卵石破碎原狀機制砂石粉含量限值試驗研究

李鳳蘭，孫秋彥，朱 倩

（華北水利水電學院河南省水工結構與材料工程重點學科開放實驗室，鄭州 450011）

卵石破碎原狀機制砂石粉含量限值試驗研究

李鳳蘭，孫秋彥，朱 倩

（華北水利水電學院河南省水工結構與材料工程重點學科開放實驗室，鄭州 450011）

采用石粉（粒徑小于75μm的顆粒）含量為3%～13%的卵石破碎原狀機制砂配制強度等級C30，C40和C50混凝土，分析了石粉含量對混凝土拌合物工作性能及混凝土抗壓強度、抗拉強度和彈性模量的影響規律。研究結果表明，對卵石沖洗后加以破碎的原狀機制砂，其石粉含量可超出現行建筑用砂規范的限值，控制在13%以內時可滿足混凝土拌合物的工作性能和現行規范對混凝土基本力學性能的要求。該研究對機制砂生產工藝的革新和生產效率的提高具有重要價值。

混凝土；卵石破碎原狀機制砂；石粉含量；拌合物工作性能；抗壓強度；抗拉強度；彈性模量

機制砂是由巖石爆破或采用河道卵石，經機械破碎、篩分制成的粒徑小于5 mm的顆粒。機制砂富有棱角，同樣細度模數下的顆粒級配劣于天然砂，用于配制混凝土將在配合比、施工性能、力學和耐久性能等方面產生不同于天然砂混凝土的特點［1，2］。現行建筑用砂標準雖將機制砂列為建筑用砂，但出于控制含泥量的考慮而對石粉含量也進行了嚴格限制［3，4］。為了能夠達到規定的石粉含量要求，機制砂生產均增加了水洗工藝，不僅增加生產成本、造成水資源浪費，而且水洗石粉排放造成了河道水質或風沙等環境污染，不利于生產地域的環境保護。

基于對石粉含量能否放寬的問題，已取得了一些很有工程應用價值的研究成果［2，5-9］。但對石粉含量的研究缺乏系統性與可比性，具體表現為：對石粉的顆粒范圍劃分不同；將石粉含量與機制砂生產工藝割裂開來，試驗采用機制砂的高、低石粉含量通過外摻磨細石粉的方法實現，研究缺乏生產技術支撐；機制砂混凝土性能研究內容不全面，各種測試指標基于不同的機制砂原材料。同時，針對河道卵石破碎機制砂混凝土的研究鮮見報道。

本文選用直接對卵石沖洗后進行破碎而不再沖洗的原狀機制砂，通過研究石粉含量對強度等級C30，C40和C50機制砂混凝土性能的影響，提出具有工程實際應用價值的機制砂石粉含量限值范圍，對合理利用機制砂中的石粉，促進機制砂生產工藝的革新和生產效率的提高具有重要意義。

表1 水泥的物理力學性能Table1 Physical and mechanical properties of the cement

表2 石子物理力學性能Table2 Physical and mechanical properties of the crushed stone

1 試驗概況

采用焦作堅固水泥有限公司生產的“堅固”牌32.5級和42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能見表1。粗集料采用5～10 mm和10～25 mm兩種級配的石灰巖質碎石按比例1∶1混合，其物理力學性能見表2。細集料選用焦作市附近山區規模較大的機制砂場生產的原狀石灰巖質機制砂，其物理力學性能見表3。試驗用機制砂中的石粉含量，是經過對原狀機制砂進行篩分測定后進行調整得到的。在本文中，石粉是指粒徑小于75μm的顆粒［3］。外加劑采用鄭州巨源混凝土外加劑有限公司生產的JHY-6000萘系高效減水劑，實測減水率為15.5%。拌合物用自來水。

采用32.5級普通硅酸鹽水泥配制強度等級C30的機制砂混凝土，采用42.5級普通硅酸鹽水泥配制強度等級C40，C50的機制砂混凝土，各強度等級混凝土分別固定水灰比W／C、單位用水量mw、砂率βs和外加劑摻量，外加劑摻量為水泥用量mc的0.75%（按質量計），石粉含量βsp取3%，7%，13%等3個級別。混凝土拌合物坍落度按35～50mm預計，混凝土原材料用量計算結果列于表4，表中mg，ms分別為單位體積混凝土的石子和機制砂用量。

試驗按現行普通混凝土拌合物性能及力學性能試驗方法標準進行［10，11］。立方體抗壓強度fcu和劈裂抗拉強度ft試驗采用邊長150 mm的立方體試塊，軸心抗壓強度fc和彈性模量Ec試驗采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件，抗彎強度ff試驗采用150 mm×150 mm×550 mm的梁試件。

表3 機制砂物理性能Table3 Physical properties of proto-machine-made sand

表4 原狀機制砂混凝土的配合比Table4 M ix proportion of proto-machine-made sand concrete

表5 混凝土拌合物工作性能試驗結果Table5 Test results of fresh concrete workability

2 試驗結果及分析

混凝土拌合物工作性能和混凝土基本力學性能試驗結果如表5所列。

2.1 混凝土拌合物的工作性能

由表5可見，適當增加石粉含量有利于改善機制砂混凝土拌合物的流動性，對拌合物粘聚性和保水性具有明顯改善效果。同時，盡管GA和GC兩組混凝土的坍落度明顯低于預計值，但試塊仍然易于振動成型，坍落度值不再能夠準確地表征高石粉含量原狀機制砂混凝土的成型難易程度。這一規律實質上反映出了機制砂的固有特性。其一，機制砂顆粒表面粗糙、富有棱角，自身滾動能力差，將導致混凝土拌合物流動性降低。其二，機制砂具有較大的比表面積，需要消耗較多的漿體予以包裹才能達到與天然砂同樣的流動性。在用砂量不變的條件下，石粉含量增加，機制砂顆粒的總量相應減少，相對提高了除包裹機制砂以外的水泥漿體積，將提高拌合物的工作性。其三，在水泥用量不變的條件下，適當增加石粉含量起到了增加拌合物中漿體總量的作用，從而提高拌合物的粘聚性和保水性。

值得注意的是，當石粉含量較小而水灰比較大時，機制砂混凝土拌合物出現離析和泌水現象。如果使用高效減水劑，將進一步降低水泥漿體稠度和粘度，使得混凝土拌合物出現嚴重的離析和泌水現象，混凝土成型后在表面出現較多的孔洞。

2.2 混凝土的基本力學性能

由表5數據可計算出，GA組、GB組和GC組分別滿足強度等級C30，C40和C50混凝土的配制強度要求，配制強度標準差依次達到5.3～6.5 MPa，6.3～9.4 MPa和6.0～8.0 MPa。

圖1示出了混凝土立方體抗壓強度fcu及軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值fc／fcu隨石粉含量βsp的變化情況。可見石粉含量較高時對C30混凝土抗壓強度影響較小，對C40混凝土抗壓強度有所提高，對C50混凝土抗壓強度有所減小；以同組混凝土立方體抗壓強度和軸心抗壓強度的平均值為基準，可得到GA組、GB組和GC組混凝土的立方體抗壓強度相對偏差依次為-3.1%～2.0%，-3.3%～6.5%和-3.3%～1.9%，軸心抗壓強度相對偏差依次為-4.8%～4.7%，-7.9%～8.6%和-4.9%～6.7%。這說明石粉含量對軸心抗壓強度的影響大于對立方體抗壓強度的影響；對較高強度等級混凝土的影響大于對較低強度等級混凝土的影響。盡管如此，總體上看影響效果均比較小，實際工程應用可以不考慮石粉含量對混凝土抗壓強度的影響。

圖1 抗壓強度隨石粉含量的變化Fig.1 Variations of fcuand fc／fcuw ithβsprespectively

石粉含量為3%時fc／fcu為0.77～0.92，石粉含量為7%及以上時fc／fcu為0.82～0.87，可以看出石粉含量較低時造成的混凝土拌合物離析和泌水導致混凝土強度較大的離散性；同時由該比值按C30，C40和C50的順序由大到小進行排序，說明機制砂的粗糙表面和多棱角形狀提供的自相嵌固作用，從一定程度上減小了軸心受壓混凝土的橫向變形，提高了混凝土的軸心抗壓強度。但機制砂混凝土的脆性破壞特征依然隨著強度等級的提高而愈加明顯，是與普通天然砂混凝土相一致的［1，12］。

由普通混凝土抗拉強度與立方體抗壓強度的關系［12］：ft＝0.39，可計算本試驗各配合比混凝土對應的抗拉強度值。圖2示出了混凝土抗拉強度實測值及其與計算值的比值隨石粉含量βsp的變化情況。可見除GA3的實測值小于計算值外，其他均大于計算值；隨著石粉含量的增加，C30混凝土的抗拉強度降低，而C40，C50混凝土的抗拉強度則提高；以同組混凝土抗拉強度的平均值為基準，可得到GA組、GB組和GC組混凝土的抗拉強度相對偏差依次為±5.7%，-5.7%～5.4%和-9.0%～5.9%。這說明石粉含量對混凝土抗拉強度具有一定的影響作用，對強度等級高的混凝土影響相對明顯。觀察試塊的劈裂破壞情況，C30混凝土為水泥石粉復合材料劈裂，C50混凝土基本上是沿著粗骨料界面，說明石粉對水泥石的強度有直接影響。

圖2 抗拉強度隨石粉含量的變化Fig.2 Variations ofandw ithβsprespectively

由表5可見，隨著石粉含量的增加，混凝土抗彎強度與抗拉強度具有基本相同的變化規律，對C40混凝土的抗彎強度具有更為明顯的提高作用。

由普通混凝土彈性模量與立方體抗壓強度的關系［12］：Ec＝105／（2.2+34.7／fcu），可計算本試驗各配合比混凝土對應的彈性模量值，圖3示出了混凝土彈性模量實測值及其與計算值的比值隨石粉含量βsp的變化情況。可見隨著石粉含量的增加，彈性模量基本呈減小的規律，實測值及其與計算值的比值在1.07～1.33之間變化。這表明隨著石粉含量的增加，較多的水泥石粉漿體消弱了骨料整體架構并加大了水泥石粉復合材料在受力時的粘性流動及粘彈性變形，從而導致混凝土彈性模量的降低。

圖3 彈性模量隨石粉含量的變化Fig.3 Variation ofandw ithβsprepectively

總體而言，所配制的混凝土基本力學性能滿足現行混凝土結構設計規范規定的技術要求［13］。

3 結 論

在亞甲藍試驗結果符合要求的條件下，卵石破碎原狀機制砂用于配制強度等級C30-C50混凝土時，石粉含量可突破現行《建筑用砂》（GB／T14684 -2001）的限制。根據本次試驗結果，石粉含量由5%放寬到13%是可行的，既可保證混凝土拌合物的工作性能，又可滿足現行混凝土結構設計規范對混凝土基本力學性能的要求。

應該注意，石粉含量較小（3%）和水灰比較大的混凝土拌合物將出現離析和泌水現象，使用高效減水劑將加重該現象的程度。

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（編輯：曾小漢）

Experimental Study on Lim it of Stone-powder of Gravel-crushed Proto-machine-made Sand for Concrete

LIFeng-lan，SUN Qiu-yan，ZHU Qian
（Henan Provincial Key Course Opening Laboratory of Hydraulic Structural and Material Engineering，North China Institute ofWater Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China）

The gravel-crushed proto-machine-made sands containing stone powder（particle size being less than 75 μm）with quantity content from 3%to 13%were used formixing concrete of grade C30，C40 and C50.The influences of stone powder contenton theworkability of fresh concrete and the compressive strength，tensile strength and elastic modulus of concrete were analyzed.It can be concluded that for the proto-machine-made sandsmade by the gravelswashed before crushed，the stone powder content can be taken over the limit specified in current standard of building sands.When the content is limited in 13%，the workability of fresh concrete is better，the compressive and tensile strength as well as the elastic modulus of concrete can satisfy the requirements of current code.The study is very important for the innovation of production techniques and the promotion of productivity.

concrete；gravel-crushed proto-machine-made sands；stone powder content；fresh concrete workability；compressive strength；tensile strength；elastic modulus

TU521.1；TU528.1

A

1001-5485（2010）08-0066-04

2009-10-27；

2010-01-17

鄭州市科技領軍人才資助項目（096SYJH23105）

李鳳蘭（1964-），女，河北武邑人，教授，主要從事土木工程材料研究，（電話）0371-69127380（電子信箱）lifl64＠ncwu.edu.cn。