機制砂石粉含量對高標號混凝土性能的影響

李殿勤

(山西路橋第二工程有限公司，臨汾 041000)

隨著我國經濟的迅猛發展，高標號混凝土作為高速公路橋梁結構主體材料使用量越來越大，其中占混凝土體積70%以上的砂石集料要開山采礦，挖掘河床。而天然砂是短時期內不可再生資源的一種地方性材料。同時，國家對環境保護的要求，直接導致天然砂的資源短缺、供不應求，品質也參差不齊，為工程建設質量與效率帶來了不利影響。我國有著豐富的機制砂資源，取材簡單，成本不高，可以保持有較為穩定的質量，這種材料在配制混凝土時極其適用。

機制砂是機械破碎而成的，與天然砂相比，它有自身顯著的特點，會對混凝土性能造成一定的影響。因為顆粒表面比較粗糙，棱角較多，同時石粉占有很大比例，通常來說，機制砂含有一定石粉對混凝土來說是比較有利的，能夠解決混凝土和易性不好的問題，且石粉能夠讓混凝土內細粉料級配得以改善，促使混凝土各項性能得到提升。然而如果石粉含量過大，將為混凝土強度、收縮性及抗滲性等方面帶來不利影響。

該文從公路橋梁工程設計與機制砂質量等方面入手，對各種石粉含量不一樣的機制砂作出了混凝土試驗研究，并對比了天然河砂混凝土性能，對機制砂內石粉含量為混凝土性能帶來的影響進行了分析。

1 原材料及配合比

1.1 原材料

1)水泥：金隅牌P O42.5普通硅酸鹽水泥，表1、表2分別為主要化學構成和物理性能[1]。

2)碎石：選用5～25 mm連續顆粒級配碎石，表3為主要性能指標。

3)機制砂：選擇不同石粉含量的機制砂，分別使用石粉含量為3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%的機制砂配制混凝土，進行相關性能試驗研究[2]。

表1 水泥的化學成分

表2 水泥的物理力學性能

表3 碎石的物理性能

1.2 配合比

根據公路橋梁工程的結構特點，該研究選擇公路橋梁工程主體結構部位的箱梁為研究對象，對應強度等級為C50，配合比選擇目前工程用常規配合比，詳見表4。

表4 配合比

2 試驗研究

對橋梁工程結構設計來說，應該注重適用、安全、經濟和美觀，箱梁在橋梁結構中是承受外部荷載、向下部傳輸跨中載荷及體現橋梁結構美觀的關鍵部件，且長時間承載與裸露于外部環境。箱梁主體主要使用材料為混凝土，除了要保證強度達到設計規定以外，也需要提升結構的耐久性，同時混凝土的抗滲性、抗凍融性和抗裂性也極為重要。重點研究不同石粉含量機制砂對C50箱梁混凝土強度、耐久性指標的影響。

2.1 石粉含量對C50混凝土強度影響

1～4周齡期標準養護條件下，石粉含量不一樣的混合砂配制的C50箱梁混凝土的立方體抗壓強度情況如表5所示。

表5 石粉含量對C50混凝土強度影響

由表5可知：

1)石粉含量為6%時混凝土各齡期的強度與天然河砂混凝土相比，其有了大幅度提升，石粉含量達到9%后，混凝土強度和天然砂混凝土相同。

2)石粉含量達到3%后，各齡期的混凝土強度有了很大降低。

3)石粉含量超過9%的情況，在石粉含量提升的過程中，混凝土強度將開始逐步降低。

分析認為：高標號C50水泥混凝土，石粉含量較多，那么于混凝土內會發揮出惰性的作用，讓水泥活性受到影響，從而導致混凝土強度降低。當石粉含量處于5%～8%范圍后，混凝土強度將逐步提升，通過分析可知多余石粉顆粒在混凝土內發揮著微細填料的作用，讓水泥顆粒與細集料顆粒縫隙被填充，這樣混凝土密實性將得到提升，強度也隨之增加。在石粉含量進一步提升以后，過多的石粉含量在混凝土中起到了惰性作用，強度開始出現快速降低，石粉較多，不利于混凝土粗集料骨架作用的發揮[3,4]。

2.2 石粉含量對C50混凝土收縮性能影響

水泥混凝土中化學反應、濕度、溫度變化等因素所引起的體積縮小，稱為水泥混凝土的收縮。對機制砂中石粉含量對混凝土收縮性能的影響進行了相關試驗與分析，機制砂石粉含量對混凝土收縮性能的影響如表6所示。

表6 石粉含量對混凝土收縮性能的影響

由表6可知：在石粉含量提升以后，會讓混凝土和易性得到增強，通過對石粉含量的有效控制，將讓混凝土力學性能得到提升，但是在石粉含量提升以后，其收縮率也將得到提升。在石粉含量從12%逐步提升至21%以后，收縮率的提升幅度將顯著增加。分析其原因可知，75 μm以下的石粉顆粒隨著混凝土進行拌合，水泥漿的含量將獲得提升，尤其是水泥漿增多以后，混凝土干縮率也會越來越大。

2.3 石粉含量對C50混凝土抗滲性能影響

水泥混凝土是通過水泥水化固化膠結砂石骨料，會產生氣、液、固三相同時存在的多孔性非勻質材料，其透水性較強，很多因素都會對水泥混凝土滲透性帶來影響。其中對內因來說，即混凝土自身材料構成與結構特點，而外因為混凝土面臨的環境。為了讓混凝土抗滲性得到提升，要增強混凝土的致密性，最大限度減少原生裂縫，同時讓混凝土硬化以后，讓其體積保持更加穩定。不同石粉含量對C50混凝土抗滲性能的影響見表7。

表7 石粉含量對C50混凝土抗滲性能的影響

由表7可知：機制砂中石粉含量給混凝土抗滲性帶來的影響較大。分析其原因可知混凝土內石粉含量提升以后，石粉顆粒會在膠凝材料與細骨料空隙內進行充填，于混凝土內發揮出填充效應，讓孔結構得到優化，這樣過渡孔與膠凝孔的數量會增強，而混凝土空隙率則會變小。此外，混凝土內石粉含量較多，則能夠體現出吸水效應，使讓混凝土水灰比降低，并有效增強了抗滲性能。

2.4 石粉含量對C50混凝土抗凍性能影響

在-15～-20 ℃、15～20 ℃等溫度條件下，石粉通過200次凍融循環，最終得出如表8所示的質量和強度損失結果。

表8 石粉含量對C50混凝土抗凍性能影響

由表8可知：

1)當石粉含量在0～9%的范圍內時，對混凝土抗凍性能的提升有一定的促進作用，可以顯著減少質量與強度等方面的損失，當石粉含量在9%以上后，混凝土在質量與強度等方面的損失將逐步提升。

2)當石粉含量超過15%時，在強度與質量等方面的損失上，機制砂混凝土要高于天然河砂混凝土，在石粉含量進一步提高以后，抗凍性會越來越低。

3)在石粉含量處于9%后，混凝土抗凍性能最高，與天然河砂混凝土相比，質量損失減少了22%，而強度則減少了24%。

分析原因可知，在石粉顆粒提升以后，混凝土細小顆粒級配出現了變化。石粉顆粒在混凝土內發揮著填充料功能，會對水泥顆粒與細集料顆粒縫隙進行填充，讓混凝土內粗大孔和毛細孔等變少，而膠凝孔和過渡孔等細小孔將變多。這樣會讓孔內游離水變少，對結冰過程中體積變大造成了阻礙，所以混凝土抗凍性能會變大。不過在石粉含量提升以后，抗凍性減少因素還應該繼續探討。

2.5 石粉含量對C50混凝土工作性能影響

按照C50混凝土試配強度確定的水灰比為0.43，同時讓其固定，由水灰比與碎石直徑得出砂率是28%，然后對機制砂內石粉含量作出調整，將各種石粉含量下機制砂混凝土坍落度測出來。試驗發現，在石粉含量提升以后，機制砂混凝土坍落度先開始提升，達到一定程度后將會下降，離析泌水狀況也會得到優化。在石粉含量不超過7%的情況下，有一定離析現象，其中3%的條件下泌水最為嚴重，而機制砂混凝土流動性最好，而保水性能不好。在石粉含量為7%～13%的情況下，機制砂混凝土黏稠度剛好合適，保水性能有了大幅度提升，工作性能也達到最佳狀態。在石粉含量超過13%以后，此時離析現象已經很難發現，坍落度基本上等于零，出現了嚴重的泌水狀況，這個時候機制砂混凝土比較黏稠，也缺乏良好的黏聚性。整體上看，在石粉含量增加以后，機制砂混凝土內細微顆粒將越來越多，表面積也會增強，這樣會提升混凝土集料和水的接觸面積，從而讓混凝土和易性得到提升。但是在石粉含量提升到某個值以后，混凝土對數量的需求也會增加，混凝土越來越粘稠，工作性能也隨之降低[5]。

3 機制砂的生產工藝

采用10～20 mm石灰巖碎石加工生產機制砂，石粉含量一般在10%以內，去除多余的石粉是關鍵技術之一，一般采用高效雙轉子選粉設備進行粗細粉分離和除塵，此外，配制混凝土機制砂細度模數通常在2.6～3.5范圍內，應對振動篩角度和篩孔尺寸作出適當調整；各級累積篩余最好符合II類機制砂級配范圍要求。

4 結 論

綜上所述，將機制砂水泥混凝土內石粉含量控制好，可以提升其力學性能，能夠比天然河砂水泥混凝土性能更加優異。這主要是因為：第一，機制砂中石粉占據了一定比例，能夠解決天然河砂內細粒含量不足的問題，讓混凝土骨架中空隙得到填補，這樣能夠實現水泥混凝土內空隙率的降低。第二，機制砂內石粉會促使砂漿中保水性提升，降低泌水，這樣避免自由水匯集到界面上，從而能夠讓漿—集料獲得優化。第三，機制砂內石粉可以于水泥水化反應起晶核的作用，讓水泥水化得以加速，讓水泥水化反應順利進行，最終產生水化碳鋁酸鈣，避免鈣礬石轉變為單硫型的水化硫鋁酸鈣。經過試驗以及在施工中的應用，把石粉含量控制在12%以下最為合理。