石粉含量對(duì)中低強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土耐久性能影響

■林洪法

（福建新路達(dá)交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，南平 353000）

混凝土是用砂石骨料，水泥，礦物摻合料、水，以及外加劑通過不同配合比，拌制而成的各種強(qiáng)度的人工建材，大量應(yīng)用于工程建設(shè)中[1]。近年來隨著福建省交通建設(shè)的迅速發(fā)展，以河砂為主的天然砂已無法滿足工程建設(shè)需求，同時(shí)天然砂的過度開采，嚴(yán)重破壞了自然環(huán)境。這種矛盾日益突出，影響工程建設(shè)進(jìn)度。而機(jī)制砂作為細(xì)集料，含泥量可控、細(xì)度模數(shù)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性好，替代天然河砂在福建省的應(yīng)用，已成為持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)；福建省政府對(duì)此也出臺(tái)了一系列的文件限制閩江砂的開挖，推廣機(jī)制砂在福建省的應(yīng)用[2]。機(jī)制砂與天然砂均是粒徑均小于4.75mm的巖石顆粒，且不包括軟質(zhì)巖、風(fēng)化巖石的顆粒，但機(jī)制砂是巖石經(jīng)破碎、粉碎、選粉等流程生產(chǎn)而得到的，在這個(gè)過程中必然會(huì)產(chǎn)生部分小于0.075mm的顆粒（即石粉），這是機(jī)制砂與天然砂最大的不同。

關(guān)于機(jī)制砂混凝土的研究主要集中于以下幾個(gè)方面：（1）機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)方法[3]和配合比參數(shù)[4-5]對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響；（2）機(jī)制砂混凝土與天然砂混凝土的性能比較，及其代替天然砂混凝土的可行性[6-7]；（3）機(jī)制砂中石粉對(duì)混凝土性能的影響作用。隨著機(jī)制砂混凝土應(yīng)用程度不斷加強(qiáng)，學(xué)術(shù)界對(duì)其研究也在不斷深入，尤其是針對(duì)第三方面的研究，目前已成為一個(gè)熱點(diǎn)問題。例如《建設(shè)用砂》（GB/T 14684—2011）從混凝土強(qiáng)度考慮，規(guī)定機(jī)制砂中石粉含量的最大值:強(qiáng)度等級(jí)為小于C30、C30～C60和大于C60混凝土的石粉含量最大值分別為7%、5%、3%，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)石粉含量的要求與實(shí)際應(yīng)用存在一定的差距。文獻(xiàn)[8]綜合考慮機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度性能和工作性能，確定了機(jī)制砂中石粉含量的上限值：C30和C50混凝土的石粉含量對(duì)應(yīng)值分別為15%和10%。文獻(xiàn)[9]研究發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂對(duì)于混凝土的干縮具有正負(fù)效應(yīng)：當(dāng)石粉含量較小時(shí)（小于11%），負(fù)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，干縮率隨石粉含量的增加而增大；當(dāng)石粉含量超過一定值時(shí)，正效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，干縮率隨石粉含量的增加有減小趨勢(shì)。

通過以上文獻(xiàn)論述可知，目前在石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土的影響作用的研究領(lǐng)域，主要是關(guān)于石粉含量對(duì)混凝土強(qiáng)度、工作性能、體積穩(wěn)定性能的研究，而關(guān)于石粉含量對(duì)中低強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土耐久性能影響的報(bào)道則較少涉及。為此，本文通過試驗(yàn)研究不同石粉含量的C25、C30混凝土耐久性能，得到石粉的合理摻量，可以加深人們對(duì)機(jī)制砂的了解，為機(jī)制砂混凝土推廣應(yīng)用提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)方法

（1）原材料

水泥：P.O42.5的普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)見表1。粗集料為4.75～31.5mm連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，表觀密度2740 kg/m3。細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，先將機(jī)制砂用0.075mm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩洗，得到不含石粉的機(jī)制砂，然后通過人工添加石粉的方法，按0%、3%、6%、9%、12%石粉含量重新配制機(jī)制砂。外加劑采用減水率為30%的聚羧酸高性能減水劑。試驗(yàn)中拌和C25、C30的混凝土，用于研究石粉含量對(duì)混凝土工作性能的影響，采用的混凝土配合比見表2。

表1 水泥物理性能

表2 機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)

（2）試驗(yàn)方法

影響混凝土耐久性的各種破壞過程都與外界氯離子滲透侵蝕有密切的關(guān)系，因此，混凝土的抗氯離子滲透性能被認(rèn)為是評(píng)價(jià)混凝土耐久性的重要指標(biāo)。混凝土抗?jié)B性測(cè)定按照 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）進(jìn)行電通量法氯離子滲透試驗(yàn)：成型試件為高150 mm、直徑100mm的圓柱體，使用試件在養(yǎng)護(hù)至28 d齡期后切割為兩個(gè)高50 mm、直徑為100 mm的小圓柱體試件，采用全自動(dòng)真空保水機(jī)和數(shù)顯電通量測(cè)定儀測(cè)試電通量表征混凝土抗氯離子滲透性能。

混凝土抗凍性測(cè)定按照GB/T 50082-2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行快凍試驗(yàn)：采用 100mm×100mm×400mm的棱柱體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至 24d，將試件放在 20±2℃水中浸泡4d，試件應(yīng)在28d時(shí)開始進(jìn)行凍融試驗(yàn)。每次凍融循環(huán)應(yīng)在2～4h內(nèi)完成，且用于融化的時(shí)間不得少于整個(gè)凍融循環(huán)時(shí)間的1/4，完成凍融循環(huán)后取出試件稱重并測(cè)定橫向基頻。本研究中設(shè)定凍融循環(huán)次數(shù)為200次，應(yīng)用質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量指標(biāo)評(píng)價(jià)不同石粉含量混凝土的抗凍耐久性能。

試件質(zhì)量損失率按式（1）計(jì)算：

式（1）中ΔW為試件經(jīng)過200次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率（%）；W0為未經(jīng)凍融循環(huán)作用試件的質(zhì)量；W200是試件經(jīng)過200次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量。

試件相對(duì)動(dòng)彈性模量按式（2）計(jì)算：

式（2）中Pi為試件經(jīng)過 200次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量（%）；f0為未經(jīng)凍融循環(huán)作用試件的橫向基頻（HZ）；f200是試件經(jīng)過200次凍融循環(huán)后試件的橫向基頻（HZ）。

2 結(jié)果與分析

（1）石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土抗?jié)B性能影響分析

從圖1可以看出，對(duì)于C25混凝土，隨著機(jī)制砂中石粉含量在0～12%范圍內(nèi)增加，尤其是當(dāng)石粉含量大于6%時(shí)，機(jī)制砂混凝土的電通量迅速降低，表明石粉可以改善C25混凝土的抗氯離子滲透性能，且隨著石粉含量的增加這種改善作用愈加明顯。其主要原因是由于C25混凝土中水泥用量較少，水灰比較大，硬化后，混凝土中存在大量的孔隙，致使混凝土的抗氯離子滲透性能不良，但隨石粉含量的增加，豐富了混凝土的漿量，提高了混凝土的密實(shí)性，使硬化后混凝土中的孔隙減少，從而提高了混凝土的抗氯離子滲透性能。

圖1 石粉含量對(duì)C25機(jī)制砂混凝土電通量影響

圖2 石粉含量對(duì)C30機(jī)制砂混凝土電通量影響

從圖2中可以看出，相比于C25混凝土，C30混凝土電通量值明顯要小，且C30混凝土滲透性能受石粉含量變化的影響不如C25受石粉含量的影響明顯，這是因?yàn)镃30混凝土中水泥用量較高，水膠比較低，密實(shí)性好，混凝土中本身連通毛細(xì)孔較少，其整體的抗氯離子滲透性能較好；可見，石粉的存在對(duì)于密實(shí)性好且高強(qiáng)混凝土的硬化結(jié)構(gòu)體影響不明顯，石粉對(duì)于強(qiáng)度較高的混凝土抗氯離子滲透性能變化影響不顯著。

（2）石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土抗凍性能影響分析

圖3為C25和C30混凝土在不同石粉含量下的質(zhì)量變化率結(jié)果。圖4為C25和C30混凝土在不同石粉含量下的相對(duì)動(dòng)彈性模量結(jié)果。

圖3 石粉含量對(duì)C25、C30機(jī)制砂混凝土質(zhì)量變化率影響

圖4 石粉含量對(duì)C25、C30機(jī)制砂混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量影響

兩組不同強(qiáng)度的混凝土試驗(yàn)結(jié)果均反映了混凝土抗凍性能受石粉含量的影響規(guī)律，且表現(xiàn)出相近的趨勢(shì)，即C25和C30混凝土的石粉含量在0～12%范圍內(nèi)增加時(shí)，質(zhì)量變化率和相對(duì)動(dòng)彈性模量均沒有表現(xiàn)出顯著差別，這說明了兩種混凝土抗凍性能均沒有受到石粉含量變化的影響。

比較C25和C30混凝土的質(zhì)量變化率結(jié)果（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，兩組強(qiáng)度不同的混凝土間存在有一定差距，前者基本維持在1.2%，后者基本維持在0.8%，表明較高強(qiáng)度混凝土抗凍性能是好于低強(qiáng)度混凝土的抗凍性能。比較C25和C30混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量結(jié)果（圖4）可以得到同樣的結(jié)論。這是因?yàn)槭劬哂刑畛湫?yīng)，其細(xì)度的減小能夠增強(qiáng)混凝土密實(shí)性和抗氯離子滲透性，但影響抗凍性的關(guān)鍵因素是水灰比和含氣量，導(dǎo)致細(xì)度的減小不足以對(duì)抗凍性產(chǎn)生明顯的改善作用。相反，不具有膠結(jié)性能的惰性石粉降低了水泥在粉料中的比例，產(chǎn)生“稀釋效應(yīng)”而導(dǎo)致沒有足夠的水泥漿體來包裹所有礦料，使得水泥漿體在凍融中更容易剝落和產(chǎn)生裂紋。C30機(jī)制砂混凝土體系的水膠比低、膠材用量高，石粉的填充效應(yīng)和稀釋效應(yīng)均不明顯，所以其抗凍性能更好。

進(jìn)一步對(duì)抗凍性能兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較分析還可以發(fā)現(xiàn)，C25、C30兩組混凝土經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率均遠(yuǎn)小于規(guī)范5%的限制；但從相對(duì)動(dòng)彈性模量指標(biāo)來看，C25混凝土經(jīng)過200次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量在55%左右，已處于規(guī)范要求60%的限值以下，即使是抗凍性能較好的C30混凝土的抗凍性能也有很大損失。可見，質(zhì)量變化率5%的限值要求其實(shí)是較寬松的。

3 結(jié)論

本文依托于C25、C30兩種機(jī)制砂水泥混凝土，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土耐久性的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）從抗氯離子滲透性能角度出發(fā)，機(jī)制砂中石粉含量越高越好，從抗凍性能角度出發(fā)，石粉含量影響作用不明顯，考慮耐久性建議石粉含量高于6%，但工程中需結(jié)合強(qiáng)度、工作性和體積安定性等要求確定石粉含量的上限。

（2）相比質(zhì)量損失率，相對(duì)動(dòng)彈性模量指標(biāo)更適合用于評(píng)價(jià)機(jī)制砂混凝土抗凍性能。

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