石粉含量对C45凝灰岩机制砂混凝土性能的影响

王旭昊，甘 珑，余海洋，李 程，高新民，张亚刚，李联伟，边庆华

(1.长安大学公路学院，西安 710064；2.甘肃路桥建设集团有限公司,公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心， 兰州 730030；3.甘肃路桥第三公路工程有限责任公司，兰州 730050)

0 引 言

由于机制砂相比天然砂具有粒形不规则、级配不合理、石粉含量高等特点[1-2]，导致机制砂混凝土(MSC)的推广使用受到一定的限制。机制砂中粒径小于0.075 mm的颗粒称为石粉，目前国内外对石粉含量的研究较多，但存在一定的争议。部分学者[3-4]认为石粉含量在一定范围内对MSC的工作性、抗压强度具有促进作用，存在石粉含量最佳值；但也有一部分学者[5-6]认为石粉含量的增加会导致MSC工作性和抗压强度的降低。刘牧天等[7]研究表明石粉含量对不同强度等级MSC抗氯离子渗透性能影响不同，石粉对中低强度MSC抗氯离子渗透性能影响大，对高强MSC基本没有影响。许多学者[8-9]研究表明不同岩性机制砂石粉对MSC的影响不同，王振等[10]研究表明凝灰岩石粉和石灰岩石粉对胶砂强度的贡献率大于其他岩性石粉，同时提到凝灰岩石粉可能具有一定的活性,周玉娟等[11]研究表明凝灰岩MSC的力学性能好于天然砂混凝土(NSC)。目前，石粉含量对MSC性能影响的研究仍不完善，而且大部分研究都局限于石灰岩、花岗岩机制砂，对凝灰岩MSC的系统研究较少。

因此，本文采用不同石粉含量的凝灰岩机制砂配制C45混凝土，系统研究石粉含量对C45凝灰岩MSC工作性、力学性能、抗氯离子渗透性能的影响，同时与NSC进行对比研究，给出C45凝灰岩MSC的推荐石粉含量。

1 实 验

1.1 原材料

采用兰州三易公司生产的P·O 42.5水泥，其技术指标见表1，化学组分见表2。采用C类粉煤灰，其化学组分见表2。粗集料分为19～31.5 mm、16～19 mm、9.5～16 mm、4.75～9.5 mm四档，参配比例(质量比)为3 ∶2.5 ∶2.5 ∶2，其技术指标见表3。细集料包括天然砂(NS)和机制砂(MS)两种，其中机制砂为甘肃路桥机制砂园区生产的凝灰岩机制砂，两种细集料的技术指标及级配分别见表4、表5，级配曲线见图1。采用0.075 mm筛孔对试验用凝灰岩机制砂进行筛分得到凝灰岩石粉，其粒度分布和形态分别见图2、图3。

表1 水泥技术指标Table 1 Technical indexes of cement

表2 水泥与粉煤灰化学组成Table 2 Chemical composition of cement and fly ash

表3 粗集料技术指标Table 3 Technical indexes of coarse aggregate

表4 细集料技术指标Table 4 Technical indexes of fine aggregate

表5 细集料级配Table 5 Gradation of fine aggregate

图1 细集料级配曲线Fig.1 Gradation curves of fine aggregate

图2 凝灰岩石粉粒度分布Fig.2 Particle size distribution of tuff stone powder

图3 凝灰岩石粉SEM照片Fig.3 SEM image of tuff stone powder

1.2 试验配合比

采用凝灰岩石粉等质量取代凝灰岩机制砂来制备不同石粉含量的凝灰岩机制砂，进而研究石粉含量对C45凝灰岩MSC性能的影响，并确定了混凝土配合比，如表6所示。其中，MS-0、MS-5、MS-7、MS-10、MS-13分别为石粉含量0%、5%、7%、10%、13%的MSC，NS组为NSC，文中石粉含量均为质量分数。

表6 混凝土配合比Table 6 Mix proportions of concrete

续表

1.3 试验方法

混凝土工作性测试参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2002)、美国AASHTO TP119进行，其中，AASHTO TP119规定的试验为振动凯氏球体试验(vibrating Kelly ball test 或者Vkelly test)，该方法在美国ASTM C360—92凯氏球体贯入试验(Kelly ball test)仪器的基础上，加入振动设备，采用凯氏球体贯入深度(penetration depth)、振动凯氏系数(Vkelly index)两个指标分别进行混凝土工作性的静态、动态描述。振动凯氏球体试验如图4所示，试验过程如下：

(1)静态测试

双手控制凯氏球体下降至混凝土表面，然后松手，凯氏球体自由下落贯入混凝土，记录贯入深度，即凯氏球体贯入深度。

(2)动态测试

保持凯氏球体贯入位置不变，开动振动器，凯氏球体在振动棒的振动下，持续贯入混凝土，自开动振动器到接下来的36 s内，每隔6 s记录一次贯入深度(Dt)，最后以时间(t)开根号为自变量，对六组贯入深度进行线性拟合，结果如图5所示，该拟合直线的斜率即振动凯氏系数，以上测试过程均重复三次。

图4 振动凯氏球体试验Fig.4 Vkelly test

图5 振动凯氏球体试验数据线性拟合Fig.5 Linear fitting of Vkelly test datas

图6 电阻率测试Fig.6 Resistivity test

混凝土抗压强度、静压弹性模量、劈裂抗拉强度参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50080—2002)进行，试件尺寸分别为150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×300 mm、100 mm×100 mm×100 mm，其中抗压强度测试龄期包括7 d、28 d、56 d。

混凝土抗氯离子渗透性能参照美国AASHTO TP119规定进行，利用混凝土表观电阻率来评价，采用的仪器为瑞士生产的Proceq Resipod混凝土电阻率测试仪，试验采用φ150 mm×300 mm圆柱体试件，测试龄期包括28 d、56 d。测试时试件处于饱和面干状态，Wenner电极接触圆柱体试件表面指定位置，获取电阻率数据，依照AASHTO TP119规定进行抗氯离子渗透性能评价，电阻率测试如图6所示。

2 结果与讨论

2.1 工作性

2.1.1 坍落度

石粉含量对混凝土坍落度的影响如图7所示。由图7可知，随着石粉含量的提高，MSC的坍落度先增大后减小，石粉含量为5%时，坍落度最大，达到115 mm，石粉含量从5%增加到13%时，坍落度大幅度降低，幅度达到47.8%。这是由于适量石粉增加了浆体含量,弥补了机制砂的粒形缺点,改善了拌合物的工作性，但由于石粉比表面积远大于机制砂，过量的石粉提高了固体的总比表面积，加大了浆体需水量，导致MSC拌合物坍落度迅速下降。

同时，由图7可知，NSC的坍落度为135 mm，大于各类MSC的坍落度，NSC坍落度较石粉含量为5%的MSC增大了17.4%。由表4和图1可知，本研究所用天然砂的级配与机制砂相差不大，但天然砂棱角性明显小于机制砂，因而NSC拌合物的坍落度大于MSC。

2.1.2 凯氏球体贯入深度及振动凯氏系数

目前国内外多采用坍落度试验评价MSC的工作性，但研究结果存在一定的争议性[3-5]，而且考虑到MSC在实际工程中常需采用振动或者振捣方式促进拌合物流动以保证施工这一特点，因此有必要采用振动凯氏球体试验研究石粉含量对拌合物工作性及拌合物在振动情况下工作性变化情况的影响。

凯氏球体贯入深度为坍落度的一半左右，可定量描述混凝土拌合物的稠度[12]。石粉含量对混凝土凯氏球体贯入深度的影响如图8所示。由图8可知，随着石粉含量的提高，MSC拌合物的凯氏球体贯入深度逐渐减小，表明拌合物稠度不断提高，与坍落度试验粘聚性变化规律基本相同。这是由于石粉含量的增加使浆体稠度增加，粘聚性随之提高。因此，可利用凯氏球体贯入深度定量描述石粉含量对MSC拌合物粘聚性的影响情况。

图7 石粉含量对混凝土坍落度的影响Fig.7 Effect of stone powder content on the slump of concrete

图8 石粉含量对混凝土凯氏球体贯入深度的影响Fig.8 Effect of stone powder content on the Vkelly ball penetration depth of concrete

图9 石粉含量对混凝土振动凯氏系数的影响Fig.9 Effect of stone powder content on the Vkelly index of concrete

振动凯氏系数可定量描述混凝土拌合物在振动或者振捣情况下的工作性变化情况，振动凯氏系数越大，则凯氏球体在振动棒振动影响下贯入混凝土的速度越快，表明混凝土拌合物对振动越敏感，在振捣情况下工作性变化越明显[13]。石粉含量对混凝土振动凯氏系数的影响如图9所示。由图9可知，随着石粉含量的提高，MSC振动凯氏系数先增大后减小，石粉含量为7%时，振动凯氏系数最大，达到23.6 mm/s0.5，表明石粉含量为7%的MSC在振动情况下工作性变化最明显。这是由于石粉浆体的润滑作用降低了MSC的集料内摩阻力，减小了凯氏球体在振动下贯入混凝土的阻力，使得混凝土拌合物在振动情况下的工作性变化幅度提高，因而振动凯氏系数增大，但当石粉含量过高时，拌合物过于黏稠，振动对拌合物工作性起到的作用减小，振动凯氏系数减小，拌合物对振动的敏感程度降低。

由以上讨论可知，石粉含量对MSC坍落度、振动凯氏系数的影响规律相同，但峰值对应的石粉含量不同，分别为5%、7%，表明振动凯氏系数、坍落度对石粉含量变化的反应有所不同。因此当对MSC拌合物在振动或振捣情况下的工作性变化有要求时，在对满足MSC工作性适宜石粉含量的研究中不仅应考虑坍落度，还应考虑石粉含量对振动凯氏系数的影响。

由图8可知，NSC的凯氏球体贯入深度与石粉含量为0%、5%的MSC相差不大，表明NSC和低石粉含量MSC的稠度、粘聚性相差不大。由图9可知，NSC的振动凯氏系数小于石粉含量7%的MSC，大于其他各类石粉含量的MSC，同坍落度一样，这是由于天然砂的棱角性更好。因此，控制石粉含量在5%～7%范围内，可使MSC拌合物的坍落度接近NSC，同时能使MSC的振动凯氏系数大于NSC。

2.2 力学性能

2.2.1 抗压强度

石粉含量对混凝土抗压强度的影响如图10所示。由图10可知，随着石粉含量的提高，MSC的7 d、28 d和56 d抗压强度变化规律基本一致，先增加后减小，且均在石粉含量为5%时达到峰值，分别为42.3 MPa、53.2 MPa、61.4 MPa，说明石粉含量对MSC的7 d、28 d、56 d抗压强度的影响基本相同。这是由于石粉对MSC的强度影响有正、负效应。石粉的填充作用[14-15]改善集料与水泥浆体的界面过渡区；晶核作用[16-17]促进硅酸三钙和铝酸三钙早期水化，有效提高强度，以上两个作用为强度正效应。石粉的过量增加，破坏了骨料的最紧密堆积[1,18]，使得混凝土强度降低，此为石粉的强度负效应。当正效应大于负效应时，石粉可提高MSC的强度，反之，MSC的强度降低。

由图10可知，石粉含量不大于7%时，MSC的28 d抗压强度大于NSC。这是由于与天然砂相比，机制砂棱角性大，表面粗糙，MSC集料间的咬合作用以及水泥与细集料间粘结强度更大，而且由表4可知，机制砂的压碎率低于天然砂，因而当石粉适量时，MSC抗压强度更大。

2.2.2 静压弹性模量

石粉含量对混凝土静压弹性模量的影响如图11所示。由图11可知，在石粉正负效应的综合作用下，随着石粉含量的提高，MSC静压弹性模量先提高后降低，在石粉含量为5%时达到峰值，为46.7 GPa。静压弹性模量的变化规律与抗压强度一致，也说明了MSC静压弹性模量与抗压强度的关系为正相关，与普通混凝土的规律相同。石粉的填充作用、晶核作用提高了MSC的静压弹性模量，但过多的石粉含量破坏了MSC的堆积结构，静压弹性模量下降。

由图11可知，石粉含量不大于7%时，MSC的静压弹性模量与NSC相差不大，维持在44.1 GPa左右；石粉含量大于7%时，MSC的静压弹性模量比NSC小得多，在36.0 GPa左右。这是因为机制砂的粒形、力学性质与天然砂有所不同。

图10 石粉含量对混凝土抗压强度的影响Fig.10 Effect of stone powder content on the compressive strength of concrete

图11 石粉含量对混凝土静压弹性模量的影响Fig.11 Effect of stone powder content on the static pressure elastic modulus of concrete

图12 石粉含量对混凝土劈裂抗拉强度的影响Fig.12 Effect of stone powder content on the splitting tensile strength of concrete

2.2.3 劈裂抗拉强度

石粉含量对混凝土劈裂抗拉强度的影响如图12所示。由图12可知，随着石粉含量的提高，MSC劈裂抗拉强度先提高后降低，在石粉含量为7%时达到峰值，而上文讨论中MSC抗压强度和静压弹性模量的峰值均在石粉含量为5%时出现，说明石粉对劈裂抗拉强度的促进作用较大。这是因为水泥石与集料间的粘结强度对劈裂抗拉强度影响较大，虽然石粉含量的增加改变了混凝土的集粉比，破坏了混凝土的结构，但石粉改善了界面过渡区，由石粉含量增加引起的粘结强度的提高仍大于强度的负效应，因而劈裂抗拉强度不断提高，但石粉含量过高时，混凝土结构遭到严重破坏，劈裂抗拉强度下降。

由图12可知，MSC的劈裂抗拉强度为2.48～3.09 MPa，而NSC为3.45 MPa，NSC的劈裂抗拉强度大幅度高于各类石粉含量的MSC，可能是因为与机制砂相比，天然砂的抗拉强度更大,与水泥的粘结力更大。

2.3 抗氯离子渗透性能

混凝土表观电阻率测试与快速氯离子渗透试验结果有很好的相关性[19-20]。美国AASHTO TP119规定的氯离子渗透能力评价标准如表7所示，将混凝土28 d电阻率数据与表7中评价标准相结合，可评价混凝土的抗氯离子渗透性能。

表7 氯离子渗透能力评价标准Table 7 Evaluation criteria of chloride ion penetration

图13 石粉含量对混凝土电阻率的影响Fig.13 Effect of stone powder content on the resistivity of concrete

石粉含量对混凝土电阻率的影响如图13所示。MSC的28 d电阻率随着石粉含量的增加呈现先提高后降低的变化规律，石粉含量为5%的MSC氯离子渗透等级为“非常低”，其他石粉含量的MSC氯离子渗透能力等级均为“低”，表明MSC抗氯离子渗透性能先增大后减小。这是因为适量石粉可填充水泥与浆体之间的空隙，提高结构密实度，而过量石粉导致混凝土体系粉体过多，级配变差，进而密实度降低。MSC的56 d电阻率变化规律与28 d大致相同，电阻率数值与28 d相比有很大的提高幅度，平均幅度为84.8%。这是因为MSC后期的水泥水化以及粉煤灰的火山灰反应大幅度改善了混凝土的密实性，56 d与28 d电阻率峰值对应的石粉含量有所不同，有待进一步研究。

由图13中28 d电阻率数据可知，石粉含量不大于10%时，MSC的抗氯离子渗透性能大于NSC，这是因为适量的石粉含量填充了体系孔隙，提高了MSC密实度。NSC的后期电阻率增长幅度为86.9%，与MSC相比相差不大，这是因为石粉对MSC后期水化影响不大。

2.4 推荐石粉含量的讨论

由以上讨论可知，除凯氏球体贯入深度以外，MSC的其他性能均存在最佳石粉含量，使得该石粉含量的MSC性能达到峰值，且针对不同性能，最佳石粉含量有所不同，但该值存在一定的试验偶然性，需进一步讨论。选取坍落度、28 d抗压强度、弹性模量、劈裂抗拉强度、28 d电阻率试验数据进行二次项式拟合，拟合曲线如图14所示，拟合方程及相关数据如表8所示。

图14 二次项式拟合曲线Fig.14 Quadratic fitting curves

表8 试验数据拟合方程及有关内容Table 8 Fitting equation of test data and relevant content

由图14及表8可知，五项试验数据的拟合曲线均为倒“U”型曲线，相关系数均大于0.8，说明试验数据与拟合方程为强相关性。由各拟合方程的驻点可知，坍落度、28 d抗压强度、静压弹性模量、劈裂抗拉强度、28 d电阻率拟合方程对应的最佳石粉含量分别为3.0%、4.0%、2.2%、7.4%、5.7%，结合由试验得出的峰值石粉含量以及与NSC的对比分析情况，MSC坍落度、抗压强度、静压弹性模量、劈裂抗拉强度、抗氯离子渗透性能的推荐石粉含量分别为2%～5%、4%～7%、2%～5%、6%～9%、5%～8%。由此可知:当对混凝土的要求为坍落度>100 mm、静压弹性模量>44 GPa时，MSC推荐石粉含量为2%～5%；当对混凝土的要求为坍落度<100 mm、静压弹性模量<44 GPa时，推荐石粉含量为可放宽为5%～8%。

3 结 论

(1)当对C45凝灰岩MSC拌合物在振动或振捣情况下的工作性变化有要求时，在对混凝土工作性适宜石粉含量的研究中不仅应考虑坍落度，还应考虑石粉含量对振动凯氏系数的影响。

(2)控制石粉含量在5%～7%范围内，可使C45凝灰岩MSC拌合物的坍落度接近C45 NSC，同时能使C45凝灰岩MSC的振动凯氏系数大于C45 NSC。

(3)随着石粉含量的提高，C45凝灰岩MSC坍落度、抗压强度、弹性模量、劈裂抗拉强度、抗氯离子渗透性能先增大后减小，存在最佳石粉含量，推荐石粉含量分别为2%～5%、4%～7%、2%～5%、6%～9%、5%～8%。

(4)当对混凝土的要求为坍落度>100 mm、静压弹性模量>44 GPa时，C45凝灰岩MSC推荐石粉含量为2%～5%；当对混凝土的要求为坍落度<100 mm、静压弹性模量<44 GPa时，推荐石粉含量可放宽为5%～8%。

(5)当石粉含量不大于7%时，C45凝灰岩MSC的抗压强度、静压弹性模量、抗氯离子渗透性能均大于C45 NSC，因此合理控制石粉含量可以使C45凝灰岩MSC的综合性能优于C45 NSC。