机制砂中不同因素对混凝土性能影响研究

牟晓磊

(中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

作为连接胶凝材料和粗骨料的媒介，砂的掺入对混凝土强度、耐久性等起着至关重要的作用。利用机制砂替代河砂配制混凝土，石粉含量、泥含量以及砂率的选择是当前面临的主要问题，机制砂石粉含量一般10%～20%，我国现行国家标准对机制砂石粉含量限值做出了严格的制约，因此一定程度上制约了机制砂的应用。相关研究和机制砂标准制订时均将含粉量作为重要内容来对待[1-2]，研究人员就石粉含量对混凝土性能影响开展了大量相关研究，结果如下：①石粉作用机理。石粉作用于混凝土增加了水泥浆体含量，同时提高了混凝土的流动性，石粉颗粒较小还可起到微滚珠作用，改善混凝土和易性，石粉的微集料堆积作用填充于混凝土中的内部空隙，增大了拌合物的密实，后期石粉以及其他胶凝材料的水化产物相互搭接作用使混凝土硬化浆体的抗压强度增大。②石粉掺量。机制砂中石粉含量为8% ～12%时，混凝土和易性较好，且满足施工需要； 超过15%以上时，混凝土和易性虽然满足施工要求，但较为黏稠，在搅拌和泵送过程中需要较大的阻力。③抗压强度。随着石粉含量的增加，机制砂混凝土强度呈上升趋势，石粉含量为15% 时达到最大值，继续增加石粉含量会降低抗压强度。④抗冻性能。石粉的掺入可以改善机制砂混凝土的抗冻性，石粉含量为5%～10%时，在200 次冻融循环后，随着石粉含量的增加，混凝土的质量损失和强度损失均减小，超过了10%，混凝土抗冻性下降。

相关研究工作局限于机制砂石粉含量，但机制砂在破碎、堆放、运输过程中不仅产生大量石粉，含泥量也随之增大，同时石粉的粒径制约着新拌混凝土的和易性，系统开展机制砂中不同因素对混凝土性能的影响研究非常重要。本文立足于三因素三水平正交试验，通过探究机制砂石粉含量、泥含量以及砂率的影响程度，展开混凝土强度以及冻融试验，旨在发现相关规律以提高机制砂在混凝土施工过程中的利用水平。

1 正交试验

1.1 试验原材料

本研究采用的原材料如下：水泥：P.O 42.5，淮北相山水泥厂；机制砂：石灰石制机制砂，各项指标见表1，其细度模数2.8%，石粉含量7.0%，堆积密度1 538 kg/m3。石粉：与机制砂同石料，化学组成见表2；粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，化学组成见表2，永城裕东粉煤灰厂生产；混凝土外加剂：高性能聚羧酸减水剂，掺量为水泥质量的0.5%。

表1 机制砂级配

1.2 配合比确定

表2 水泥、粉煤灰及石粉的组成%

材料CaOSiO2MgOFe2O3Al2O3SO3TiO2石粉49.337.031.320.582.270.230.20水泥65.221.41.123.355.082.220.57粉煤灰26.7843.051.754.6519.322.330.34

选取的机制砂为冲洗干净颗粒，并收集生产过程中被水冲洗掉的石粉，添加到无石粉的机制砂中，配制出不同石粉含量的机制砂，不同石粉含量、泥含量、砂率的机制砂配制混凝土配合比保持一致，即水胶比(0.45)、外加剂掺量(0.5%)相等，粉煤灰掺量(20%)保持一致。

1.3 试验方法

设计一个三因素三水平正交试验表见表3。

表3 试验考察的因素和水平

2 试验结果与分析

2.1 正交试验结果

对制约混凝土抗压强度的影响因素和水平进行正交试验设计，计算出极差和方差，结果见表4和表5。

表4 L9(34)正交分析的试验设计及部分结果

表5 正交分析试验结果MPa

1石粉含量/%2泥含量/%3砂率/%Ⅰ/1水平总和161.7160.2158.4Ⅱ/2水平总和163.8162.6164.1Ⅲ/3水平总和156.6159.3159.6Ⅰ平均值53.953.452.8Ⅱ平均值54.654.254.7Ⅲ平均值52.253.153.2极差2.41.11.9

极差的大小可以得出试验因素对混凝土强度的影响情况，石粉含量的变化对混凝土强度影响差到2.4 MPa，而泥含量的变化对强度的影响差仅仅只有1.1 MPa，可见石粉含量水平比泥含量水平重要多一些。由此可以得出结论：

(1) 石粉含量对混凝土强度的影响最大，其次是砂率，再次是泥含量。

(2) 石粉含量为12%、砂率为42%、泥含量为2.5%时混凝土强度好。

2.2 强度发展趋势分析

在标准养护条件下混凝土硬化浆体28 d 抗压强度随石粉含量、泥含量、砂率变化如表6所示，综合分析不同石粉含量试件A1、A2、A3的强度可知，随着石粉含量的增加强度呈现先增大后减小趋势，石粉含量为12%时，强度达到最大值，A1、A3相较于A2分别为98.07%、93.85%；不同泥含量的强度发展趋势如B1、B2、B3所示，随着泥含量的增加强度呈现先增后降发展，泥含量为2.5%时强度达到最大值，B1、B3相较于B2分别为98.59%、97.36%；C1、C2、C3为不同砂率下强度发展趋势，砂率的增加使得强度先增大后减小，砂率为42%时强度达到峰值，C1、C3相较于C2分别为95.78%、95.25%。

表6 三因素三水平作用下混凝土硬化浆体发展情况

A2、B2、C2均为同一配合比，且为最高强度，A、B、C中强度的极差值呈A(3.5 MPa)>C(2.7 MPa)>B(1.5 MPa)，即改变石粉含量强度发生变化的趋势大于砂率的变化，砂率的变化趋势大于泥含量的变化趋势，与正交试验的分析结果相同。其主要原因如下：①石粉的主要成分是CaO，作用于水泥胶凝材料中发生水化反应主要水化产物为Ca(OH)2，与水泥早期的水化产物相同，硬化浆体的水化结晶增多且彼此相互搭接形成网络状结构，混凝土强度得以提升，未参与水化的惰性石粉微粒依据自身微集料填充作用，增加混凝土密实度，但随着石粉含量的增加胶凝浆体的需水量增大，相同流动度的情况下势必提高水的用量，水的加入增大了原有配合比中的水胶比，微结构下形成水化结晶相互搭接形成的网络状密实度下降，最终导致强度降低。②砂率是调节混凝土和易性的主要参考指标，砂作为胶凝材料和粗集料结合的桥梁，依据自身优良的级配填充于混凝土硬化过程中形成的大尺寸空隙，降低硬化混凝土的空隙率，从而提高强度，随着砂率的提高，砂的用量逐渐增大，需要包裹砂的浆体量也逐渐增大，相同胶凝浆体下不足以包裹增多的砂量，致使硬化混凝土中相对游离的砂量增多，与粗骨料胶结性下降，终使强度降低。③泥的粒径尺寸较小，搅拌过程中掺入混凝土中可以降低混凝土的空隙率，一定范围内随着集料中泥含量的增加，混凝土硬化强度随之增大，但泥的络合性较差，几乎不具备胶凝特性，随着掺量的增大势必会降低砂子与胶凝材料的粘结性，导致混凝土强度下降。

2.3 冻融性能影响

依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2008)对混凝土进行200 次冻融循环，质量损失率结果如表6所示。对比不同石粉含量A1、A2、A3质量损失率，随着石粉含量的增加质量损失率呈现先减小后增大趋势，石粉含量为12%时，质量损失率最小，A1、A3分别为 A2的108.42%、216.84%；不同泥含量、砂率发展趋势与不同石粉含量的混凝土冻融循环后质量损失率一致，泥含量为2.5%质量损失率最小，B1、B3相较于B2分别为 106.31%、116.31%；砂率为42%时质量损失率达到最小值，C1、C3相较于C2分别为 191.58%、207.37%。

A2、B2、C2质量损失率相同，A、B、C中质量损失率的极差值呈A(1.11%)>C(1.02%)>B(0.63%)，即石粉的影响因素最大，其次是砂率，再次是泥含量。冻融循环的质量损失率变化一定程度上体现了混凝土强度的发展趋势，混凝土凝结硬化后其强度增大，空隙率较低，微结构密实度增大，经冻融循环后，强度较高的硬化浆体表面剥蚀率较低。

2.4 工作性影响

新拌混凝土工作性发展情况如表7所示，对比不同石粉掺量(A1、A2、A3)、不同泥含量(B1、B2、B3)、不同砂率(C1、C2、C3)下新拌混凝土坍落度发展变化，不同石粉掺量新拌混凝土2 h坍落度的损失百分比高于不同含泥量和不同砂率，即石粉含量制约坍落度变化的因素最为突出，其次是含泥量，最后是砂率。

表7 三因素三水平作用下混凝土工作性发展趋势

3 结论

(1) 石粉含量对混凝土强度的影响最大，其次是砂率，再次是泥含量，对应的高强度的条件是石粉含量为12%、砂率为42%、泥含量为2.5%，最佳度条件下，混凝土强度达到56.9 MPa。

(2) 冻融性研究表明：适量的石粉、泥含量、砂率可以优化硬化混凝土的孔结构和空隙率，有利于混凝土强度及抗冻性能的提高。