石粉含量对高性能混凝土性能的应用研究

赵翔宇

(山西省交通建设工程质量检测中心(有限公司)，山西 太原 030006)

1 引 言

近年来随着我国大基建不断的发展，各种原材料资源出现了匮乏的局面，而且各地的价格不断的创出新高，其中天然砂表现的尤为突出；而天然砂短缺的另外一个重要原因就是国家环保资源的保护所致；这样使得机制砂的地位在近几年得到了很大的提高；而石粉只有在确保机制砂优质的前提下才能够更好的使用，在高性能混凝土、高强混凝土中对于机制砂的使用在行业及研究机构都进行了系统的研究，重点就广东怀阳高速公路西江特大斜拉桥C55混凝土中不同石粉含量对混凝土的性能进行研究。

2 高性能混凝土及石粉的定义和性能要求

2.1 高性能混凝土定义及性能

美国ACI与NIST最早提出高性能混凝土，对高性能混凝土提出是优于普通混凝土，有稳定的强度值，其性能高于普通混凝土且具普通混凝土不具有的性能。高性能混凝土从材料的选用及配合比的设计都要严格进行设计，确保其具有好的工作性能、便于施工振捣，同时高性能混凝土的早期强度要高，并具混凝土体积及性能的稳定性；ACI对该定义所作的解释是：“高性能混凝土是一种异于普通混凝土特性的拌合物”。针对此在高层建筑、大跨径桥梁以及异常环境下的高性能混凝土其特性显得尤为突出。

《高性能混凝土应用技术规程》(CECS 207：2006)中规定为：采用常规材料和工艺生在产，具有混凝土结构所要求各项力学性能，具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土[1]。其必须具有设计要求的强度等级，在设计使用年限内必须满足结构承载和正常使用功能要求。

2.2 高性能混凝土应满足下列一种或几种技术要求[1]

(1)水胶比宜取低值；

(2)早期强度(7 d)达到设计强度值的90%;

(3)300次冻融循环后相对动弹性模量大于80%；

(4)胶凝材料强度不得低于52.5。

2.3 机制砂及石粉定义及性能要求[2]

机制砂目前涉及的主要料源有花岗岩、玄武岩、正长岩、片麻岩、石英岩、石灰岩、白云岩、大理岩等十几种。通过对机制砂的生产来进一步生产石粉；其中机制砂混凝土施工规范部分主要参照中华人民共和国交通运输行业标准《公路工程水泥混凝土用机制砂》(JT/T 819—2011)。另外也融合了机制砂研究的最新进展，这些内容由于尚没有国家标准和行业标准可以参照，采用“在试验成功，建设方批准的情况下可采用”的形式提出，旨在促进机制砂的科学使用，避免资源浪费，提高工程建设质量。机制砂从粒径来分析研究，目前规范及规程从公称粒径来区分，粒径小于5 mm的颗粒。而石粉是在《人工砂混凝土应用技术规程》(JGJ/T 241—2011)中这样定义，经过人工对石料的再加工，其公称粒径小于80 μm的颗粒物质，且该石粉的物理和化学成分均与破碎的母岩相同；机制砂中的石粉含量并不是越低越好，适量石粉在机制砂混凝土中对工作性、强度、耐磨、耐久性往往有良性作用，如果将石粉含量控制在较大的限值，并不是放低了技术标准，和我国标准体系中“地方标准不得低于国家标准”并不违背。

(1)机制砂的吸水率不得大于3%；单级最大压碎值指标小于25%；

(2)机制砂的物理指标应符合现行标准《普通混凝土用砂、石质量及检验标准方法》(JGJ52—2006)之规定。

(3)机制砂混凝土应选择硅酸盐水泥，水泥等级宜采用52.5级水泥；水泥入机温度不得高于60 ℃。

(4)机制砂的颗粒级配除满足规范规定外，除孔径4.74 mm、600 μm累计筛余外，其余孔径的累计筛余可以超出规范之规定，但不应超出5%；

(5)用于加工机制砂的母岩应不具有潜在碱活性，SO3含量必须符合规定。

2.4 石粉的作用机理

微集料填充作用。石粉在混凝土中优先参与水化反应，只有微颗粒与水分子充分吸收包裹，石粉颗粒才会进行有效的运动；然后在混凝土骨架间隙中填充骨架孔隙，如何充分填充这就需要我们在实际施工中加强对混凝土成型的有效规范振捣，这样使得结构混凝土密实性得到有效提高，从而对提高强度有很高的作用。

保水增稠作用。石粉在混凝土中对水分子有一定的的吸附作用，使得混凝土单位用水量增加，混凝土的流动性能增强，这样混凝土的工作性可以提高便于施工；另一方面，混凝土在发生水化作用时，又会释放水分子用于补偿混凝土的收缩。

3 原材料及试验方法

3.1 原材料

(1)中材水泥：P.052.5R；

(2)机制砂：广东省云浮市封开县银滩石场生产；

(3)碎石：5～20.5 mm的连续粒径的花岗岩碎石；

(4)石粉：南中宜材石粉生产厂;

(5)外加剂：聚羧酸高效减水剂;

(6)水：自来水或者井水。

3.2 试验方法

(1)混凝土拌合物性能依据GB/T50080《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》的规定进行，混凝土抗压依据GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定执行。试件采用标准试件150 mm×150 mm×150 mm，一组三块试件在标准养生条件下养生28 d，标准养生条件温度20±2 ℃，湿度≥95%，试件达到龄期后及时从养护室取出，并把试件表面的水汽用软布擦拭干净，在2 000 N压力机上进行试验。对于每一组试件强度的确定采用代表值进行确定。

(2)混凝土拌合物干缩性试验：试验是指混凝土试件在标准温度和湿度下，试件失水后导致试件在长度方向上的变化。试件有一组三块标准试件组成，试件用预埋测钉发，在标准养生条件下带钉养护1～2 d，试件在标准养生条件下3 d，应从标准养生室取出立即放入干缩室内，并及时量测试件轴向长度方向的长度，按照规程进行标准试验和计量。

(3)混凝土耐久性试验(电通量法)：试件采用φ=100±1 mm，高度50±2 mm的圆柱型试件；首先对于试件达到标准养生条件(28)时，进行试验如果试件掺大量的矿物掺合料试验龄期可以取56，本试验根据项目进度要求未掺加矿物掺合料，龄期取标准养生条件进行试验；首先对表面进行干燥处理；其次，在测试前应进行真空保水；然后注入化学溶液作为导电介质；对于满足试验条件的试件进行试验，试验在20～5 ℃温度下进行；对于试验结果按照试验规程进行处理，原则上采用三个数值的算术平均值。

(4)混凝土抗渗性试验；试验采用一组6个直径为150 mmd的圆形试件，当试件达到标准养生条件龄期时按照规程要求进行试验；首先对试验表面进行处理，达到试验要求条件后对其侧面涂层密封材料；其次对密封好的试件进行逐级加压，每个8 h增加一个单位0.1 Pa，观测断面渗水情况，直至达到试验规程停止加压的标准后，停止试验根据试验结果对渗水等级进行判定。

4 试验结果与分析

4.1 C55混凝土配合比

配合比采用C55混凝土为研究对象，主要研究石粉含量对混凝土的工作性和强度的影响。对于混凝土配合比的控制，必须做好一下几方面的工作来保证混凝土的施工质量：(1)生产所用的原材料必须从源头上管控好，建立健全材料的管理制度，其中特别是外加剂的使用要做好使用前适用性检验；(2)拌合站计量准确是保证高性能混凝土质量的关键，其中拌合站检定周期不得大于1年；(3)在整个混凝土拌合管理过程中，协调好人、料、机的合理利用，确保混凝土的施工质量，其中拌合时间要较普通混凝土延迟20～30 s，可以提高混凝土的工作性能；对于此混凝土配合比设计充分考虑结构对于早期强度要求较高，因为配合比设计对于矿物掺合料就进行了严格的控制，因其如果掺加了矿物掺合料势必对于混凝土早期强度进行了限制，影响结构早期外加应力的施作，而影响工程进度，因此项目在混凝土设计前期就充分考虑了这一点，因此在石粉的使用比例也进行了有效的设计。且机制砂中小于80 μm的颗粒含量要控制到一定范围，这样从另一方面技术要求可以确保混凝土的和易性满足施工质量的需要。C55混凝土基准配合比见表1。

表1 C55基准配合比

4.2 石粉含量对机制砂混凝土强度和工作性的影响

石粉采用2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%的含量进行混凝土配制，计量严格按照预定比例进行，在每一种掺配比例下，对混凝土进行拌制，严格控制混凝土的掺配比例、用水量、拌合时间等等；记录生产混凝土的工作性能及外观质量，然后对混泥土拌合物性能和抗压强度试验，通过试验建立其数学关系，并进行系统的分析研究。试验结果见表2和图1、图2。

表2 石粉含量对混凝土的试验结果

图1 石粉含量与强度图

图2 石粉含量与坍落度图

从表2、图1、图2得出，C55混凝土在石粉含量在2%～14%之间，混凝土的工作性及粘聚性性能成向好趋势，从图中可以看出石粉含量与塌落度成反比例关系，从而说明随着其值增加，混凝土流动性性能降低工作性能变差，这样不利于混凝土的输送及大方量浇筑。通过试验分析原因是石粉含量小的状态下，其微小的吸水作用对混凝土的坍落度影响较小，当石粉含量超过10%以后，坍落度下降趋势明显，从而印证石粉含量其微小吸水作用增大；石粉含量对混凝土强度的影响，从表2及图1看出，随着石粉含量的增加混凝土成上升趋势，但当石粉含量达到一定量后，强度有减小的趋势，当石粉含量达到10%时，混凝土强度值相对较高，在增加混凝土强度成下降趋势。分析原因是因为石粉在混凝土内部起填充作用，使得混凝土的密实度增加，且石粉的吸水性也为混凝土强度在早期强度形成时，提供了水化作用的条件。

4.3 石粉含量对机制砂混凝土干缩性能的影响

石粉含量对机制砂C55混凝土在不同含量的情况下，混凝土干缩试验对比如图3，从图3可以看出机制砂混凝土随着石粉含量的增加混凝土干缩率存在一个最大值，本试验研究结果石粉含量最大值为8%，但随着石粉含量的继续增加，混凝土的干缩率反而成下降趋势。分析原因是由于当混凝土中石粉含量达到最大后，也就是石粉的填充使得结构混凝土孔隙率降低如果继续增加其混凝土的密实性到达一个恒定值，干缩率反而变化不大，成下降趋势！

图3 石粉含量与干缩率关系图

4.4 石粉含量对机制砂混凝土耐久性能的影响

混凝土的耐久性是指抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、抗碳化性及防止碱-集料反应等，统称为混凝土的耐久性[3]。我国对于高性能混凝土的研究和设计，基本立足于在普通混凝土的基础上大幅提高混凝土的耐久性能，以耐久性作为配合比设计的主要指标。所以纵观以上性质其本质取决于混凝土的密实性能，而密实性能的评价目前使用传统渗水压法(GBJ82-85)，但其对于高性能混凝土的评价其结果还有待商榷。为更好的对其渗透性进行评价，目前是使用最广的电测方法是电通量检测方法。通过本试验研究结果图4可以看出，对于混凝土的耐久性而言，在混凝土的组成中石粉含量是影响最低的，且电通量变化率也低。分析原因主要是石粉含量对于C55混凝土的孔隙率影响不同所致。对于C55混凝土其配合比中使用的碎石为公称粒径5～20 mm的小碎石，其孔隙率势必偏小，混凝土较密室。这样通过试验测得不同石粉含量下的混凝土其电通量变化幅度很小，因此其耐久性通过电通量试验测得，石粉含量对机制砂混凝土耐久性影响很小。

图4 石粉含量与电通量关系图

4.5 石粉含量对机制砂混凝土抗渗性的影响

研究通过对不同石粉含量的C55混凝土进行抗渗性试验，试验表明其抗渗性变化较小，分析其原因主要是C55混凝土其水泥用量较大，结果使结构混凝土密实度较大，因此不同石粉含量特别是含量在5%～10%的情况下，混凝土抗渗性试验表现出对其影响较小。

5 结论及建议

(1)机制砂混凝土强度值与石粉含量成正比例关系，且当石粉含量达到10%时，其强度值达到峰值。因此在制作C55混凝土时根据地材的可取性石粉含量在2%～10%范围内取值制作混凝土是合理可行的。

(2)C55混凝土坍落度与石粉含量成反比例关系；在实际应用中特别是采用泵送混凝土要严格控制石粉含量，确保混凝土的泵送性能。

(3)C55混凝土随着石粉含量的增加，混凝土的干缩率存在一个最大值，但随着石粉含量的继续增加，混凝土的干缩率成下降趋势。

(4)C55混凝土石粉含量对于其耐久性影响较小是通过试验获得，能够很好的说明石粉含量对混凝土耐久性的影响。

(5)不同石粉含量下C55混凝土抗渗性影响较小。