机制砂石粉含量对高标号混凝土性能的影响

李殿勤

(山西路桥第二工程有限公司，临汾 041000)

随着我国经济的迅猛发展，高标号混凝土作为高速公路桥梁结构主体材料使用量越来越大，其中占混凝土体积70%以上的砂石集料要开山采矿，挖掘河床。而天然砂是短时期内不可再生资源的一种地方性材料。同时，国家对环境保护的要求，直接导致天然砂的资源短缺、供不应求，品质也参差不齐，为工程建设质量与效率带来了不利影响。我国有着丰富的机制砂资源，取材简单，成本不高，可以保持有较为稳定的质量，这种材料在配制混凝土时极其适用。

机制砂是机械破碎而成的，与天然砂相比，它有自身显著的特点，会对混凝土性能造成一定的影响。因为颗粒表面比较粗糙，棱角较多，同时石粉占有很大比例，通常来说，机制砂含有一定石粉对混凝土来说是比较有利的，能够解决混凝土和易性不好的问题，且石粉能够让混凝土内细粉料级配得以改善，促使混凝土各项性能得到提升。然而如果石粉含量过大，将为混凝土强度、收缩性及抗渗性等方面带来不利影响。

该文从公路桥梁工程设计与机制砂质量等方面入手，对各种石粉含量不一样的机制砂作出了混凝土试验研究，并对比了天然河砂混凝土性能，对机制砂内石粉含量为混凝土性能带来的影响进行了分析。

1 原材料及配合比

1.1 原材料

1)水泥：金隅牌P O42.5普通硅酸盐水泥，表1、表2分别为主要化学构成和物理性能[1]。

2)碎石：选用5～25 mm连续颗粒级配碎石，表3为主要性能指标。

3)机制砂：选择不同石粉含量的机制砂，分别使用石粉含量为3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%的机制砂配制混凝土，进行相关性能试验研究[2]。

表1 水泥的化学成分

表2 水泥的物理力学性能

表3 碎石的物理性能

1.2 配合比

根据公路桥梁工程的结构特点，该研究选择公路桥梁工程主体结构部位的箱梁为研究对象，对应强度等级为C50，配合比选择目前工程用常规配合比，详见表4。

表4 配合比

2 试验研究

对桥梁工程结构设计来说，应该注重适用、安全、经济和美观，箱梁在桥梁结构中是承受外部荷载、向下部传输跨中载荷及体现桥梁结构美观的关键部件，且长时间承载与裸露于外部环境。箱梁主体主要使用材料为混凝土，除了要保证强度达到设计规定以外，也需要提升结构的耐久性，同时混凝土的抗渗性、抗冻融性和抗裂性也极为重要。重点研究不同石粉含量机制砂对C50箱梁混凝土强度、耐久性指标的影响。

2.1 石粉含量对C50混凝土强度影响

1～4周龄期标准养护条件下，石粉含量不一样的混合砂配制的C50箱梁混凝土的立方体抗压强度情况如表5所示。

表5 石粉含量对C50混凝土强度影响

由表5可知：

1)石粉含量为6%时混凝土各龄期的强度与天然河砂混凝土相比，其有了大幅度提升，石粉含量达到9%后，混凝土强度和天然砂混凝土相同。

2)石粉含量达到3%后，各龄期的混凝土强度有了很大降低。

3)石粉含量超过9%的情况，在石粉含量提升的过程中，混凝土强度将开始逐步降低。

分析认为：高标号C50水泥混凝土，石粉含量较多，那么于混凝土内会发挥出惰性的作用，让水泥活性受到影响，从而导致混凝土强度降低。当石粉含量处于5%～8%范围后，混凝土强度将逐步提升，通过分析可知多余石粉颗粒在混凝土内发挥着微细填料的作用，让水泥颗粒与细集料颗粒缝隙被填充，这样混凝土密实性将得到提升，强度也随之增加。在石粉含量进一步提升以后，过多的石粉含量在混凝土中起到了惰性作用，强度开始出现快速降低，石粉较多，不利于混凝土粗集料骨架作用的发挥[3,4]。

2.2 石粉含量对C50混凝土收缩性能影响

水泥混凝土中化学反应、湿度、温度变化等因素所引起的体积缩小，称为水泥混凝土的收缩。对机制砂中石粉含量对混凝土收缩性能的影响进行了相关试验与分析，机制砂石粉含量对混凝土收缩性能的影响如表6所示。

表6 石粉含量对混凝土收缩性能的影响

由表6可知：在石粉含量提升以后，会让混凝土和易性得到增强，通过对石粉含量的有效控制，将让混凝土力学性能得到提升，但是在石粉含量提升以后，其收缩率也将得到提升。在石粉含量从12%逐步提升至21%以后，收缩率的提升幅度将显著增加。分析其原因可知，75 μm以下的石粉颗粒随着混凝土进行拌合，水泥浆的含量将获得提升，尤其是水泥浆增多以后，混凝土干缩率也会越来越大。

2.3 石粉含量对C50混凝土抗渗性能影响

水泥混凝土是通过水泥水化固化胶结砂石骨料，会产生气、液、固三相同时存在的多孔性非匀质材料，其透水性较强，很多因素都会对水泥混凝土渗透性带来影响。其中对内因来说，即混凝土自身材料构成与结构特点，而外因为混凝土面临的环境。为了让混凝土抗渗性得到提升，要增强混凝土的致密性，最大限度减少原生裂缝，同时让混凝土硬化以后，让其体积保持更加稳定。不同石粉含量对C50混凝土抗渗性能的影响见表7。

表7 石粉含量对C50混凝土抗渗性能的影响

由表7可知：机制砂中石粉含量给混凝土抗渗性带来的影响较大。分析其原因可知混凝土内石粉含量提升以后，石粉颗粒会在胶凝材料与细骨料空隙内进行充填，于混凝土内发挥出填充效应，让孔结构得到优化，这样过渡孔与胶凝孔的数量会增强，而混凝土空隙率则会变小。此外，混凝土内石粉含量较多，则能够体现出吸水效应，使让混凝土水灰比降低，并有效增强了抗渗性能。

2.4 石粉含量对C50混凝土抗冻性能影响

在-15～-20 ℃、15～20 ℃等温度条件下，石粉通过200次冻融循环，最终得出如表8所示的质量和强度损失结果。

表8 石粉含量对C50混凝土抗冻性能影响

由表8可知：

1)当石粉含量在0～9%的范围内时，对混凝土抗冻性能的提升有一定的促进作用，可以显著减少质量与强度等方面的损失，当石粉含量在9%以上后，混凝土在质量与强度等方面的损失将逐步提升。

2)当石粉含量超过15%时，在强度与质量等方面的损失上，机制砂混凝土要高于天然河砂混凝土，在石粉含量进一步提高以后，抗冻性会越来越低。

3)在石粉含量处于9%后，混凝土抗冻性能最高，与天然河砂混凝土相比，质量损失减少了22%，而强度则减少了24%。

分析原因可知，在石粉颗粒提升以后，混凝土细小颗粒级配出现了变化。石粉颗粒在混凝土内发挥着填充料功能，会对水泥颗粒与细集料颗粒缝隙进行填充，让混凝土内粗大孔和毛细孔等变少，而胶凝孔和过渡孔等细小孔将变多。这样会让孔内游离水变少，对结冰过程中体积变大造成了阻碍，所以混凝土抗冻性能会变大。不过在石粉含量提升以后，抗冻性减少因素还应该继续探讨。

2.5 石粉含量对C50混凝土工作性能影响

按照C50混凝土试配强度确定的水灰比为0.43，同时让其固定，由水灰比与碎石直径得出砂率是28%，然后对机制砂内石粉含量作出调整，将各种石粉含量下机制砂混凝土坍落度测出来。试验发现，在石粉含量提升以后，机制砂混凝土坍落度先开始提升，达到一定程度后将会下降，离析泌水状况也会得到优化。在石粉含量不超过7%的情况下，有一定离析现象，其中3%的条件下泌水最为严重，而机制砂混凝土流动性最好，而保水性能不好。在石粉含量为7%～13%的情况下，机制砂混凝土黏稠度刚好合适，保水性能有了大幅度提升，工作性能也达到最佳状态。在石粉含量超过13%以后，此时离析现象已经很难发现，坍落度基本上等于零，出现了严重的泌水状况，这个时候机制砂混凝土比较黏稠，也缺乏良好的黏聚性。整体上看，在石粉含量增加以后，机制砂混凝土内细微颗粒将越来越多，表面积也会增强，这样会提升混凝土集料和水的接触面积，从而让混凝土和易性得到提升。但是在石粉含量提升到某个值以后，混凝土对数量的需求也会增加，混凝土越来越粘稠，工作性能也随之降低[5]。

3 机制砂的生产工艺

采用10～20 mm石灰岩碎石加工生产机制砂，石粉含量一般在10%以内，去除多余的石粉是关键技术之一，一般采用高效双转子选粉设备进行粗细粉分离和除尘，此外，配制混凝土机制砂细度模数通常在2.6～3.5范围内，应对振动筛角度和筛孔尺寸作出适当调整；各级累积筛余最好符合II类机制砂级配范围要求。

4 结 论

综上所述，将机制砂水泥混凝土内石粉含量控制好，可以提升其力学性能，能够比天然河砂水泥混凝土性能更加优异。这主要是因为：第一，机制砂中石粉占据了一定比例，能够解决天然河砂内细粒含量不足的问题，让混凝土骨架中空隙得到填补，这样能够实现水泥混凝土内空隙率的降低。第二，机制砂内石粉会促使砂浆中保水性提升，降低泌水，这样避免自由水汇集到界面上，从而能够让浆—集料获得优化。第三，机制砂内石粉可以于水泥水化反应起晶核的作用，让水泥水化得以加速，让水泥水化反应顺利进行，最终产生水化碳铝酸钙，避免钙矾石转变为单硫型的水化硫铝酸钙。经过试验以及在施工中的应用，把石粉含量控制在12%以下最为合理。