机制砂石粉含量对混凝土性能影响研究

余泽文 袁飞飞 周孝军 丁庆军

【摘要】文章通过试验研究，探讨了石粉含量对C40机制砂混凝土工作性能、力学性能、匀质性与干燥收缩的影响。结果表明：石粉可提高机制砂混凝土拌合物的粘聚性与保水性、避免泌水离析，同时提高混凝土的抗折、劈拉与抗压强度，且石粉含量在10 %～15 %范围时，对混凝土工作性能与强度的提高作用最佳;随石粉含量增加，混凝土匀质性提升，而石粉含量超过10 %后，对匀质性提升趋于稳定;机制砂混凝土的早期干缩随石粉含量增加而增加，而7 d后的干缩在石粉含量为10 %时最大。研究成果为高石粉含量机制砂在山区高速公路桥梁工程中应用提供了技术支撑，为合理控制石粉含量提供了依据。

【关键词】机制砂; 石粉; 工作性能; 力学性能; 干燥收缩; 匀质性。

【中国分类号】TU528【文献标志码】A

1 工程概况

石粉是在机制砂生产过程中产生的粒径小于75 μm的颗粒，其与机制砂的矿物组成、化学成分一致，与天然砂中泥粉有本质区别[1-2]。国内外大量研究表明[2-8]，机制砂并非“越干净越好”，机制砂中适量的石粉有助于提升混凝土的性能。文献[9]认为C30～C60混凝土中機制砂石粉含量限值可控制在10 %;文献[10]认为C25～C45混凝土中机制砂石粉最佳含量在11 %～14 %之间，C60混凝土合理石粉含量在6 %～9 %之间;文献[11]认为C30机制砂混凝土的最佳石粉含量为9 %～12 %;文献[12]认为C35和C45机制砂混凝土的石粉合理含量为7 %～13 %和5 %～8 %。总体来看，大部分研究都表明机制砂石粉含量可以高于现行国家标准，但不同强度等级混凝土的机制砂石粉含量限值差异较大，即使相同强度等级混凝土，石粉含量也没有统一标准。因此，本文针对四川乐（山）西（昌）高速公路桥梁工程C40混凝土，采用工程现场原材料，通过试验研究，分析机制砂的石粉含量对混凝土工作性能、力学性能、匀质性与体积稳定性的影响，为高石粉含量机制砂混凝土工程应用提供支撑。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

①水泥：拉法基P.O 42.5水泥，3 d抗压强度28.7 MPa，28 d抗压强度51.9 MPa;②粉煤灰：习水Ⅱ级粉煤灰，烧失量7.3 %，需水量比100 %，28 d活性指数74.0 %;③机制砂：泸州石板滩石灰岩机制砂，技术指标见表1;④石：泸州石板滩碎石，粒径5～25 mm，压碎值7.4 %，针片状含量4.5 %;⑤石粉：由石板滩机制砂生产过程中风选而得，其成分与机制砂一致;⑥外加剂：聚羧酸高性能减水剂;⑦水：自来水。

2.2 配合比

通过水洗、掺配石粉的方法，调整机制砂中石粉含量为0、5 %、10 %、15 %和20 %，以探讨石粉含量对混凝土性能

的影响。按照DB 51/T 1995- 2015《机制砂桥梁高性能混凝土技术规程》进行配合比设计，调整用水量与外加剂掺量，以保持混凝土的坍落度基本一致，各组配合比如表2所示。

2.3 试验方法

①混凝土拌和物性能按GB /T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》进行测试。②混凝土的力学性能依据GB /T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。③混凝土的干燥收缩按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性和耐久性能试验方法标准》进行测试。④根据GB/T 4340.1-2009《金属维氏硬度试验方法》，采用HV-1000Z显微硬度计测试混凝土试件28 d显微硬度。

3 结果分析与讨论

3.1 对混凝土拌合物性能的影响

当混凝土拌合物的坍落度基本相同时（200±10 mm），其扩展度、含气量与表观状态等见表3与图1。可见，石粉含量对混凝土拌合物工作状态有较大影响。机制砂不含石粉时，混凝土拌合物较松散、包裹性差，出现泌水离析，表面有明显大气泡。石粉含量增加到5 %时，由于其微填充效应，混凝土拌合物粘聚性与保水性提高，包裹性与泌水性能有所改善，表面大气泡也减少;同时用水量减小，扩展度增加，石粉的掺加表现出一定减水作用和润滑效应。石粉含量增加到10 %时，混凝土粉体材料总量增多，比表面积加大，吸附水量增多，需增加用水量与外加剂掺量以到达一致的坍落度;另外，较多的粉体材料，也使得浆体富裕量与粘稠度增加，混凝土拌合物包裹性好，扩展度达到510 mm，流动性进一步提升，但气泡不宜排出，表面气泡少且含气量增加。石粉含量增加到15 %时，用水量与外加剂掺量持续增加，此时混凝土拌合物因粘稠度高，翻铲稍吃力，扩展度减小，流动性下降，大气泡较少，含气量进一步增加。当石粉含量到达20 %时，混凝土拌合物过于黏稠，扩展度下降至460 mm，流动性明显变差，翻铲较吃力，含气量增加至2.9 %，表面气泡较少，排气不畅，施工时易在模板壁富集而形成气孔、麻面等缺陷。

3.2 对混凝土匀质性的影响

混凝土匀质性差时，表面显微硬度差异明显[13]。因此，通过硬化混凝土试件表面显微硬度测试，研究石粉含量对混凝土匀质性的影响，测试结果见图2。可见，适量的石粉可改善混凝土的整体匀质性。当机制砂不含石粉时，硬化混凝土试件上部的显微硬度值最小，上下部位的显微硬度差值最大，主要因混凝土拌合物包裹性差，出现泌水离析，且粉煤灰上浮，混凝土整体匀质性较差。随石粉含量增加，石粉的微集料效应增强了混凝土的密实性，改善泌水性能，试件上下部的显微硬度差逐渐减小，混凝土的整体匀质性改善明显。当石粉含量超过10%后，上下部显微硬度差值的降幅也减缓，混凝土匀质性改善趋于稳定。但由于浆体过于粘稠，混凝土工作性能变差，排气不畅，含气量增加，试件上下部表面的显微硬度均出现小幅下降。

3.3 对混凝土力学性能的影响

机制砂中不同石粉含量对C40混凝土抗折、劈裂抗拉与抗压强度的影响见表4。随石粉含量增加，混凝土的强度呈现先增加后降低的趋势。石粉含量达到10 %时，各项强度均达到最大值，7 d龄期时较不含石粉混凝土的抗折、劈裂抗拉与抗压强度分别提高18.5 %、15.3 %与11.8 %，28 d龄期时则分别提高15.3 %、14.3 %与11.9 %。石粉含量增加到15 %后，混凝土强度开始出现缓慢下降。当石粉含量达到20 %时，混凝土强度出现下降较明显，几乎与不含石粉时混凝土强度接近。可见，石粉含量在10 %～15 %时，其对混凝土强度的增加作用较明显。分析原因在于：一方面石粉粒径小，具有微集料填充效应，提高了混凝土拌合物的保水性与粘聚性，提升了混凝土的匀质性以及混凝土微结构的致密性[8];同时石粉对CH和C-S-H的形成起到晶核作用，加速水泥的水化，另外，石粉本身也可以与C3A反应，形成水化碳铝酸钙[14-15]。但石粉含量达到一定程度时，过多的石粉反而破坏了混凝土中粉体材料的密实堆积结构，且粉体材料比表面积增大，需水量与外加剂用量增多，浆体过于粘稠，拌合物工作性能差，排气不畅，硬化混凝土微结构密实度差，有害孔增多、凝胶孔减少[12]，从而导致强度下降。

3.4 对混凝土干燥收缩的影响

图3为不同石粉含量机制砂混凝土的干燥收缩率测试结果。总体来看，石粉含量对机制砂混凝土干燥收缩的影响与龄期有关，这与文献[9]的测试结果相似。在1～3 d龄期时，石粉的晶核效应较明显，加速了水泥的水化进程，从而使得早期收缩增加，且随石粉含量增加，混凝土的干缩增加。在7～360 d龄期段，各组试件均在7～60 d龄期的干缩发展较快，60 d龄期后干缩趋于稳定，且在各龄期均表现为石粉含量为10 %的试件干缩最大，其次是石粉含量15 %的試件，然后依次是石粉含量20 %、5 %与0 %的试件。3 d后水分散失加快，石粉含量越高，因用水量增加，使得混凝土干缩增加。另外，大多数石粉不能参与水泥水化而且起到微集料的填充作用，特别是石粉含量到达一定程度时，微集料填充效应较明显，提升混凝土的致密性，改善毛细孔结构，增加毛细孔曲折程度，从而减小水分流失，降低混凝土干缩。

4 结论

（1）机制砂中的石粉能提高混凝土拌合物的粘聚性与保水性，避免泌水离析。石粉含量在10 %～15 %时，对混凝土工作性能提升作用最佳;石粉含量超过15 %后，混凝土工作性能下降、含气量增加明显，对混凝土的强度与耐久性不利。

（2）随石粉含量增加，混凝土的匀质性逐渐提升，当石粉含量超过10 %后，混凝土试件表面上下部显微硬度差值变化不大，对混凝土匀质性的改善效果趋于稳定。

（3）石粉具有微集料效应与晶核作用，可提高机制砂混凝土的强度，石粉含量在10 %～15 %时，对机制砂混凝土的强度提升最佳。石粉对机制砂混凝土抗折强度增强作用最明显，其次是劈裂抗拉强度，对抗压强度提高相对最小。

（4）石粉对机制砂混凝土的干燥收缩与龄期相关，1～3 d时的干缩随石粉含量增加而增加，而7 d后的干缩在石粉含量为10 %时最大。

综上所述，机制砂中含有适量的石粉有助于提升混凝土的性能，针对乐西高速桥梁工程应用的C40机制砂混凝土，其机制砂中石粉含量可以放宽至10 %～15 %。

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