉对混凝土抗氯离子渗透性、收缩性等性能的影响具有一定不稳定性，时好时坏。

图5　石粉的粒径分布图

图6　石粉的XRD图

图7　石粉的SEM图

4　小结

⑴对于中低强度等级的混凝土而言，0%～12%掺量的石粉对其混凝土强度的影响并不明显，但对坍落度却产生一定不利的影响，尤其是石粉掺量超过3%～6%后，坍落度损失显著增大，影响混凝土的工作性能。而对于商品混凝土而言，混凝土工作性能是必要的技术指标，因此在不影响混凝土其他性能的条件下，改善掺石粉的混凝土的工作性能的研究还需进一步深入。

⑵理论上讲，石粉的主要成分为SiO2，在混凝土中一般作为惰性掺合料，起着填充空隙，优化骨料的作用，对混凝土的力学性能应起有利的作用。但由于机制砂为石场生产石头是产生的下脚料，受多种因素限制并未经严格的加工，与所谓“优质石粉”的品质存在一定差距，石粉中还含有对混凝土性能不利的黏土成分，因而对混凝土电通量、收缩性能的影响也具有一定的不稳定性，时好时坏。

⑶不管是何种强度等级的混凝土，当石粉掺量处于9%～12%时，混凝土各方面性能均出现明显变差的趋势，当石粉掺量达到12%时，混凝土各方面性能最差。

总之，由于国内的石粉品质参差不齐，品质欠缺的石粉对中低强度等级的混凝土性能的影响并不稳定，这在一定程度上增大了施工质量可控性的难度。因此，在实际工程中并不能盲目地放宽石粉掺量的限制，需根据实际就地取材进行试验后对机制砂中石粉含量进行合理控制。

【参考文献】

[1]蔡基伟.石粉对机制砂混凝土性能的影响及机理研究[D].武汉：武汉理工大学，2006.

[2]Tahir Celik,Khaled Marar.Effects of crushed stone dust on some properties of concrete[J].Cement and Concrete Research,1996,26(7):1121-1130.

[3]V.M.Malhotra,G.G.Carette.Performance of concrete incorporating limestone dust as partial replacement for sand[J].ACI J,1985,82(3):363-371.

[4]Li Beixing,Wang Jiliang,Zhou Mingkai.Effect of limestone nes content in manufactured sand on durability of low and high-strength concretes[J].Construction and Building Materials,2009（23）：2846-2850.

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