石粉对机制砂高强混凝土工作性能的影响探究

韩堂健

（贵州路桥集团有限公司，贵州 贵阳 550000）

0 引言

近年来为加强自然环境保护，全国各地的天然砂开采受到严格限制，供需矛盾日益突出，政府相关部门也明文禁止开挖河砂，稍有规模的采砂公司均被强制性关闭，一些私人虽然也在私自开采，但数量和质量上均满足不了项目施工需要[1]。机制砂的应用应运而生，已成为工程建设中的重要组成部分，尤其在贵州的基础性工程建设中，水泥混凝土基本采用机制砂，机制砂混凝土设计强度高达C60甚至C70。而按照笔者的工作经验，石粉含量是机制砂高强混凝土的重要指标，对其工作性能影响甚大。

1 机制砂高强混凝土的应用

1.1 工程概况

重庆城口（陕渝界）至开州高速公路A2合同段路线全长8.340km（右线）、8.320km（左线），主要包括任河特大桥（180m主跨的连续刚构+T梁结构）、沱溪河大桥（T梁结构）、城口互通（T梁结构+现浇箱梁结构）、城口隧道（1578m）、尖东山隧道（4699m）。结合以往在贵州省采用机制砂配制高标号混凝土的施工经验，该项目决定C40、C50混凝土采用机制砂进行配制。根据施工图统计，C40多用于主线引桥墩柱，共55388m3，C50多用于任河特大桥主墩及T梁，共88200m3。

该项目生产线采用PE1215型鄂破将喂料机输送过来的不大于100cm的母岩破碎成小于等于20cm的一次破碎料进入两个反击破，反击破出来形成粒径5cm以下的二次破碎料，经过第一次筛分形成0-4.75mm、4.75-31.5mm及31.5mm以上的三档料，0-4.75mm的砂进入洗砂脱水一体机，4.75-31.5mm的碎石进入立轴冲击式破碎机三次破碎，31.5mm以上的返至反击式破碎机。立轴冲击式破碎机出来形成粒径31.5cm以下的三次破碎料，经过第二次筛分形成0-4.75mm、4.75-9.5mm、9.5-26.5mm、26.5-31.5mm的四档料，0-4.75mm的砂进入洗砂脱水一体机，4.75-9.5mm的碎石进入成品料仓，9.5-26.5mm的碎石进入成品料仓，26.5-31.5mm的碎石进入成品料仓。

1.2 机制砂的关键指标检测

1.2.1机制砂的颗粒级配

机制砂的颗粒级配（详见表1）很难控制，一般在连续生产一万m3或者三个月就必须得检查筛网的尺寸。在《建设用砂》（GB/T 14684—2011）和《人工砂混凝土应用技术规程》（JGJ/T 241—2011）中有明文规定，除了4.75mm和600μm这两个粒级的累计筛余不能超出范围外，其他粒级可以超出表中规定的范围，但超出量不大于5%。

表1 机制砂的颗粒级配表[2]

1.2.2机制砂的细度

机制砂的细度模数一般都很大，在2.9～3.5之间，按照规范讲应该是中砂（μf=3.0～2.3）和粗砂（μf=3.7～3.1）范围内。没有细砂（μf=2.2～1.6）一说，细砂是生产不出来的[3]。

1.2.3机制砂的石粉含量

在《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ 52—2006）和《建设用砂》（GB/T 14684—2011）中有含泥量的解释，是指砂、石中公称粒径小于80（或75）μm颗粒的含量，因为该标准针对的是普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准，规范还单独阐述了机制砂或混合砂的石粉含量指标。所以在《人工砂混凝土应用技术规程》（JGJ/T 241—2011）和《公路工程水泥混凝土用机制砂》（JT/T 819）中就没有含泥量这个指标，直接用石粉含量来表示，贵州省地方标准《山砂混凝土技术规程》（DB24/016—2010）也有同样规定。水泥混凝土用机制砂的石粉含量的检测方法用亚甲蓝法，路面用砂当量。用《公路工程集料试验规程》（JTC E42—2005）中的水洗法也可以，但是该方法检测出来的数据就偏大，也没有亚甲蓝检测得准确[3]。《山砂混凝土技术规程》（DB24/016—2016）规定，C50～C55的山砂混凝土的胶凝材料总量不超过470kg/m3时，可放宽至10%。机制砂的石粉含量实际上是一个很重要的指标，笔者认为比级配和细度模数更重要，因为机制砂的石粉含量可以直接影响混凝土的工作性能和力学性能。

2 石粉对机制砂高强混凝土工作性能的影响

2.1 试验方案

此次试验选择2960m2/kg密度的石粉，比表面积为428m2/kg；硅灰平均粒径为319nm，比表面积为60370m2/kg；偏高岭土平均粒径为571nm，比表面积达到33600m2/kg。在机制砂高强混凝土当中添加适量石粉对优化级配具有重要作用，并对机制砂高强混凝土开裂起到有效控制，进而增强其强度，就化学成分来看，石粉与机制砂二者相同，因而能实现良好的融合[4]。此次试验通过对比法进行分析试验，选择两组不同的配合比设计方案，分别是：一是设置单一变量为石粉，将不同比例（3%、5%、7%、9%、11%）的石粉与10%的粉煤灰混合在一起，另外复掺6%的硅灰进行试验；二是保持单一变量石粉不变，将不同比例（3%、5%、7%、9%、11%）的石粉与10%的粉煤灰混合在一起后，另外复掺8%的偏高岭土后进行试验。两组配合比设计方案除石粉是单一变量外，其他都是相同定量。

2.2 石粉对硅灰组机制砂高强混凝土工作性能的影响

通过表2可以看出，由于增加了石粉外掺含量，因而提高了所配制的机制砂高强混凝土浆体的粘聚性与包裹性，然而降低了机制砂高强混凝土的流动性和扩展度，坍落度也降低[5]；在设置11%的石粉外掺含量进行试验时，机制砂高强混凝土浆体扩展度出现显著下降，与基准组（SF0-SP0组）相比降幅达到25.53%；坍落度与基准组相比降幅为10.26%。

表2 不同石粉掺量下硅灰组机制砂高强混凝土工作性能的影响

石粉掺量是3%、5%、7%的试验外表细致平滑，蜂窝较少，而相比之下，石粉外掺含量为9%、11%试件外表蜂窝较多，多呈麻面，其中外掺含量11%的试件外表蜂窝更多，麻面面积更大。就此看来， 随着逐渐增加石粉含量，在比例超过9%后，石粉会因用水量较大，且硅灰和粉煤灰混合超细粉增加，显著削弱了微粒间的黏结和咬合作用，还降低扩展度，进而影响到流动性。

2.3 石粉对偏高岭土组机制砂高强混凝土工作性能的影响

通过表3可以看出，由于逐渐增加石粉外掺含量，逐渐提升了所配制的偏高岭土组机制砂高强混凝土浆体的黏聚性与包裹性，而相应地降低了扩展度，影响到其流动性，坍落度降低[6]；其中机制砂高强混凝土浆体扩展度降低最显著的是11%外掺含量石粉时，与基准组（MK0-SP0组）相比降幅为23.4%；与基准组相比，机制砂高强混凝土浆体坍落度降幅为10.25%。

表3 不同石粉掺量下偏高岭土组机制砂高强混凝土工作性能的影响

当石粉掺量比例在3%、5%和7%时，试件外表平整细致，几乎不存在蜂窝，而该比例增加至11%时，蜂窝与麻面大量出现在试件外表。因此，由于石粉外掺含量逐渐增加至11%，造成石粉用水量占比较大，硅灰与粉煤灰混合超细粉过多，严重削弱了微粒之间的黏结与咬合作用，并使扩展度降低，流动性受到一定影响。

2.4 试验分析

2.4.1硅灰组和偏高岭土组的相同点

石粉含量对混凝土产生极大影响，在石粉为低含量时，石粉吸附于机制砂与碎石表面，能对表面进行润滑，使得胶凝材料间摩擦减小，混凝土流动性得到有效提高；然而石粉含量也必须保持一定适度，并非越高越好，从试验可知，石粉含量增加造成石粉占用了较大用水量，硅灰或偏高岭土与粉煤灰混合的超细粉过量，明显削弱和影响了微粒间的黏结与咬合作用，进而影响到流动性，降低其扩展度[7]。

2.4.2硅灰组和偏高岭土组的不同点

就外表表观形貌来看，在机制砂高强混凝土试件中，偏高岭土组试件比硅灰组试件更优；从石粉外掺含量为9%的SF6-SP9组开始，硅灰组机制砂高强混凝土试件就有蜂窝与麻面产生，而偏高岭土组机制砂高强混凝土试件出现比例较高，在石粉外掺含量为 11%的 MK8-SP11组时才有蜂窝与麻面产生。

2.4.3试验分析

经过试验结果分析可知，石粉与水泥相比，表面积稍低，二者之间会有填充效应产生，缩减了界面之间的界限，能提高拌和机制砂高强混凝土包裹性，提升流动性，改善黏聚性。此外，在减水剂吸附作用上，石粉不如水泥，因此更有利于减水剂发挥作用，在水泥颗粒之间充满石粉对其进行润滑，进一步改善水泥的工作性能。与此同时，通过比较偏高岭土与硅灰可知，就比表面积而言，偏高岭土比硅灰小，但颗粒显然比硅灰大，所以，硅灰所需水量比偏高岭土更大，在分析二者的工作性能及表观形貌可知，硅灰组机制砂高强混凝土试件表观形貌相对较差。

3 结语

综上所述，在重庆城口（陕渝界）至开州高速公路A2合同段工程中，大量应用了机制砂高强混凝土，并就石粉对其工作性能的影响进行了研究。通过试验和工程实践应用，笔者发现合理掺加一定量的石粉，能够在保证机制砂高强混凝土流动性、黏聚性等工作性能良好的前提下，有效地提高混凝土的包裹性，从而改善混凝土的工作性能；同时通过硅灰组和偏高岭土组的对比，偏高岭土组机制砂高强混凝土的流动性更好，表观形貌相对略优。