花岗岩石粉掺量对机制砂混凝土力学性能和耐久性的影响

宋军强

摘要：本文主要研究了花岗岩机制砂石粉含量（10%、20%、30%）对机制砂混凝土力学性能和耐久性关键参数的影响。试验结果表明：石粉對混凝土早期强度发展不利，但是提高了混凝土后期强度和弹性模量。和纯水泥混凝土相比，加入石粉的混凝土56 d龄期抗氯离子渗透性提高显著。随着石粉含量的增加，混凝土的电通量随之增加但都保持在较低的渗透性水平。当石粉掺量在20%以内时，经过350个冻融循环周期后，机制砂混凝土的相对动弹模只有稍微下降，但当石粉掺量达到30%时，混凝土相对动弹模显著降低。和纯水泥混凝土相比，掺加石粉的混凝土干缩在14 d内有所抑制。整体来看，石粉掺量在20%，机制砂混凝土各项性质最佳。

Abstract： This paper mainly studied the effects of gravel powder content （10%， 20%， 30%） on the key parameters of mechanical properties and durability of the machined sand concrete. The test results show that： stone powder is unfavorable for the early strength development of concrete， but it improves the later strength and elastic modulus of the concrete. Compared with pure cement concrete， the addition of powdered concrete has a significant increase in chloride ion permeability at 56 days. As the content of stone powder increases， the electrical flux of the concrete increases with it but maintains a low level of permeability. When the content of stone powder is less than 20%， the relative dynamic modulus of the machine-made sand concrete only slightly decreases after 350 cycles of freeze-thaw cycles， but when the amount of stone powder reaches 30%， the relative dynamic modulus of the concrete decreases significantly. Compared with pure cement concrete， dry concrete shriveled with stone powder was suppressed within 14 days. As a whole， the content of stone powder is 20%， and the properties of machine-made sand concrete are the best.

关键词：石粉；机制砂混凝土；力学性能；耐久性

Key words： stone powder；mechanical sand concrete；mechanical properties；durability

中图分类号：TU528.041 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）17-0171-03

0 引言

随着河砂开采的限制以及环境保护的加强，天然河砂资源日渐缺乏。而砂是水泥混凝土的重要原材料之一，用量约占混凝土总体积的1/3，其质量对于新拌及硬化混凝土的性能有着重要影响。机制砂是岩石经机械破碎而成，其区别于天然砂的显著特点是粒形尖锐、表面粗糙，机制砂近年来越来越多地被用来替代河砂作为细集料应用于混凝土工业中。在机制砂生产过程中，不可避免地混入一定数量（10%～20%）的微细石粉。石粉对于机制砂细集料以及混凝土的性质具有重要影响。因此，本文开展了不同石粉含量（10%、20%、30%）的机制砂混凝土的力学试验和耐久性试验，探究石粉含量对上述性能的影响，为机制砂实际工程应用提供技术支撑。

1 试验

1.1 试验原材料

采用P·O 42.5级水泥，F类I级粉煤灰，S95级粒化高炉矿渣粉，三者的主要化学成分见表1；粗骨料为花岗岩碎石，5.00～25.00mm连续级配；细骨料为花岗岩机制砂，级配曲线为Ⅱ区，细度模数为2.70；石粉由试验所用同批次花岗岩机制砂通过0.075mm方孔筛筛分所得，其SEM图和XRD衍射图如图1；减水剂剂选用江苏苏博特生产的聚羧酸高效减水剂，减水率为29.3%；引气剂为烷基苯磺酸盐类引气剂，固含量为4.81%。

本试验胶材用量固定为440kg/m3，共成型5组混凝土试件。S0组混凝土配比中石粉掺量为0，S4组胶材为纯水泥，这两组作为对照组。S1、S2和S3组中石粉的比例分别为胶凝材料总质量的10%、20%和30%，具体的配合比如表2所示。通过调节减水剂掺量，控制试验混凝土坍落度在180±10mm区间范围内；调节引气剂掺量，控制含气率在4±0.5%范围内。

1.2 试验方法

混凝土力学性能：混凝土抗压强度和弹性模量测试根据GB/T50081-2002标准的规定进行测试，试件尺寸分别为150×150×150mm和150×150×300mm。

抗氯离子渗透性：根据GB/T 50082-2009标准里的电通量法进行测定。试件尺寸为直径Φ=100±1mm、高度h=50±2mm的试块。测定混凝土试块标准养护28d和56d齡期时的电通量值（C）。

抗冻性：按照GB/T50082-2009标准中快冻法进行。试件尺寸为100×100×400mm的棱柱体。试件在养护至28d龄期后，每隔50个冻融循环测定、计算试件的相对动弹模，本次试验冻融循环总次数为350次。

干燥收缩：混凝土干燥收缩试验按照GB/T 50082-2009标准进行测试。干燥收缩测试采用接触法，试件尺寸为100×100×515mm，测试的开始龄期从标准养护1d以后开始，试件放置在温度为20±2℃，相对湿度为60±5%的干燥养护室中，分别测定试件在1d，3d，14d，28d，60d和90d龄期时的干燥收缩值。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度

石粉掺量对机制砂混凝土力学性能的影响如图2所示。混凝土的抗压强度是进行混凝土结构设计时的主要指标。从图2（a）可以看出，随着养护龄期的增长，机制砂混凝土的抗压强度呈增大的趋势。利用ORIGIN 8.5对混凝土抗压强度值和龄期自然对数值进行线性拟合，拟合效果如图2（b）所示。可以看出，两者近似呈正线性关系，相关系数R2>0.90。然而，从线性拟合方程来看，斜率不同，证明各组混凝土强度发展表现出不同的增长趋势。石粉和矿物掺合料会一定程度降低机制砂混凝土3d和7d龄期的抗压强度，但是对后期强度有明显的提高作用，其中试样S0和S2的28d和56d龄期的抗压强度超过了S4。另外，试样S0的后期强度在所有组中是最高的。这说明石粉的胶凝活性不如粉煤灰。在所有加石粉混凝土中，S2的抗压强度是最高的，原因主要在于石粉颗粒的填充作用[2]。当石粉比例为20%时，混凝土体系最密实。当石粉比例达到30%时，可观察到机制砂混凝土的强度有所下降，S3的28d和56d龄期的抗压强度比S4低13.3MPa和14.3MPa。尽管石粉能够提高混凝土结构的致密性，但是石粉的活性不如粉煤灰。当石粉比例过高时，物理填充效应不如胶凝材料的沉积作用[1]。因此，石粉的比例最好控制在20%以内以改善或保持混凝土的抗压强度。

2.2 弹性模量

图3给出了石粉掺量对S0～S4组机制砂混凝土弹性模量的影响。可以看出，各组混凝土56d龄期的弹性模量相比28d龄期分别增长了3.2%-11.4%。其中，S2组混凝土的28d和56d龄期的弹性模量最大。石粉作为惰性填料可以填充混凝土的网状结构[2]，因此有助于提高混凝土的弹性模量。

2.3 抗氯离子渗透性

图4给出了石粉掺量对S0～S4组混凝土电通量的影响。与28d龄期相比，56d龄期混凝土电通量降低了28.0%-54.0%。其中，S4组混凝土电通量降低最小，而S0组电通量降低最大（54.0%），这说明加入石粉、粉煤灰或者矿渣粉均能提高混凝土的抗氯离子渗透性。S3组混凝土56d龄期的电通量值虽然相比其他组较高，但是根据【GB/T 50082-2009】，其氯离子渗透性仍然维持在较低水平。尽管石粉能够一定程度上提高混凝土的抗氯离子渗透性，但是其积极作用明显小于粉煤灰和矿渣粉。随着石粉掺量增加，其对混凝土抗氯离子渗透性的改善作用降低。粉煤灰和矿渣粉的使用能够改善混凝土的孔结构[3]。另外，氯离子能够和矿物掺合料激发出来的铝、硅氧化物进行化学结合被固定，而石粉只有物理填充作用对氯离子没有化学结合固定作用[3]。

2.4 抗冻性

抗冻性不仅可以用来衡量混凝土的抗冻性能，也是反映混凝土耐久性的重要综合指标。图5给出了各组机制砂混凝土在冻融循环过程中相对动弹模的变化。可以看出，在经过350次冻融循环后，S0动弹模降低最小，S1、S2分别比S0小2.5%和2.9%，说明两组混凝土抗冻性略有下降，但是都符合F350要求。F350要求经过350个冻融循环周期后，混凝土相对动弹模不低于60%。当石粉掺量为30%时，混凝土动弹模出现明显地降低，减小到82.3%，比S0小11.8%。尽管如此，S3仍然可以在严寒环境中应用到混凝土结构中，因为其符合F350要求。混凝土抗冻性在很大程度上依靠其自身含气量和强度。对于相同强度等级的混凝土，其抗冻性随含气量的增加而提高。对于相同含气量的混凝土，其抗冻性随着强度的提高而提高[1]。在5组混凝土中，S3的含气量为3.8%，抗压强度比S0低14.0MPa，这是其抗冻性降低较大的主要原因。然而，加入适当石粉含量的混凝土，例如S2，其相对动弹模没有明显的降低，这说明混凝土加入适量石粉应用于寒冷地区工程建设是可行的。

2.5 干缩

图6给出了S0～S4组混凝土在不同养护龄期干缩率的变化。可以看出，石粉和其他矿物掺合料都能一定程度上抑制混凝土的干缩。14d龄期以内时，S0～S3的干缩率都小于S4。然而，石粉的对混凝土干缩的改善效应在一定程度上低于粉煤灰和矿渣粉。石粉掺量对混凝土干缩的影响有一个临界值。掺量在20%以内，石粉对混凝土干缩的抑制作用比较明显。

当掺量达到30%时，混凝土长期干缩变形程度反而得到加强。原因主要在于加入适量石粉之后，胶凝材料比例有所降低，混凝土的水化反应前后的体积变形有所降低。但是，水化反应需水量也相应减少，导致混凝土体系内自由水量有所增加。当石粉比例超过临界值时，增多了混凝土中浆体数量，增大了有效水胶比，部分自由水并未参与水化，易于蒸发，导致混凝土干缩增大。因此，S3具有最大的干缩变形。

3 结论

①石粉会降低混凝土的早期强度。当机制砂石粉掺量占胶凝材料比例在20%以内时，机制砂混凝土具有更高的长期抗压强度和弹性模量。

②石粉的加入有助于提高机制砂混凝土的抗氯离子渗透性。随着石粉掺量的增加，混凝土的电通量增加，但56d龄期混凝土氯离子渗透性仍维持在较低的水平。

③石粉对机制砂混凝土抗冻性的影响与其掺入比例有关。当掺入比例在20%以内时，经过350个冻融循环后相对动弹模量减少量最大为2.9%。当石粉掺量达到30%时，混凝土相对动弹模显著降低。

④石粉可以降低14d龄期内混凝土的干缩。当掺加比例达到30%时，混凝土长期干缩变形程度增大。

⑤综合考虑混凝土工作性、力学性能、耐久性和干缩等性质，石粉最佳掺量为总胶凝材料的20%。

参考文献：

[1]刘战鳌.机制砂中细粉对混凝土性能的影响及机理研究[D].武汉：武汉理工大学，2016.

[2]刘数华，阎培渝.石灰石粉对水泥浆体填充效应和砂浆孔结构的影响[J].硅酸盐学报，2008，36（1）：69-72.

[3]M. Uysal， K. Yilmaz， M. Ipek， The effect of mineral admixtures on mechanical properties， chloride ion permeability and impermeability of self-compacting concrete. Construction and Building. Materials， 2012， 27 （1）： 263-270.