机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响

邓文明

（中铁二局第三工程有限公司， 四川 成都 610083）

0 前言

根据GB/T14684—2011《建筑用砂》要求，机制砂是指经过处理，由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但不包括软质、风华的颗粒。石粉含量是指机制砂中粒径小于75μm的颗粒含量。在缺乏河砂的地区，机制砂可替代河砂作为混凝土的细骨料。近几年来，混凝土施工均采用机制砂作为细骨料，积累了不少的成功经验。

1 机制砂的性能

1.1 生产特点

机制砂多取材自当地材料，另外有一部分是利用生产粗骨料的剩余料为原料的，釆取专用设备进行机制砂生产，根据工程的进展情况，采用人为的手段对机制砂的质量进行控制，保持其稳定性，也就是说要保持工程所使用的机制砂的粒型、细度模数和级配的稳定。这也正式机制砂与天然砂的本质的区别。

1.2 外观特征

机制砂的颜色多数都是灰白色或者黑色的，颗粒有尖锐的棱角，如果采取干法生产的机制砂，石粉含量达到百分之十左右，从外观上就与石粉几乎一模一样。

1.3 石粉含量

在生产机制砂的过程中，石粉是肯定会产生的，只是根据生产工艺的不同，产生的量可多可少。石粉在机制砂中的存在有利于混凝土的各项性能的发挥。能够完善混凝土细骨料的级配、提高混凝土的密实性都有益处。

1.4 细度模数

根据细度模数的可以对机制砂进行划分，目前生产的机制砂细度模数多数都处在3.0到3.7之间。属于中粗砂，石粉含量也处于中等。在机制砂中，石粉含量和细度模数之间是呈反比关系的。

1.5 颗粒形状

机制砂是通过机械破碎成型的，所以会呈现为有棱角的粗糙小颗粒的形态，并且多数颗粒都是方矩体或者三角体，这样的形态降低了混凝土的和易性，但是有利于水泥和骨料的粘结。石粉的存在，弥补了机制砂对混凝土的和易性造成的影响，避免了强度等级低的混凝土在使用的过程中发生泌水的概率。

2 机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响

2.1 原材料性质

1.1 水泥

选用湖南韶峰水泥厂生产的韶峰P·O42.5级水泥，密度为3.14g/cm3，比表面积为340m2/kg，标准稠度用水量27.1%，初凝时间为135min，终凝时间为200min，安定性合格，3d抗折强度7.3MPa，28d抗折强度9.6MPa，3d抗压强度27.6MPa，28天抗压强度49.6MPa。

1.2 细骨料

石灰岩机制砂，细度模数为3.1，石粉含量为4.3%，表观密度为2690kg/m3；河砂细度模数为2.8，表观密度为2690kg/m3，孔隙率为41.6%，含泥量为0.5%。

1.3 粗骨料

选用5～25mm连续级配石灰岩碎石，压碎指标为7.4%，针片状颗粒含量为4%，孔隙率44%，含泥量为0.6%。

1.4 外加剂

采用江苏博特新材料有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率为 25%，含气量1.9%。

1.5 石粉

石灰岩石粉，粒径小于0.075mm。

2.2 试验方法

2.1 混凝土拌合物性能试验

按GB50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。

2.2 混凝土力学性能试验

按GB50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。混凝土试件采用150mmx150mmx150mm立方体标准试件。

2.3 混凝土耐久性能试验

按GB50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。

2.3 机制砂中石粉含量对混凝土工作性能的影响

混凝土拌合物的工作性能主要分为三种，分别是流动性、粘聚性和保水性等。混凝土拌合物的工作性是很重要的，它是保证混凝土浇筑质量的关键。

本文采用了设计强度等级为C30的7个不同石粉含量机制砂以及天然砂对混凝土拌合物泌水率的影响。

表3.1 石粉含量对混凝土工作性能的影响

从以上表格可以看出，在混凝土中配入天然砂能够达到较好的性能，坍落度较大，泌水率较小，粘聚性较好，轻微离析。但对于在水泥、水、骨料及外加剂用量相同的情况下使用机制砂，随着石粉含量的增加，混凝土拌合物的粘聚性逐步改善，坍落度有所提高，离析泌水现象得到显著的改善。

2.4 机制砂中石粉含量对混凝土力学性能的影响

混凝土是一种结构材料，其所具有的性能当中非常重要的一种就是力学性能，这也是在配制混凝土时所需要遵守的依据。在众多因素当中，除了矿物掺合料的使用量和水胶比能够对其力学性能造成影响以外，粗骨料的颗粒大小、砂浆等等以及水泥石和骨料的界面特性都能够对其性能造成影响。

表2.4.1混凝土力学性能受到石粉含量的影响

2.4.1 机制砂中石粉含量对混凝土抗压强度的影响

混凝土性能中最重要的参数之一就是混凝土的抗压强度。表4.1中混凝土抗压强度的结果表明，石粉含量在20%以下的C30混凝土，混凝土的强度与石粉含量之间是正比关系，石粉含量越高，混凝土的强度越高，混凝土的理想石粉含量约在10%到15%之间，石粉含量大于15%时，混凝土的强度随着石粉含量的增加而降低。

在机制砂混凝土中，石粉主要从三方面对混凝土强度造成了影响：1、石粉能够依靠其细度较小的优势填充混凝土的微骨料；2、石粉经过水化，能够产生化学反应，和水泥当中的C3A和C4AF生成能够与其他水化产物相互填充，彼此包裹的水化碳铝酸钙，这样的结合可以起到进一步紧实水泥石结构的作用，让混凝土的强度有所提高；3、石粉含量增加到一个极限值时，石粉的存在会破坏混凝土中最密实的堆积结构，使混凝土的强度降低。

2.4.2 机制砂中石粉含量对混凝土抗折强度的影响

从表4.1中对混凝土的抗折强度进行分析的结果表明，当混凝土的石粉含量小于10%时，混凝土的抗折强度随着石粉含量的增加而升高，当石粉含量大于10%，抗折强度随着石粉含量的增加而降低，混凝土的最佳石粉含量明显在于 10%到15%之间。同时，混凝土的脆性系数也会受到石粉含量增加的影响，这种影响是会随着含量的增加而发生变化，而达到最佳的状态时石粉含量在百分之七到百分之十之间。在这之前其脆性系数是处于增加的趋势，而当达到这个最佳值后就开始随着石粉含量的增加而呈现减小的趋势，这种转折变化跟混凝土的保水性受到了石粉含量的影响有关；当石粉含量过高时，石粉在骨料界面的富集程度过大，使得混凝土中的胶结石与骨料的过渡区逐渐减小，使得混凝土的抗折强度开始呈现出降低的趋势。

2.4.3 机制砂中石粉含量对混凝土劈裂抗拉强度的影响

表4.1中混凝土的劈裂抗拉强度试验结果表明：对于C30强度等级的混凝土，随着石粉含量的增加，逐渐提高了混凝土的劈裂抗拉强度。因为受到石粉含量的影响，使混凝土当中的骨料的级配得到了完善，丰富了混凝土的浆体含量，提高了混凝土的保水性，降低了混凝土中原有的自由水的含量，减少了富集于粗骨料表明的泌水概率，使混凝土界面过渡区的厚度降低了，所以导致了混凝土的劈裂抗拉强度有所提高的结果。

2.4.4 机制砂中石粉含量对混凝土抗压弹性模量的影响

表2.4.1中混凝土的抗压弹性模量试验结果表明：随着石粉含量的增加，混凝土的抗压弹性模量出现先增加后降低的现象，石粉含量在3%到5%之间时，混凝土的抗压弹性模量最大。

石粉对于混凝土抗压弹性模量影响主要存在于两个方面：1.机制砂所含的石粉完善了混凝土骨料的级配，提高了混凝土的保水性，起到了降低混凝土界面效应的作用，有利于提高混凝土的抗压弹性模量；2.石粉在混凝土中也起到了一种惰性填料的作用，丰富了混凝土的浆体含量，降低了混凝土的骨浆比，从而降低了混凝土的抗压弹性模量。

2.4.5 机制砂中石粉含量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

可以通过混凝土的抗氯离子渗透性能来对混凝土密实性进行评估。从表2.4.2的试验结果可知，在C30强度等级的混凝土中，混凝土的抗氯离子渗透系数随着石粉含量的增加先是逐渐增大，当石粉含量大于7%时，混凝土的抗氯离子渗透系数迅速降低。

表2.4.2 石粉含量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

3 结论

本文结合机制砂混凝土试验，系统的对机制砂中石粉含量的变化对于混凝土的拌合物性能、力学性能以及耐久性能等方面造成的影响做出了分析和研究。

1.当机制砂中的十分含量保持在一个适当的范围内时是能够完善机制砂的级配的，同时也能够对掺入石粉后的混凝土性能加以弥补，让其内部的结构更加优化，在搅拌混凝土的过程中，由于事前掺入的高效减水剂的作用，水泥和石粉颗粒被分散开来，在矿物掺合料和水泥之间会存在一定的空隙，石粉颗粒能够填充在空隙当中，让混凝土的整体结构密度更大，同时由于空隙被填充，也降低了用水量。所以，能够达到保持混凝土原需要的流变性能不变的同时还能够减少混凝土当中加入的水的量，这样在混凝土硬化后结构可以更加密实，建筑体更加的牢固，有利于提高混凝土的坍落度、改善混凝土的泌水性能，对于C30强度等级的混凝土，应该将机制砂中石粉含量控制在百分之十到百分之十五之间，这样能够达到最为完美的状态；

2.大体积混凝土的浇筑的牢固性对温度和湿度有着特定的要求，不可随意变化，否则会造成混凝土内外温差较大，对混凝土浇筑体的结构产生不利的影响。混凝土在浇筑后开裂的主要原因是也是温度不稳定，造成混凝土内部在凝结过程中无法达到均匀稳定的状态造成的。在混凝土中机制砂含有适当的石粉可以起到填充作用，由于掺入石粉后用水量减少了，所以混凝土的强度也提高了，不需要再掺入大量的水泥，减少了水化温升的概率。也就使混凝土浇筑的结构状态更加稳定。

3.与通常所用的矿物掺合料不同，石粉基本不具有火山灰活性，但具有极细的细度，表面能较大，在机械搅拌和高效减水剂共同作用下被分散到水泥和矿物掺合料之间，改善了颗粒堆积效率，提高了混凝土的早起强度。

4.有利于提高混凝土的抗压、抗折、劈裂抗拉强度。但对于有抗压弹性模量要求的混凝土，试验证明机制砂不是理想的细骨料。对于C30强度等级的混凝土，应该将机制砂中石粉含量控制在百分之十到百分之十五之间；

5.混凝土的抗氯离子渗透性能随着石粉含量的增加而增加。