機制砂微細集料及石粉含量對混凝土性能的影響研究

李 軍，梁德興，青志剛

(廣西長長路橋建設有限公司，廣西 南寧 530003)

近年來，由于河砂資源的枯竭和對環保的要求，機制砂得到越來越廣泛的應用。特別是廣西很多山區屬于喀斯特地貌，交通極為不便，當地河砂是機制砂價格的2～3倍，由于礦石資源豐富，機制砂制造成本低廉，因而成了當地建筑工程用砂的首選。但機制砂在生產過程中，受母巖、生產設備和工藝的影響導致質量參差不齊，同時產生一定數量的石粉，這對混凝土的性能影響很大。根據以往的研究和工程應用實例表明：機制砂中的石粉對混凝土新拌物的工作性能和硬化物的力學性能具有改善作用。現行國標《建設用砂》(GB/T 14684-2011)和交通行業標準《公路橋涵施工技術規范》(JTG/T F50-2011)對人工砂石粉含量要求偏嚴格，這導致機制砂生產過程中產生大量的石粉浪費，也不利于環保。本文依托賀巴高速公路(都安至巴馬段)橋涵工程，重點研究了機制砂石粉和微細集料(粒徑<0.15 mm)對混凝土的工作性能和力學性能的影響，為該項目工程中機制砂混凝土的應用提供技術支撐。

1 原材料

水泥采用廣西登高集團有限公司右江牌P·O42.5水泥，其物理力學性質見表1。礦物摻合料采用廣西田東電廠Ⅱ級粉煤灰，性能指標見表2。粗集料來自巴馬設吉石場，由16～26.5 mm、10～16 mm、5～10 mm三檔碎石合成的5～26.5 mm連續級配碎石，摻配比例為6∶3∶1。細集料來自巴馬設吉石場，通過破碎5～10 mm瓜米石加工而成，采用福建南方路機干式制砂機設備，可根據要求通過風選來控制石粉含量。外加劑采用廣西南寧雨潤高性能聚羧酸減水劑，固含量12%，減水率26%。

表1 右江牌P·O42.5水泥的物理性質表

表2 田東電廠Ⅱ級粉煤灰各項性能檢測結果表

2 機制砂中石粉的吸附性能

選取巴馬設吉石場制砂機調試、不同時段生產的6個機制砂樣品，MB值如表3所示。從表中可以看到，整體上石粉含量與微細集料的含量具有一定的正相關性，微細集料含量與細度模數呈負相關，即微細集料和石粉含量越多的比例越大，細度模數越小。總體上，MB值隨石粉含量增多而變大，但在一定范圍內卻相差不大；當外摻3%黏土于懸濁液中，得到機制砂各樣品的MB值幾乎完全相同。可見MB值雖然可以反映石粉的吸附特性，但往往與其所含的黏土質類型和含量相關[1-2]，MB值的大小并不等同于石粉含量的多少，即使石粉含量不高但所含泥粉多也會使得MB值增大。

表3 機制砂主要性能測試結果表

3 混凝土的配制與實驗結果

3.1 配合比和試驗方法

本次試驗采用C30和C50兩個強度等級的混凝土作為本次試驗的研究對象，按《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55-2011)進行設計，粉煤灰摻量分別為20%、10%，選定6個機制砂樣品進行試配。根據前期試驗的優化和總結，確定C30、C50混凝土砂率為45%和36%，保持砂率不變，以此研究機制砂微細集料對混凝土拌合物及硬化后力學性能的影響。測試方法參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E42-2005)進行。

表4 不同標號的混凝土配合比設計表 (單位：kg/m3)

3.2 微細集料和石粉含量對混凝土的工作性能影響分析

混凝土拌合物的工作性能如表5和圖1、圖2所示。

表5 混凝土拌合物的工作性能試驗結果表

圖1 C30混凝土拌合物坍落度變化曲線圖

圖2 C50混凝土拌合物坍落度變化曲線圖

(1)在C30混凝土試配過程中，隨著微細集料和石粉的比例變大，混凝土拌合物的粘聚性和保水性能得到增強，初始坍落度和坍落擴展度先略有增加，后降低；當微細集料增大到17.1%(石粉含量9.0%)以上時，1.5 h后坍落度下降不多，但擴展度顯著變小，至微細集料增大至20.7%(石粉含量12.5%)時，1.5 h后坍落度顯著降低，幾乎毫無流動性，由此預估控制微細集料含量在12%～13%左右，可以使混凝土得到最佳的可操作性能。從圖1中還可以看出，SP3和SP4二者微細集料相差不大，石粉含量分別為5.9%和4.5%，但初始坍落度、擴展度與1.5 h后的坍損及擴展度損失幾乎相同，可見在最佳微細集料含量下，石粉比例的多少是次要因素。

(2)在C50混凝土試配過程中，混凝土拌合物的性能有著與C30相同的規律，只是臨界點不同。從圖2中可知，隨著微細集料含量的增多，混凝土初始坍落度幾乎不變，略有波動，但坍落度損失逐漸增大。表5的數據顯示，初始擴展度在微細集料含量為12.7%以下時，幾乎相同，隨后在微細集料含量為17.1%時突然下降；1.5 h后擴展度在微細集料含量為12.1%時開始損失明顯，在微細集料含量為17.1%以上時幾乎無流動性。究其原因有：高標號混凝土膠凝材料用量較多，隨著水化的進行，自由水逐漸減少，石粉也會吸附一定量的水和外加劑，當沒有足夠量的自由水維持水泥水化時，混凝土的流動性能會大大降低。根據實驗結果得出，配制C50混凝土，機制砂中的微細集料控制在12%、石粉含量控制在5%以下較為適宜。

3.3 微細集料和石粉含量對混凝土的力學性能影響分析

根據表5試配的混凝土拌合物狀態情況，并考慮現場混凝土的可操作性能，選取SP1～SP5、SP9～SP12混凝土試件進行強度對比研究。試驗結果如圖3、圖4所示。

圖3 不同微細集料含量對C30混凝土強度的影響柱形圖

圖4 不同微細集料含量對C50混凝土強度的影響柱形圖

從上圖3、圖4得知，一定范圍內隨著微細集料和石粉含量的增加，C30和C50混凝土在7 d和28 d時抗壓強度逐漸升高，超過臨界點后，強度又略有所下降。其中，C30混凝土強度變化較小，波動在2～3 MPa，而C50混凝土強度在7 d時強度波動在5 MPa左右，但28 d強度相差較小。這主要是因為石粉的填充作用和“晶核”作用，增強了混凝土的密實性，加速了水泥的水化，但過多的石粉會吸附大量的水，阻擋了水泥水化的進程，導致水泥水化不完全，起到了負作用[3-4]。就達到最高強度而言，C30和C50混凝土的最佳微細集料含量分別為12.7%、9.8%，對應的石粉含量分別為5.9%和3.5%。

4 結語

(1)機制砂中石粉含量對MB值的影響微乎其微，對MB值大小影響的主要因素取決于石粉中所含黏土的性質和多少，從本次試驗結果來看，石粉含量在12%、微細集料含量在20%以內、含泥量在3%以內都能滿足要求。

(2)機制砂中的微細集料和石粉可以使水泥漿體更加飽滿，增強拌合物的粘聚性和保水性，有利于改善離析泌水現象。微細集料含量在12%～13%時，C30混凝土可以達到最佳的工作性能；微細集料含量在12%、石粉含量在5%以內，C50混凝土可以達到較佳的工作性能。

(3)一定范圍內，隨著微細集料和石粉的增多，混凝土的強度略有增加，超過臨界值后略有下降。其中C30標號的強度波動并不明顯，為2～3 MPa；C50標號的7 d齡期強度波動值在5 MPa左右，28 d齡期也相差不大。

(4)機制砂在生產過程中，受原材料粒徑、濕度等影響，機制砂的微細集料和石粉含量波動較大，因此在混凝土生產過程中需及時調整砂率和外加劑，以使混凝土達到最佳的工作狀態。

[1]岳海軍.機制砂的巖性與級配對混凝土性能的影響研究[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[2]周永祥，王永海，王思婭，等.石灰石粉的特性及對混凝土性能的影響[J].施工技術，2014(5)：23-27.

[3]郜進良，余 川，李固華.機制砂對混凝土和易性能影響的試驗研究[J].公路，2011(12)：155-159.

[4]李北星，王稷良，周明凱.高含石粉機制砂配制C60高性能混凝土的研究[C].超高層混凝土泵送與高性能混凝土技術的研究與應用國際研討論會，2008.