机制砂石粉含量对混凝土性能的影响研究

2022-06-06胡廷志

西部交通科技 2022年3期

摘要：为找出机制砂中合理的石粉含量范围，配制出高流动性、高体积稳定性、高耐久性的混凝土，文章依托南宁某桥梁工程，研究机制砂石粉等微细集料（粒径<0.075 mm）对混凝土工作性能和力学性能的影响，并通过配置不同石粉含量的机制砂混凝土，测试其坍落度、扩展度、抗压强度等性能指标，结果表明：综合考虑拌和性能和力学性能的前提下，C50机制砂混凝土的最佳石粉含量是7%～10%。

关键词：机制砂混凝土;石粉含量;流动性;力学性能

中图分类号：U416.03A080304

0 引言

机制砂在欧美等国建筑工程领域上的应用已有30年的历史，并形成了较为完善的材料、试验及使用标准体系。我国对机制砂混凝土的研究起步较晚，工程建设过程中仍以天然河砂作为主体细集料。伴随着我国基建规模的不断扩大与更新换代，天然河砂的需求量不断扩大。然而无节制的开采天然河砂对水利环境以及生态多样性造成了恶劣的影响，因此使用机制砂制备混凝土已成为国内基建持续发展的必要方向之一[1- 2]。而如何使用机制砂制备高标号混凝土并使其性能满足施工要求，是国内机制砂发展的首要问题之一。

机制砂区别于天然河砂的原因之一是生产机制砂过程中会产生大量的石粉[3]。现行标准将石粉定义为在机制砂制作过程中产生的矿物组成，成分与母岩一致，且公称粒径<80 μm的细小颗粒[4]。由于石粉的比表面积极小，一定量的石粉在混凝土水化过程中能有效地填充混凝土浆体的孔隙，减小粗细骨料之间的碰撞，从而使机制砂混凝土的和易性优于天然骨料混凝土[5]。因此，石粉含量是影响高标号机制砂混凝土性能的关键因素之一。有关学者对高标号混凝土中的石粉掺量做了相应的研究：赵春磊等[6]根据机制砂混凝土配制原则，配置了C55机制砂混凝土并对工作性能进行了测试，结果表明，将石粉控制在6%～8%时，混凝土性能表现良好且较为经济;王恒[7]研究了石粉含量分别为0%、3%、6%、8%和10%的C80混凝土坍落度、扩展度及抗压强度等指标，结果表明，石粉含量为0%～6%时能够有效提高砂浆的流变性，而当石粉含量超过8%时，其抗压强度有所降低甚至不满足相应型号混凝土的强度要求;余泽文等[8]研究了不同石粉含量对C40混凝土的工作性能与抗压性能的影响，结果表明，石粉含量为0%～10%的混凝土相较于对照组（0%）而言，其流动性与黏稠度更好，而当石粉含量達到15%～ 20%时，伴随黏稠度的进一步提升，混凝土的流动性与拓展度降低，且在混凝土施工时容易造成麻面、蜂窝的不良现象。

综上所述，机制砂混凝土中石粉含量对混凝土性能起着至关重要的影响。本研究依托桥梁实体工程，通过控制石粉含量，设计配合比，制备C50混凝土并对其不同时间段的坍落度以及抗压强度进行测试，以确定最佳石粉含量，并在施工中跟踪验证其工作性能。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

1.1.1 水泥

水泥使用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其物理力学性能见表1。

1.1.2 集料

粗集料规格为5～26.5 mm，其技术指标如表2所示。机制砂母岩取于公路开挖段，属于石灰岩，母岩单轴饱和状态抗压强度为78.9 MPa。机制砂性能指标如表3所示。

1.1.3 粉煤灰

粉煤灰选用F类Ⅱ级粉煤灰，其各项性能指标均符合规范要求，检测结果见表4。

1.1.4 外加剂

外加剂采用高性能聚羧酸减水剂，其性能指标见表5。

1.2 混凝土配合比设计及试验方法

1.2.1 混凝土配合比设计

对不同标号的C50混凝土进行配合比设计，其指标如表6所示。

（2）对机制砂进行水洗，对经洗脱后的悬浮液进行静置处理，后取其沉淀物进行烘干，获得石粉含量，再按石粉质量加入干砂调整石粉含量

1.2.2 混凝土抗压试验

将不同石粉含量的机制砂混凝土分别制作成三组150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块并对其进行编号，分别对试块使用微机控制电液伺服压力试验机进行抗压强度测试。其中抗压强度公式为：

式中：fcu（MPa）——混凝土立方体试件的抗压强度，精确到0.1 m;

F——试件破坏荷载（N）;

A——试件承压面积（mm2）。

1.2.3 混凝土流动性能试验

通过配制不同石粉含量（5%、7%、10%、12%、15%）的机制砂混凝土，将机制砂水洗烘干以去除其石粉，按石粉质量加入到烘干后的机制砂中，从而控制机制砂石粉含量。依据现行规范，测试不同石粉含量的机制砂混凝土拌和物性能，在混凝土拌和后分别测试其初始坍落度、扩展度以及1 h后坍落度、扩展度。

1.2.4 亚甲蓝试验

通过配制2%、4%、6%、8%、10%、12%等6个不同石粉含量的机制砂样品，检测样品细度模数、亚甲蓝（MB）值，并外掺3%的黏土后再次进行检测，对比这两次MB值的检测结果并进行分析总结。

2 试验结果及讨论

2.1 试件外形样貌

C50混凝土配合比各项性能指标均符合规范及设计要求，用水桶模具制作的水泥墩外观色泽一致，无蜂窝麻面，气泡少，有镜面效果，且适配强度为59.9 MPa，满足强度要求。

2.2 混凝土抗压试验测试结果

如表7和图1所示为各个试件抗压性能的测试结果，每组试验进行3次平行试验。

从表7和图1可知，C50机制砂混凝土的抗压强度随石粉含量增多而呈现先增后降的趋势，其中以石粉含量为10%的机制砂混凝土抗压性能较好。由于石粉极小的粒径能够填充混凝土内部的空隙，从而提高混凝土的密实性[9];与此同时，在水化过程中反应生成的单碳铝酸钙和三碳铝酸钙能够提高混凝土中水泥与骨料之间界面过渡区的强度，从而增强混凝土的抗压强度[10]。而石粉含量过高则会阻碍浆体与骨料之间的粘结，在试件受到荷载时更容易被剥离，使试件强度降低。

2.3 混凝土流动性能测试结果

C50混凝土流动性能测试结果如表8所示。不同石粉含量机制砂混凝土坍落度如图2所示。不同石粉含量机制砂混凝土扩展度如图3所示。

由图2和图3可知，随着石粉含量从5增大到15%，C50机制砂混凝土的坍落度及扩展度变化趋势为先增大再降低。这表明一定的石粉含量能够有效提高混凝土的拌和性，从而提高其流动性，其中以7%和10%石粉含量的混凝土拌和性较好。由于适量石粉能够在拌和混凝土的过程中形成有润滑作用的浆体，从而减少集料之间的摩擦[11]，而过量的石粉会使混凝土中的水分被过多地吸收，在水灰比不变的条件下，没有充足的水分会导致水泥砂浆过于黏稠[12]，使其拌和性降低。

2.4 石粉含量对亚甲蓝值（MB值）的影响

不同石粉含量机制砂的亚甲蓝实验测试（MB值）结果如表9所示。

由表9可知，整体上石粉含量与微细集料含量呈现一定的负相关性，微细集料含量与细度模数呈正相关性。由此可知，石粉含量所占比例越多，微细集料和细度模数越小。总体上看，MB值随石粉含量增多而变大，但是在石粉含量超过4%后MB值变化微小;当外掺3%黏土后，不同石粉含量的样品的MB值几乎完全相同。

由此可知，极少量的石粉会引起MB值的增加，这种变化可能是由于少量泥粉附着在石粉中引起的。当机制砂中含有一定量的黏土时，这种变化极其微小。可知，当机制砂中含有一定量泥粉时，石粉含量变化引起的MB值变化可以忽略。

3 实体工程应用

将石粉含量为7%的C50机制砂混凝土应用于现场施工中，制作了C50混凝土梁板。在后期对该梁板的外观表现与力学性能进行检测，其钢筋间距与保护层厚度、回弹强度均符合规范，且梁板外观色泽与试件一致，没有产生蜂窝麻面的现象，具有镜面效果。

4 结语

本文重点研究了机制砂石粉含量对混凝土工作性能和力学性能的影响，确定了机制砂中合理的石粉含量范围，并配制出高流动性、高体积稳定性、高耐久性的混凝土，主要结论如下：

（1）一定量的石粉能够有效地提高C50机制砂混凝土的拌和性，而过量的石粉会增大混凝土的黏性，拌和性较差。其中以7%～10%石粉含量的机制砂混凝土拌和性较好。

（2）一定量的石粉能够提高机制砂混凝土的密实性，且增强了界面过渡区的强度，起到了提高其抗压强度的作用;而过量的石粉会阻碍浆体与集料之间的粘结，降低混凝土抗压强度。其中以10%石粉含量机制砂混凝土抗压性能较好。

（3）综合拌和性能与抗压性能考虑，石粉含量为7%～10%是C50機制砂混凝土的最佳含量，C50混凝土梁板外观色泽良好且无麻面蜂窝的现象，力学性能满足规范要求。

参考文献