机制砂石粉含量对水工混凝土性能的影响研究

吴争兵，李建强

（运城市水利工程建设局有限公司，山西 运城 044000）

混凝土具有可塑性良好、抗压强度高、耐久性好等优点，广泛应用于水利工程建设中。砂作为混凝土中的细骨料，用量非常大。混凝土配制中细骨料（砂）主要来源是天然砂和机制砂，随着生态环境保护的不断加强，机制砂在水工混凝土中的应用将会不断增加。机制砂在生产过程中会产生一定量的石粉，石粉含量是机制砂区别于天然砂的显著质量指标，在实际生产过程中，基于生产工艺因素，机制砂的石粉含量变化范围也比较大（一般在5%～22%），并且不同石粉含量的机制砂配制成的混凝土性能差异也比较明显[1]。按照C30混凝土的配合比，用不同石粉含量的机制砂进行试拌配制，选择合理的配合比进行C30混凝土试块拌和，通过对7d和28d混凝土试块进行各项性能指标检测，并对结果进行分析研究，得出不同石粉含量机制砂对水工C30混凝土性能的影响，为机制砂水工混凝土在水利工程建设中的应用提供技术支撑。

1 试验设计

1.1 试验概况

为了分析不同石粉含量对水工混凝土的水胶比、抗压强度、轴心抗拉、劈裂拉伸强度、极限拉伸强度及干缩性等性能的影响，结合山西省运城市地方材料的实际情况，在运城市润海工程检测有限公司混凝土性能检测实验室，对不同石粉含量（8.9%、14.2%、20.5%）机制砂制成的水工混凝土进行了立方体试块配制、养护，每组试块的数量、尺寸（150mm×150mm×150mm）、养护时间均符合相关规范要求。对不同石粉含量的混凝土试块进行了抗压强度试验、弹性模量试验、劈裂抗拉强度试验、轴向拉伸试验、干缩试验、抗渗性试验、抗冻性试验、抗氯离子渗透性试验。试验过程严格按照《水工混凝土试验规程》（SL/T352-2020）及《水工混凝土施工规范》（SL677-2014）规范进行。

1.2 原材料参数

（1）细骨料。试验所用机制砂（细骨料）采用山西省运城市三路里镇生产的人工砂Ⅱ区级配砂，细度模数为3.0～2.3，经人工调配，制成石粉含量为6%～12%（9%左右）、12%～18%（15%左右）及18%～22%（20%左右）三种不同石粉含量的细骨料，检测机制砂主要性能指标见表1。

表1 机制砂（细骨料）主要性能指标

由于在市场上采购不到水利工程用的20～40mm粗骨料，故粗骨料选用运城市三路里镇生产的粒径5～31.5mm的连续级配石灰岩碎石，检测其主要性能指标见表2。

表2 粗骨料主要性能指标

（2）水泥。水泥是混凝土中最重要的组成材料，水泥的选择直接关系到混凝土的耐久性和经济性。本次混凝土试块选用威顿水泥集团有限责任公司运城分公司生产的P·O42.5级普通硅酸盐水泥，经过检验合格，试验所用水泥主要性能指标见表3。

表3 水泥的主要性能指标

（3）外加剂。粉煤灰选用伊敏电厂C类Ⅰ级粉煤灰，并经检测合格，粉煤灰主要性能见表4。外加剂选用中电建产“聚砼”牌聚羧酸高性能减水剂与引气剂，并经检测合格。水为自来水。

表4 粉煤灰的主要性能指标

1.3 配合比试拌方案

为了比对分析不同石粉含量的机制砂，对水工混凝土C30W6F200的抗压强度、抗渗强度、抗冻强度的影响，在排除其他因素的影响进行混凝土拌和时，将不同石粉含量混凝土拌合物坍落度控制在90～110mm，粉煤灰掺量控制在20%，掺减水剂、引气剂，将含气量控制在5.5%±1.0%，抗渗、抗冻均达到标准要求。按绝对体积法计算各组成材料用量，按照水胶比为0.40、0.45、0.50、0.55设计四组试验，每组进行抗压强度、抗渗强度、抗冻强度3个指标测试。

1.4 配合比选择

根据表5列的参数进行试验试配，得出不同石粉含量条件下的石灰石机制砂水工混凝土7d和28d抗压强度与水胶比关系见图1。

图1 不同石粉含量下的混凝土抗压强度与水胶比的关系

在分析试配试验成果的基础上，选择出的不同石粉含量C30W6F200混凝土配合比见表5。

表5 C30W6F200混凝土配合比表

2 试验结果与讨论

2.1 石粉含量对水工混凝土抗压强度和轴心抗拉强度的影响

图2为不同水胶比条件下石粉含量对石灰石机制砂水工混凝土28d抗压强度的影响。由图中可看出，（1）对于不同水胶比的机制砂水工混凝土，随石粉含量的增加，立方体混凝土抗压强度均呈现先增高后降低的趋势；当石粉含量约为14.2%时，混凝土抗压强度达到最大值。其主要原因是由于石粉粒径≤0.075mm，可以对水工混凝土骨料间的空隙起到有效的填充作用，从而完善细骨料的级配，提高混凝土的密实性[2]；同时因为石粉的粒径较小，会在混凝土泥浆内产生微集料效应，使得其结构变为浆—集料界面结构，其晶核效应会促进水泥的水化过程，从而提高混凝土的强度。虽然适量的石粉含量能够增加机制砂的比表面积，改善混凝土的和易性，能吸附拌合物中的自由水，减少泌水。但是当石粉含量超过一定值后，游离态的石粉含量增多，在水泥石或界面过渡区存在过多石粉，将不利于集料与水泥石的粘结[3]，会降低混凝土的强度。（2）对于同一种石粉含量，混凝土立方体的抗压强度随着水胶比的增加而降低。

图2 不同水胶比条件下石粉含量与石灰石机制砂水工混凝土抗压强度的关系

图3为不同石粉含量对石灰石机制砂水工混凝土轴心抗拉强度的影响。由图中可以看出，石粉含量在8.9%～14.2%时，混凝土轴心抗拉强度随着石粉含量的增加而呈增长趋势；石粉含量在14.2%～20.5%时，混凝土轴心抗拉强度随着石粉含量的增加，呈降低趋势。其主要原因是石粉颗粒粒径较小，比表面积远大于机制砂颗粒，浆体的粘滞性会随石粉含量增多而增加[4]，从而增加混凝土整体的粘聚性，增加水工混凝土轴心抗拉强度。但是当石粉含量增加到某一临界值时，由于游离态惰性石粉过多，降低凝胶材料的反应活性，对混凝土的抗拉强度发展有限制作用。

图3 石粉含量与石灰石机制砂水工混凝土轴心抗拉强度的关系

2.2 石粉含量对水工混凝土劈裂抗拉强度和极限拉伸值的影响

图4为不同石粉含量对石灰石机制砂C30水工混凝土劈裂抗拉强度的影响。由图中可知，混凝土劈裂抗拉强度随着石粉含量的增加而降低。由于超量的石粉并未参与水泥的水化反应，只是起到填充作用，而混凝土横向剪切力在石粉填充部位出现应力集中现象，使得混凝土劈裂抗拉强度出现加速降低现象。图5中石灰石机制砂C30水工混凝土的极限拉伸值随着石粉含量的增加而降低，石粉含量从8.9%到20.5%，由于应力集中导致极限拉伸值呈降低趋势。

图4 石粉含量与石灰石机制砂水工混凝土劈裂抗拉强度的关系

图5 石粉含量与石灰石机制砂水工混凝土极限拉伸值的关系

2.3 石粉含量对水工混凝土抗氯离子渗透的影响

图6为不同石粉含量对石灰石机制砂水工混凝土抗氯离子渗透的影响。由图中可知，机制砂石粉含量在8%～20%时，石灰石机制砂水工混凝土抗氯离子渗透性随着石粉含量的增加呈增加趋势。当石粉适量加入时，混凝土的抗氯离子渗透能力增强。抗氯离子渗透性变化主要原因是一定量的石粉能够对混凝土骨料间的空隙起到填充作用，使得混凝土结构得到优化，混凝土均匀性得以改善。

图6 石粉含量与石灰石机制砂水工混凝土抗氯离子渗透的关系

2.4 石粉含量对水工混凝土干缩率的影响

图7为不同石粉含量对石灰石机制砂水工混凝土干缩率的影响。从图中可以看出：（1）对于同一龄期的混凝土试块，石灰石机制砂水工混凝土干缩率随着石粉含量的增加而增加。混凝土收缩率变化主要原因是石粉比表面积较大，石粉掺入越多，对水泥浆的收缩约束就越小，从而导致混凝土的干缩率变大。（2）对于同一石粉含量条件下，随着石灰石机制砂水工混凝土龄期延长，石灰石机制砂水工混凝土龄期干缩率增大。

图7 干缩率与石粉含量的关系

3 试验结论

试验结果分析表明，机制砂中石粉含量对石灰石机制砂水工混凝土性能有着明显的影响：

（1）对于不同水胶比的石灰石机制砂水工混凝土，随石粉含量的增加，立方体混凝土抗压强度均呈现先增高后降低的趋势；当石粉含量约为14.2%时，混凝土抗压强度达到最大值。

（2）石灰石机制砂水工混凝土劈裂抗拉强度和极限拉伸值随着石粉含量的增加呈降低趋势。

（3）当石粉含量在8.9%～14.2%时，石灰石机制砂混凝土轴心抗拉强度随着石粉含量的增加而呈增长趋势；当石粉含量在14.2%～20.5%时，混凝土轴心抗拉强度随着石粉含量的增加，呈降低趋势。

（4）石灰石机制砂水工混凝土抗氯离子渗透性、干缩性能随着石粉含量的增加呈增大趋势。

（5）三种石粉含量配制的石灰石机制砂水工混凝土抗冻、抗渗性能均能满足要求。

4 结语

通过对不同石粉含量下石灰石机制砂水工混凝土试块性能影响的试验数据，分析了石粉含量对石灰石机制砂水工混凝土性能的影响与机理，总结石粉含量对石灰石机制砂水工混凝土性能影响规律，为水利工程建设中提高混凝土质量提供了技术参考，为缓解传统天然砂不足的供需矛盾、保护自然生态环境，更广泛地推广好、应用好机制砂起到积极的促进意义，具有一定的经济、社会与生态环境效益。