機制砂中石粉含量對混凝土性能的影響

鄧文明

（中鐵二局第三工程有限公司， 四川 成都 610083）

0 前言

根據GB/T14684—2011《建筑用砂》要求，機制砂是指經過處理，由機械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75mm的巖石、礦山尾礦或工業廢渣顆粒，但不包括軟質、風華的顆粒。石粉含量是指機制砂中粒徑小于75μm的顆粒含量。在缺乏河砂的地區，機制砂可替代河砂作為混凝土的細骨料。近幾年來，混凝土施工均采用機制砂作為細骨料，積累了不少的成功經驗。

1 機制砂的性能

1.1 生產特點

機制砂多取材自當地材料，另外有一部分是利用生產粗骨料的剩余料為原料的，釆取專用設備進行機制砂生產，根據工程的進展情況，采用人為的手段對機制砂的質量進行控制，保持其穩定性，也就是說要保持工程所使用的機制砂的粒型、細度模數和級配的穩定。這也正式機制砂與天然砂的本質的區別。

1.2 外觀特征

機制砂的顏色多數都是灰白色或者黑色的，顆粒有尖銳的棱角，如果采取干法生產的機制砂，石粉含量達到百分之十左右，從外觀上就與石粉幾乎一模一樣。

1.3 石粉含量

在生產機制砂的過程中，石粉是肯定會產生的，只是根據生產工藝的不同，產生的量可多可少。石粉在機制砂中的存在有利于混凝土的各項性能的發揮。能夠完善混凝土細骨料的級配、提高混凝土的密實性都有益處。

1.4 細度模數

根據細度模數的可以對機制砂進行劃分，目前生產的機制砂細度模數多數都處在3.0到3.7之間。屬于中粗砂，石粉含量也處于中等。在機制砂中，石粉含量和細度模數之間是呈反比關系的。

1.5 顆粒形狀

機制砂是通過機械破碎成型的，所以會呈現為有棱角的粗糙小顆粒的形態，并且多數顆粒都是方矩體或者三角體，這樣的形態降低了混凝土的和易性，但是有利于水泥和骨料的粘結。石粉的存在，彌補了機制砂對混凝土的和易性造成的影響，避免了強度等級低的混凝土在使用的過程中發生泌水的概率。

2 機制砂中石粉含量對混凝土性能的影響

2.1 原材料性質

1.1 水泥

選用湖南韶峰水泥廠生產的韶峰P·O42.5級水泥，密度為3.14g/cm3，比表面積為340m2/kg，標準稠度用水量27.1%，初凝時間為135min，終凝時間為200min，安定性合格，3d抗折強度7.3MPa，28d抗折強度9.6MPa，3d抗壓強度27.6MPa，28天抗壓強度49.6MPa。

1.2 細骨料

石灰巖機制砂，細度模數為3.1，石粉含量為4.3%，表觀密度為2690kg/m3；河砂細度模數為2.8，表觀密度為2690kg/m3，孔隙率為41.6%，含泥量為0.5%。

1.3 粗骨料

選用5～25mm連續級配石灰巖碎石，壓碎指標為7.4%，針片狀顆粒含量為4%，孔隙率44%，含泥量為0.6%。

1.4 外加劑

采用江蘇博特新材料有限公司生產的聚羧酸高效減水劑，減水率為 25%，含氣量1.9%。

1.5 石粉

石灰巖石粉，粒徑小于0.075mm。

2.2 試驗方法

2.1 混凝土拌合物性能試驗

按GB50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行。

2.2 混凝土力學性能試驗

按GB50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。混凝土試件采用150mmx150mmx150mm立方體標準試件。

2.3 混凝土耐久性能試驗

按GB50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。

2.3 機制砂中石粉含量對混凝土工作性能的影響

混凝土拌合物的工作性能主要分為三種，分別是流動性、粘聚性和保水性等。混凝土拌合物的工作性是很重要的，它是保證混凝土澆筑質量的關鍵。

本文采用了設計強度等級為C30的7個不同石粉含量機制砂以及天然砂對混凝土拌合物泌水率的影響。

表3.1 石粉含量對混凝土工作性能的影響

從以上表格可以看出，在混凝土中配入天然砂能夠達到較好的性能，坍落度較大，泌水率較小，粘聚性較好，輕微離析。但對于在水泥、水、骨料及外加劑用量相同的情況下使用機制砂，隨著石粉含量的增加，混凝土拌合物的粘聚性逐步改善，坍落度有所提高，離析泌水現象得到顯著的改善。

2.4 機制砂中石粉含量對混凝土力學性能的影響

混凝土是一種結構材料，其所具有的性能當中非常重要的一種就是力學性能，這也是在配制混凝土時所需要遵守的依據。在眾多因素當中，除了礦物摻合料的使用量和水膠比能夠對其力學性能造成影響以外，粗骨料的顆粒大小、砂漿等等以及水泥石和骨料的界面特性都能夠對其性能造成影響。

表2.4.1混凝土力學性能受到石粉含量的影響

2.4.1 機制砂中石粉含量對混凝土抗壓強度的影響

混凝土性能中最重要的參數之一就是混凝土的抗壓強度。表4.1中混凝土抗壓強度的結果表明，石粉含量在20%以下的C30混凝土，混凝土的強度與石粉含量之間是正比關系，石粉含量越高，混凝土的強度越高，混凝土的理想石粉含量約在10%到15%之間，石粉含量大于15%時，混凝土的強度隨著石粉含量的增加而降低。

在機制砂混凝土中，石粉主要從三方面對混凝土強度造成了影響：1、石粉能夠依靠其細度較小的優勢填充混凝土的微骨料；2、石粉經過水化，能夠產生化學反應，和水泥當中的C3A和C4AF生成能夠與其他水化產物相互填充，彼此包裹的水化碳鋁酸鈣，這樣的結合可以起到進一步緊實水泥石結構的作用，讓混凝土的強度有所提高；3、石粉含量增加到一個極限值時，石粉的存在會破壞混凝土中最密實的堆積結構，使混凝土的強度降低。

2.4.2 機制砂中石粉含量對混凝土抗折強度的影響

從表4.1中對混凝土的抗折強度進行分析的結果表明，當混凝土的石粉含量小于10%時，混凝土的抗折強度隨著石粉含量的增加而升高，當石粉含量大于10%，抗折強度隨著石粉含量的增加而降低，混凝土的最佳石粉含量明顯在于 10%到15%之間。同時，混凝土的脆性系數也會受到石粉含量增加的影響，這種影響是會隨著含量的增加而發生變化，而達到最佳的狀態時石粉含量在百分之七到百分之十之間。在這之前其脆性系數是處于增加的趨勢，而當達到這個最佳值后就開始隨著石粉含量的增加而呈現減小的趨勢，這種轉折變化跟混凝土的保水性受到了石粉含量的影響有關；當石粉含量過高時，石粉在骨料界面的富集程度過大，使得混凝土中的膠結石與骨料的過渡區逐漸減小，使得混凝土的抗折強度開始呈現出降低的趨勢。

2.4.3 機制砂中石粉含量對混凝土劈裂抗拉強度的影響

表4.1中混凝土的劈裂抗拉強度試驗結果表明：對于C30強度等級的混凝土，隨著石粉含量的增加，逐漸提高了混凝土的劈裂抗拉強度。因為受到石粉含量的影響，使混凝土當中的骨料的級配得到了完善，豐富了混凝土的漿體含量，提高了混凝土的保水性，降低了混凝土中原有的自由水的含量，減少了富集于粗骨料表明的泌水概率，使混凝土界面過渡區的厚度降低了，所以導致了混凝土的劈裂抗拉強度有所提高的結果。

2.4.4 機制砂中石粉含量對混凝土抗壓彈性模量的影響

表2.4.1中混凝土的抗壓彈性模量試驗結果表明：隨著石粉含量的增加，混凝土的抗壓彈性模量出現先增加后降低的現象，石粉含量在3%到5%之間時，混凝土的抗壓彈性模量最大。

石粉對于混凝土抗壓彈性模量影響主要存在于兩個方面：1.機制砂所含的石粉完善了混凝土骨料的級配，提高了混凝土的保水性，起到了降低混凝土界面效應的作用，有利于提高混凝土的抗壓彈性模量；2.石粉在混凝土中也起到了一種惰性填料的作用，豐富了混凝土的漿體含量，降低了混凝土的骨漿比，從而降低了混凝土的抗壓彈性模量。

2.4.5 機制砂中石粉含量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

可以通過混凝土的抗氯離子滲透性能來對混凝土密實性進行評估。從表2.4.2的試驗結果可知，在C30強度等級的混凝土中，混凝土的抗氯離子滲透系數隨著石粉含量的增加先是逐漸增大，當石粉含量大于7%時，混凝土的抗氯離子滲透系數迅速降低。

表2.4.2 石粉含量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

3 結論

本文結合機制砂混凝土試驗，系統的對機制砂中石粉含量的變化對于混凝土的拌合物性能、力學性能以及耐久性能等方面造成的影響做出了分析和研究。

1.當機制砂中的十分含量保持在一個適當的范圍內時是能夠完善機制砂的級配的，同時也能夠對摻入石粉后的混凝土性能加以彌補，讓其內部的結構更加優化，在攪拌混凝土的過程中，由于事前摻入的高效減水劑的作用，水泥和石粉顆粒被分散開來，在礦物摻合料和水泥之間會存在一定的空隙，石粉顆粒能夠填充在空隙當中，讓混凝土的整體結構密度更大，同時由于空隙被填充，也降低了用水量。所以，能夠達到保持混凝土原需要的流變性能不變的同時還能夠減少混凝土當中加入的水的量，這樣在混凝土硬化后結構可以更加密實，建筑體更加的牢固，有利于提高混凝土的坍落度、改善混凝土的泌水性能，對于C30強度等級的混凝土，應該將機制砂中石粉含量控制在百分之十到百分之十五之間，這樣能夠達到最為完美的狀態；

2.大體積混凝土的澆筑的牢固性對溫度和濕度有著特定的要求，不可隨意變化，否則會造成混凝土內外溫差較大，對混凝土澆筑體的結構產生不利的影響。混凝土在澆筑后開裂的主要原因是也是溫度不穩定，造成混凝土內部在凝結過程中無法達到均勻穩定的狀態造成的。在混凝土中機制砂含有適當的石粉可以起到填充作用，由于摻入石粉后用水量減少了，所以混凝土的強度也提高了，不需要再摻入大量的水泥，減少了水化溫升的概率。也就使混凝土澆筑的結構狀態更加穩定。

3.與通常所用的礦物摻合料不同，石粉基本不具有火山灰活性，但具有極細的細度，表面能較大，在機械攪拌和高效減水劑共同作用下被分散到水泥和礦物摻合料之間，改善了顆粒堆積效率，提高了混凝土的早起強度。

4.有利于提高混凝土的抗壓、抗折、劈裂抗拉強度。但對于有抗壓彈性模量要求的混凝土，試驗證明機制砂不是理想的細骨料。對于C30強度等級的混凝土，應該將機制砂中石粉含量控制在百分之十到百分之十五之間；

5.混凝土的抗氯離子滲透性能隨著石粉含量的增加而增加。