石粉对机制砂混凝土性能的影响

范德科，马　强，周宗辉，单立福，孔凡胜，王忠浩

(1.中建材中岩科技有限公司,北京　100024；2.济南大学材料学院,济南　250022)



石粉对机制砂混凝土性能的影响

范德科1，马强1，周宗辉2，单立福1，孔凡胜1，王忠浩1

(1.中建材中岩科技有限公司,北京100024；2.济南大学材料学院,济南250022)

机制砂中含有粒径小于0.075 mm的石粉是机制砂与天然砂显著的区别之一。为了研究石粉对机制砂混凝土性能的影响，对比测试了不同石粉含量对机制砂混凝土工作性及抗压强度的影响，通过电通量法、快冻法测试了不同石粉含量对混凝土氯离子渗透性、抗冻融性能的影响，并对比测试了天然砂和机制砂混凝土的收缩，结果表明机制砂中含有适量的石粉可以改善混凝土的工作性，提高混凝土强度，而且石粉的加入可以提高混凝土的密实度从而改善混凝土的氯离子渗透性和抗冻融性能。机制砂混凝土14 d龄期前的收缩比天然砂大，后期的收缩与天然砂相差不大。

机制砂； 石粉； 混凝土； 收缩

1　引　言

混凝土作为人类用量最大的建筑材料[1]，砂是重要的组成部分，包括天然砂和机制砂两大类。随着我国基础设施建设快速发展和环保意识的增强，天然砂已经不能完全满足工程建设的需要，采用机制砂配制混凝土已成为一种发展趋势[2]。与天然砂相比，机制砂一般棱角尖锐，表面粗糙，且大多为粗砂，级配差，0.63～0.35 mm的颗粒偏少，拌制的混凝土特别是低强度等级的混凝土和易性差，容易离析[3]。

机制砂是由岩石除土开采、破碎、筛分而制成的，现在主要采用干粉法生产[4]，由于生产机制砂用的岩石种类、破碎方式、分选工艺的不同，机制砂质量相差较大，石粉含量各不相同。石粉含量是机制砂中特有的技术指标，在机制砂中粒径小于75 μm的颗粒称作石粉，国标《建设用砂》(GB/T14684-2011)规定用亚甲蓝实验来判断机制砂石粉是以石粉还是泥为主。石粉对机制砂混凝土性能影响显著，机制砂中含有一定量的石粉可以增加浆体的体积、改善混凝土和易性，填充混凝土骨料间的空隙、提高混凝土密实度[5]；石灰岩质的石粉在水化过程中可以起到晶核作用，诱导水泥水化并产生析晶，加速水化产物的形成，并与其反应生成水化碳铝酸钙。此外，石灰岩质的石粉还对钙矾石向单硫型转化有阻止作用，增加钙矾石的稳定性。晶核及活性效应明显提高水泥浆-骨料界面的强度，这就是石粉的晶核和活性效应[6]。本文用不同石粉含量的机制砂配制混凝土，研究石粉含量对混凝土和易性、抗压强度的影响及混凝土的氯离子渗透性、抗冻融性能。

2　试　验

2.1原材料

(1)水泥为枣庄中联水泥有限公司生产的P·O 42.5水泥，其性能参数如表1所示；试验用的粉煤灰为济宁邹县电厂生产的II级粉煤灰；矿粉为山东鲁碧建材有限公司生产的S95级矿粉。

表1　水泥物理性能

(2)试验用粗集料为碎石，取自山东枣庄中联混凝土有限公司，其粒径范围为5～31.5 mm连续级配；试验采用的机制砂为山东枣庄市金星爆破有限公司生产的机制砂，其主要成分为石灰岩和砂岩，没经过处理筛分的机制砂细度模数3.0，石粉含量5.9%，MB值1.0，对比试验的天然砂为骆马湖砂，细度模数2.5，含泥量1.8%；试验用聚羧酸减水剂由中建材中岩科技有限公司生产。试验用石粉为石灰石石粉，主要成分为CaCO3，其颗粒激光粒度分布如图1，D10=1.335 μm，D50=11.41 μm，D90=85.77 μm。

图1　石粉颗粒的激光粒度分布Fig.1　particle size analysis of stone dust

2.2试验方法

按《建设用砂》(GB/T14684-2011)规定的方法测定机制砂石粉含量和MB值。按《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2002)规定的坍落度法测试混凝土拌合物的工作性。按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)测试成型试件在标准养护条件下养护7 d、28 d的抗压强度。按照GB50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验》中电通量法测试混凝土抗氯离子渗透试验、快冻法测试混凝土的抗冻性、接触法测试混凝土的收缩率。

3　结果与讨论

3.1石粉含量对混凝土工作性的影响

试验采用枣庄中联商品混凝土有限公司的C30机制砂混凝土配合比，把机制砂的石粉筛分成0、3%、6%、9%、12%、15%石粉含量，混凝土坍落度及扩展度实验结果如图2。

表2　混凝土配合比

图2　石粉含量对混凝土坍落度及扩展度的影响Fig.2　Effect of stone dust content on slump and fluidity

如图2所示，石粉含量为0时，初始坍落度160 mm，扩展度445 mm，混凝土严重离析、泌水，工作性很差，坍落度和扩展度损失很快；石粉含量3%时，初始工作性较前面一组稍有改善，但仍离析、泌水；石粉含量为6%时，工作性改善明显，初始坍落度185 mm、扩展度455 mm，仍有泌水、离析现象，坍落度和扩展度损失较快；石粉含量9%时，初始坍落度分别为205 mm，扩展度455 mm，工作性好，不泌水离析，1 h坍落度150 mm，扩展度450 mm，坍落度损失大而扩展度几乎没损失，说明混凝土的工作性改善明显；石粉含量为12%时，初始坍落度为220 mm，扩展度510 mm，工作性好，1 h坍落度160 mm，扩展度440 mm；石粉含量增加到15%时，混凝土初始坍落度急剧降低到110 mm，包裹性良好。可见随着机制砂中石粉含量的增加，混凝土和易性改善明显，石粉含量达到12%时，和易性达到最好效果，石粉含量进一步增加达到15%时，由于需水量急剧增加混凝土流动性变差。机制砂混凝土损失较快，是由于该机制砂MB值1.0，石粉中泥含量高，泥在混凝土拌制后不断的吸附聚羧酸减水剂，导致30 min、1 h流动性损失较大。

3.2石粉含量对抗压强度的影响

由表3可看出混凝土7 d和28 d强度随着石粉含量增加逐渐增大，石粉含量达9%强度达到35 MPa，继续增加到12%，并没有明显增加，说明该机制砂在9%～12%之间强度最佳；石粉含量继续增加强度降低。由图1可知石粉50%的颗粒小于11.41 μm，在混凝土起到微集料填充作用，使混凝土中空隙率降低，混凝土结构更为致密，有利于提高强度，另一方面，石灰石质石粉具有晶核效应，它可以与水泥中的C3A和C4AF在水化的过程中发生反应生成水化碳铝酸钙，并与其它水化产物相互搭接，使水泥石结构更加密实，从而提高了混凝土的强度[6]；而当石粉含量超过一定范围时，破坏了混凝土中胶凝材料的最密实堆积结构，或使混凝土的胶骨比偏离最佳值，另外，石粉含量过多导致混凝土中有一部分游离态的石粉，这部分石粉出现在水泥石中或界面过渡区，将不利于集料与水泥石的粘结，以上因素导致了随石粉含量增加混凝土强度的降低。

表3　石粉含量对抗压强度的影响

3.3石粉含量对机制砂混凝土氯离子渗透性的影响

由表4可知，除了用骆马湖砂组的混凝土外，其余的电通量都低于2000 C，根据ASTM 1202总导电量及其对混凝土的分类，属于低氯离子渗透性，只有骆马湖砂组的达到了2363 C，属于中氯离子渗透性，湖砂拌制混凝土的抗氯离子渗透性比机制砂差主要是因为在C30混凝土中，机制砂中含有石粉，掺入到混凝土中以后，可有效填充水泥浆体的部分孔隙，增加其密实度，同时石灰石石粉与水泥中C3A和C4AF发生反应生成水化碳铝酸钙并与其它水化产物相互搭接，提高水泥石的密实度，从而提高了混凝土抗氯离子渗透性能。对抗氯离子渗透性能的改善并不随石粉含量的增加而提高，实验中6%的氯离子渗透性最低，说明6%的石粉含量的机制砂已经能达到最优紧密堆积，但是要混凝土和易性的提高需要石粉含量增加到9%～12%。

表4　石粉含量对机制砂混凝土氯离子渗透性的影响

3.4石粉含量对机制砂混凝土抗冻融性能的影响

图3　石粉对机制砂混凝土收缩性能的影响Fig.3　Effects of stone dust content on shrinkage of concrete

实验中机制砂混凝土的抗冻性比骆马湖砂低，是由于机制砂表明比较粗糙，而且破碎过程中可能产生了微裂纹，产生的连通毛细孔会比天然砂多，导致吸水率高于天然砂，所以抗冻性能较差；另一方面，机制砂在破碎过程中会产生细小的裂纹，这样就会使一部分水留在其内部，当机制砂被周围的水泥浆体包裹住以后，就容易产生密闭容器效应。机制砂吸水达到临界饱和度以后，冻结后会由于体积膨胀而破坏其周围的混凝土。不同石粉含量的S组100次冻融循环后动弹性模量大于85%，因为S组的外加剂中复配了微量(万分之五)的引气剂，S组的抗冻融性能明显好于Ms(机制砂)组，说明引气剂的加入可以显著提高混凝土的抗冻性能；S组相互比较发现石粉含量的增加有利于改善混凝土的密实度而提高抗冻性，但石粉含量达到12%后抗冻性又下降；与前面力学性能结果一致。

表5　石粉含量对机制砂混凝土抗冻性的影响

3.5石粉含量对机制砂混凝土收缩性能的影响

从图3可知，与骆马湖砂混凝土相比，机制砂混凝土14 d龄期前的收缩率比湖砂混凝土大，而后期的收缩率比湖砂混凝土小，这是由于水化早期石粉的晶核作用加速了水化硅酸钙或水化铝酸钙的形成，同时石粉可与氢氧化钙、水化铝酸钙反应生成水化碳铝酸钙晶体，由于石粉的存在促进了水化而增大收缩，而大部分石粉后期主要起填充作用使混凝土更加密实，所以后期机制砂混凝土的收缩与河砂相差不大甚至有所降低。

表6　石粉对机制砂混凝土收缩性能的影响

4　结　论

(1)石粉可以提高机制砂混凝土的保水性和粘聚性，有利于改善机制砂混凝土离析泌水现象，本文中研究的C30机制砂混凝土的最佳石粉含量为9%～12%；

(2)随着石粉含量的增加，机制砂混凝土的强度提高，当石粉含量达到15%时强度反而下降，所以机制砂中石粉含量不宜过高；

(3)机制砂混凝土的抗氯离子渗透性随石粉含量的增加而增加。机制砂混凝土的抗冻性比天然砂差，但复配适量的引气剂既可以提高机制砂混凝土的工作性，不影响机制砂混凝土的强度，还可以显著提高机制砂混凝土的抗冻性；

(4)14 d以前龄期的机制砂混凝土收缩比骆马湖砂大，后期机制砂混凝土的收缩与河砂相差不大甚至有所降低。

[1] Metha P K.Principles underlying production of high-performance concrete[J].Cement,ConcreteandAggregate,1990,12(2):70-80.

[2] 徐健，蔡基伟，王稷良.人工砂与人工砂混凝土的研究现状[J].国外建材科技，2004,25(3)：20-24.

[3] 陈欣声.机制砂在商品混凝土中的应用[J].工程机械,2004,35(8):1539-1545.

[4] 蒋正武.机制砂特性及其在混凝土中应用相关问题研究[J].砂石，2010,(6):36-41.

[5] 杨玉辉，周明凯，赵华耕.C80机制砂泵送混凝土的配制及其影响因素[J].武汉理工大学学报，2005,27(8):27-30.

[6] Zhou M K,Peng S M,Xu J.Effect of stone powder on stone chippings concrete[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology,1996,11(4):29-34.

Influence of Stone Dust on Properties of Concrete with Manufactured Sand

FANDe-ke1,MAQiang1,ZHOUZong-hui2,SHANLi-fu1,KONGFan-sheng1,WANGZhong-hao1

(1.CNBM Zhongyan Technology Co.,Ltd,Beijing 100024,China;2.School of Material Science and Engineering,Jinan University,Jinan 250022,China)

One of the most remarkable difference between manufactured sand and natural sand is stone dust whose particle size is less than 0.075 mm. The effects of different content of stone dust on workability and compressive strength was investigated in order to study the influence of stone dust on concrete with manufactured sand. Tested by using the coulomb electricity flux method and rapid freezing and thawing method to study the influence on the resistance to chloride ion permeability and antifreeze performance of concrete with manufactured sand of different content of stone dust, and tested shrinkage performance of concrete with natural sand and manufactured sand. The results show that appropriate proportion content of stone dust in manufactured sand can improve workability and compressive strength obviously, concrete with manufactured sand made good resistance to chloride ion permeability and good resistance to chloride ion permeability because stone dust improved compactness of concrete. The shrinkage rate of concrete with manufactured sand in the former 14 d age was bigger than that of concrete with natural sand, and the shrinkage rate in the late age was not much different.

manufactured sand;stone dust;concrete;shrinkage

枣庄市自主创新及成果转化专项项目(201402).

范德科(1981-)，男，硕士，工程师.主要从事混凝土及外加剂研究工作.

TU528

A

1001-1625(2016)03-0913-05