石粉掺量对水工混凝土性能的影响研究

吴方志

（江门市蓬江区水利水电工程质量管理站）

0 引言

21 世纪以来，我国水利事业蓬勃发展，为经济社会发展提供了有力支撑。随着水利工程项目数量及规模不断增大，对砂等建筑材料的需求日益增大，加之受生态环境保护及河道禁采等因素影响，导致天然河砂资源短缺、价格猛增。因此人工砂开始进入建材市场。人工砂中的石粉与天然河砂中的泥作用价值不同，对混凝土的性能具有显著的提升作用[1-2]。因此研究石粉掺量对混凝土的性能有助于提高混凝土性能，节约建筑资源，为高性能水工混凝土的配合比设计提供有利的帮助。

研究者已经开展了石粉对混凝土性能影响的相关研究[3-6]。李远等人分析了人工砂中石粉对混凝土的抗压强度和抗冻性的影响，粉掺量16%时混凝土的抗压强度及抗冻性达到最佳效果[3]。徐飞等人认为石粉掺量超过20%，对混凝土的性能不再具有提升作用[4]。此外，也有研究者认为混凝土强度等级越低，最佳的石粉掺量越小[5,6]。综上，一定量的石粉可以有效提升混凝土的力学性能、使用性能及耐久性能。因此，本文结合江门市西江潭江跨界重点支流综合治理工程（一期）（蓬江项目区）项目混凝土质量检测工作，深入开展了养护龄期、石粉掺量对水工混凝土的力学性能和耐久性能影响的研究，为高性能水工混凝土配合比优化设计提供一定参考，助推水利高品质工程建设。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

⑴粗骨料。天然碎石为石灰岩碎石，5～20mm 粒径范围，级配合格，表观密度为2.68g/cm3，堆积密度为1.51g/cm3；

⑵细骨料。细骨料为机制砂，最大粒径为2.98mm，级配合格，表观密度为2.51g/cm3，细度模数为2.4。

⑶水泥为强度等级42.5 级普通硅酸盐水泥，初凝和终凝时间分别为190min 和250min，其他指标符合标准要求。

⑷试验用水为自来水，减水剂采用的材料为RSD-8引气减水剂，减水率≥40%。

1.2 试验方案

根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的要求进行不同石粉掺量的混凝土配合比设计，混凝土配合比见表1。

1.3 试验方法

混凝土力学性能依据GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中规定的进行，分别养护至7d、14d 及28d 龄期后进行抗压强度及劈裂抗拉强度试验。

耐久性依据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中规定的进行，对抗氯离子渗透性能和抗碳化性能进行试验。

2 石粉掺量对混凝土力学性能的影响研究

2.1 抗压强度

水工混凝土抗压强度随龄期及石粉掺量的变化规律试验结果如表2 所示。从表2 中可以看出，水工混凝土立方体抗压强度与养护龄期成正相关关系。水工混凝土的抗压强度与石粉掺量先呈正相关关系后呈负相关关系。这是由于当石粉掺量较少时，石粉可以改善混凝土中细砂的级配并且有效填充混凝土内部的联通空隙，有效提高了其抗压强度。但是当石粉掺量过高时，颗粒粒径的砂比例降低，骨料填充效应下降，填充空隙提升的强度不足以弥补骨料效应下降降低的强度，因此，其抗压强度开始有所下降。

表2 混凝土抗压强度随石粉掺量演变规律

2.2 抗拉强度

水工混凝土劈裂抗拉强度随龄期及石粉掺量的变化规律如表3 所示。从表3 中可以看出，不论什么条件下，水工混凝土劈裂抗拉强度与养护龄期成正相关关系。水工混凝土的抗拉强度与石粉掺量先呈正相关关系后呈负相关关系。与水工混凝土立方体抗压强度与石粉掺量的相关关系保存一致。

表3 混凝土劈裂抗拉强度随石粉掺量演变规律

3 石粉掺量对混凝土耐久性能的影响研究

3.1 石粉掺量对混凝土抗氯离子渗透性的影响研究

水工混凝土抗氯离子渗透性随龄期及石粉掺量的变化规律试验结果如表4 所示。从表4 中可以看出，随着石粉掺量的增加，水工混凝土抗氯离子扩散系数不断降低，抗渗透性开始增强。原因是石粉掺入混凝土中，有效填充了混凝土内部的联通空隙，使其变成半联通及封闭空隙，造成混凝土密实度增强，液体粒子渗透通道开始减少，提高了混凝土的抗渗透性。但是当石粉掺量增加20%时，石粉增强混凝土抗渗透性的作用开始变得稳定。这是由于石粉对混凝土细砂级配的改善作用达到饱和，并且不再能填充空隙。

表4 混凝土抗氯离子渗透性随石粉掺量演变规律

3.2 石粉掺量对混凝土抗碳化性能的影响研究

水工混凝土抗碳化性随龄期及石粉掺量的变化规律试验结果如表5 所示。从表5 中可以看出，在本文水灰比条件下，水工混凝土的碳化深度与养护龄期成反比；无论何种龄期，水工混凝土的碳化深度与石粉掺量先成负相关关系然后趋于稳定，当石粉掺量为20%时，碳化深度趋于稳定。石粉掺入混凝土中，有效填充了混凝土内部的联通空隙，使其变成半联通及封闭空隙，造成混凝土密实度增强，二氧化碳与混凝土的反应买面积减少，提高了混凝土的抗碳化性能。

表5 混凝土抗碳化性能随石粉掺量演变规律

4 结语

⑴任何条件下，水工混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度均与养护龄期成正相关关系。水工混凝土的抗压强度及抗拉强度与石粉掺量先呈正相关关系后呈负相关关系。

⑵随着石粉掺量的增加，水工混凝土抗氯离子扩散系数不断降低，抗渗透性开始增强，当石粉掺量为20%时，混凝土抗渗透性趋于稳定。

⑶水工混凝土的碳化深度与养护龄期成反比；无论何种龄期，水工混凝土的碳化深度与石粉掺量先成负相关关系然后趋于稳定，当石粉掺量为20%时，混凝土的碳化深度趋于稳定。