人工機(jī)制砂混凝土石粉含量試驗(yàn)研究

袁自立張國富關(guān)喜才

（1.河南省石漫灘水庫管理局 舞鋼 462500 2.河南省水利基本建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心站 漯河 462000）

1引言

機(jī)制砂作為細(xì)骨料普遍應(yīng)用于各種建筑工程混凝土中，在美、英、日等國家已有30多年的歷史，其材料試驗(yàn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)已比較完善。20世紀(jì)60年代，我國開始在建筑工程中采用機(jī)制砂。但是由于試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范的不完善及材料試驗(yàn)的滯后，我國建筑業(yè)對(duì)天然砂仍存在較強(qiáng)的依賴性，在許多重要結(jié)構(gòu)中對(duì)機(jī)制砂的使用還存在限制條件。建筑市場用砂數(shù)量越來越大，質(zhì)量上要求越來越高，而合格天然砂的資源卻越來越少，機(jī)制砂在建筑施工中大量應(yīng)用勢在必行。目前，在剛剛粉碎的人工原砂中含有10%～20%的石粉，根據(jù)不同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為滿足施工要求，機(jī)制砂只能采取電動(dòng)吸塵或水洗的方法生產(chǎn)，尤其在石粉含量控制偏低的情況下，必須采用水洗法，水洗時(shí)洗除了機(jī)制人工砂中的大部分石粉，也要附帶損失一些小于0.63mm、甚至1.25mm以下的顆粒，降低了砂的有效用量，并使原有的0.63～0.315mm顆粒更少，同時(shí)也破壞了砂原有的級(jí)配。實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)，這樣會(huì)導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土拌和物容易出現(xiàn)離析、泌水現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致硬化后混凝土性能的下降。

2 人工機(jī)制砂的特性及確定石粉含量的必要性

目前，國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)制人工砂中石粉的定義及質(zhì)量技術(shù)要求存有差異。《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352-2006）中將石粉定義為小于0.16mm顆粒，《水工混凝土施工規(guī)范》（SDJ207-82）中石粉是指小于0.16mm的顆粒，石粉含量為6%～12%；《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2001將石粉定義為小于0.15mm顆粒、機(jī)制人工砂石粉含量為6%～8%；《建筑用砂》（GB/T14864-2001）中將小于0.075mm顆粒稱為石粉，規(guī)定混凝土用機(jī)制人工砂的石粉含量分別小于3%（大于等于 C60）、5%（介 C30～C60之間）、7%（小于等于 C30）。實(shí)際應(yīng)用中統(tǒng)一研究確定機(jī)制砂混凝土中石粉含量選擇范圍是實(shí)際工程亟待解決的問題。因此，通過試驗(yàn)研究機(jī)制砂混凝土石粉含量意義重大。

南水北調(diào)安陽段的混凝土工程中，結(jié)合人工機(jī)制砂的實(shí)際應(yīng)用對(duì)其性能進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)研究，所用機(jī)制人工砂與天然河砂相比，機(jī)制人工砂顆粒表面粗糙、多棱角，最顯著的區(qū)別是機(jī)制人工砂中含有大量粒徑小于0.080mm的顆粒。試驗(yàn)研究證明，機(jī)制人工砂與河砂中小于0.080mm的顆粒性質(zhì)完全不同，后者稱為泥粉，泥粉對(duì)混凝土工作性、體積穩(wěn)定性和耐久性都有不利的影響；前者稱為石粉，石粉與母巖的物理化學(xué)性質(zhì)完全一樣，其對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響有：①通過XRD分析認(rèn)為，石粉中CaCO3微粒具有活性反應(yīng)，即CaCO3微粒能與C3A反應(yīng)生成碳鋁酸鹽；②通過TG分析認(rèn)為，人工砂中的石粉在水泥水化過程中起到了晶核作用（晶核效應(yīng)），加速了水泥中C3S的水化；③通過SEM分析認(rèn)為，不管石粉含量的高低和齡期長短，人工砂混凝土比普通混凝土密實(shí)得多，孔隙率減少，孔結(jié)構(gòu)得到改善。其主要原因是：發(fā)揮石粉的填充效應(yīng)；人工砂中含有較多的石粉，人工砂混凝土的需水量大，使得在水灰比和單位用水量相同的情況下，人工砂混凝土的實(shí)際水灰比要小于普通混凝土即石粉的吸水效應(yīng)；人工砂表面粗糙，帶有尖銳棱角，使得骨料與漿體咬合力得到增強(qiáng)，有利于漿體與骨料界面的改善即人工砂的形態(tài)效應(yīng)。

因此，為使機(jī)制人工砂中石粉在混凝土中合理利用，研究人工機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土強(qiáng)度、耐久性的影響，確定機(jī)制人工砂中石粉的最優(yōu)范圍十分必要。

3 石粉含量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)原材料

水泥采用鶴壁同力P.O42.5級(jí)水泥，主要性能指標(biāo)符合GB175-1999《硅酸鹽水泥 普通硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)要求；粗骨料采用盤石頭水庫花尖腦砂石料廠生產(chǎn)的5～20mm、20～40mm碎石，二級(jí)配摻和比例40%（5～20mm）、60%（20～40mm）；細(xì)骨料采用盤石頭水庫花尖腦砂石料廠生產(chǎn)的機(jī)制砂，不同的石粉含量，通過室內(nèi)調(diào)配；摻和料采用安陽大唐電廠生產(chǎn)的II級(jí)F類粉煤灰，質(zhì)量指標(biāo)符合《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》（DL/T5055-1996）對(duì)粉煤灰的技術(shù)要求；外加劑采用山西黃騰化工有限公司生產(chǎn)的UNF-A高效減水劑（水劑），質(zhì)量指標(biāo)符合《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》（DL/T5100-1999）中技術(shù)要求。

3.2試驗(yàn)方法

按SL352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行混凝土拌和物性能試驗(yàn)、混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，檢測7d、28d抗壓、抗折強(qiáng)度。

3.3試驗(yàn)結(jié)果

采用兩種水膠比對(duì)不同石粉含量的機(jī)制砂進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，從中初步確定其石粉含量最優(yōu)范圍。

3.3.1第一種水膠比下石粉含量對(duì)混凝土拌合物和易性的影響

表1 石粉含量對(duì)混凝土拌合物和易性影響

3.3.2第二種水膠比下石粉含量對(duì)混凝土拌合物和易性的影響

表2 石粉含量對(duì)混凝土拌合物和易性影響

從表1、表2可以看出，石粉含量為14.5%、15.3%時(shí)，混凝土拌合物和易性最好。

3.3.3兩種不同水膠比下石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

表3 石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

表4 石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

表5 混凝土抗壓強(qiáng)度增長率

從表3、表4、表5中可以看出，以石粉含量10%配制的混凝土為基準(zhǔn)，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著石粉含量增加，石粉含量為14.5%時(shí)，增長率最大。水膠比為0.45時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度增長率為15.7%；水膠比為0.42時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度增長率為21.4%，但石粉含量超18%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增長率相對(duì)較低。

3.4試驗(yàn)分析

試驗(yàn)表明，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著石粉含量增大有增加趨勢，石粉含量為14.5%時(shí)，增長率最大。但石粉含量超18%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增長率相對(duì)較低。石粉含量為14.5%、15.3%時(shí)，混凝土拌合物和易性最好。

人工機(jī)制砂混凝土之所以比普通混凝土的強(qiáng)度等性能有所改善，歸結(jié)為人工砂的填充效應(yīng)、晶核效應(yīng)、活性效應(yīng)、吸水效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)。這5個(gè)效應(yīng)的共同作用，促成了人工機(jī)制砂混凝土水化產(chǎn)物的增多、碳鋁酸鹽的生成和界面、孔結(jié)構(gòu)改善。具體來說，石粉的填充效應(yīng)，不但使毛細(xì)孔得到細(xì)化，而且使孔隙率減小即孔結(jié)構(gòu)改善；晶核效應(yīng)加速了C3S的水化，從而使水化產(chǎn)物增多，并避免了晶體的集中生成；活性效應(yīng)是指石粉中的CaCO3在與水泥中C3A反應(yīng)生成碳鋁酸鹽的同時(shí)，改善了石粉顆粒的表面狀態(tài)，有利于石粉顆粒與水化產(chǎn)物間粘接強(qiáng)度的提高；石粉的吸水效應(yīng)使得人工機(jī)制砂混凝土的實(shí)際水灰比小于同配比的普通混凝土，人工機(jī)制砂混凝土的保水性增強(qiáng)，泌水率減小，減少了自由水在界面上聚集，利于漿體骨料界面的改善；人工機(jī)制砂表面粗糙，帶有尖銳棱角，不但使得骨料與漿體的咬合力得到增強(qiáng)，最有利于漿體骨料界面的改善，這是人工機(jī)制砂的形態(tài)效應(yīng)。

4結(jié)論

人工機(jī)制砂混凝土比普通混凝土的性能有所改善，并使得骨料與漿體的咬合力得到了增強(qiáng)。通過對(duì)盤石頭水庫花尖腦砂石料廠生產(chǎn)的人工機(jī)制砂中石粉含量為10%、14.5%、15.3%、18%、21.3%對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，石粉含量合理控制在14%～16%是適宜的。通過南水北調(diào)安陽段的混凝土工程應(yīng)用，效果良好，滿足國家重大工程人工機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用要求■