花崗巖機制砂石粉含量對混凝土性能的影響*

李 林 張學峰 徐 斌 李 龍 李北星

(1.江西省交通工程集團有限公司 南昌 330000; 2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

天然砂資源的日趨匱乏，我國混凝土用機制砂逐步替代河砂是大勢所趨[1]。機制砂是由巖石經機械破碎、篩分制成，其區別于天然砂最顯著特點是其破碎生產中會產生15%～20%的粒徑小于75μm的石粉[2]。正因如此，國內外學者針對石粉含量對新拌機制砂混凝土工作性、外加劑效能和硬化混凝土力學性能、體積穩定性和耐久性影響進行了大量研究[3-5]，但不同研究者所得出的機制砂最佳石粉含量或提出的石粉含量限值并不一致，甚至存在爭議。鑒于機制砂中的石粉，尤其是石粉中有黏土存在時，會對機制砂混凝土的某一性能或綜合性能產生顯著影響，機制砂相關標準均對石粉含量進行了限定。對于機制砂石粉含量限值，不同國家的標準規定存在較大差異，如印、英、澳和歐盟等國家及地區容許機制砂中石粉含量有更高的限值，而中、日、美等國的標準規定限值較低。我國不同行業或地方標準的規定也不盡相同。許多研究表明[6-8]，機制砂中不含黏土的石粉是無害甚至是有益的，使用高石粉含量(10%～15%)機制砂也可以配制優質混凝土。因此，目前尚無一個廣泛認可或可接受的最佳石粉含量，造成石粉含量限值存在爭議或分歧的根本原因是不同的研究者采用的機制砂或石粉品質不一樣，包括機制砂母巖巖性、級配或粒形，石粉中的有害性黏土含量或石粉吸附性、石粉的活性或細度等。因此，針對不同地區、不同工程用的機制砂，其最佳石粉含量需要結合該地區母巖所加工的機制砂特性和工程用混凝土通過具體試驗研究確定。

浙江景寧至文成高速公路第JWTJ-02標段位于浙江省景寧縣內山嶺重丘區，周邊碎石和天然河砂資源匱乏，但工程建設中隧道開挖又產生大量花崗巖洞渣。按照“因地制宜、就地取材”的原則，該標段C20～C50所有混凝土均采用隧道洞渣加工的機制砂和碎石集料配制。鑒于目前工程建設中常用的機制砂多為石灰巖，對花崗巖機制砂的研究與應用較少[9]。本文以隧道洞渣自制的花崗巖機制砂石為集料配制C20～C50混凝土，著重研究花崗巖機制砂石粉含量對不同強度等級混凝土的工作性能、強度和抗氯離子滲透性能的影響，以獲得該花崗巖機制砂混凝土適宜的石粉含量。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1) 水泥。采用衢州南方水泥有限公司生產的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標見表1。

表1 水泥的主要性能指標

2) 粉煤灰。采用浙江海科工程材料有限公司生產的F類II級粉煤灰，其主要性能指標表見表2。

表2 粉煤灰的主要性能指標

3) 碎石。由景文高速公路二標隧道開挖的花崗巖洞渣自加工所得。工藝流程為：洞渣塊石→帶篩形條振動給料機→鄂破→圓錐破→整形機→篩分→級配碎石。試驗用碎石分為3個粒級：4.75～9.5 mm(小石)、9.5～19 mm(中石)和16～31.5 mm(大石)，三級配合成質量比為：小石∶中石∶大石=2∶4∶4，用于C50以下混凝土配制；二級配合成質量比為：小石∶中石=2∶8，用于C50混凝土配制；3種粒級碎石主要技術指標表見表3。

表3 碎石的主要性能指標

由表3可見，該花崗巖洞渣碎石符合JTG/T 3650-2020《公路橋涵施工技術規范》II類碎石規定。

4) 機制砂。由100 t/h樓式機制砂生產線自加工所得，其中制砂機為石打石立軸沖擊式破碎制砂機，入機原料為上述9.5～19 mm花崗巖碎石。試驗用機制砂的級配曲線圖見圖1，其主要技術指標表見表4。

圖1 機制砂級配曲線

表4 機制砂主要性能指標

由圖1和表4可見，該機制砂屬于2區級配，各項指標均符合JTG/T 3650-2020《公路橋涵施工技術規范》II類砂規定。

5) 石粉。來源于制砂系統廢石粉處理系統，為除塵器回收的石粉。石粉的主要化學組成見表5，實測比表面積為326.3 m2/kg。按T/CECS 645-2019《石粉在混凝土中應用技術規程》對石粉進行檢驗，主要性能指標見表6。

表5 石粉的化學組成

表6 石粉的主要性能指標

6) 外加劑。采用江西某公司生產的TS-HPC緩凝型聚羧酸高性能減水劑，其含固量為16.5%，減水率為27%。

1.2 試驗方法

混凝土坍落度、擴展度按GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行試驗；抗壓強度按GB/T 50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行試驗，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm；抗氯離子滲透性能按GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的電通量法進行測試，試件直徑為(100±1) mm、高度為(50±2) mm，養護齡期為56 d。

1.3 試驗方案及配合比

選用在高速公路工程建設中常用的C20、C25、C30、C40、C50 5個強度等級混凝土進行試驗，對應水膠比為0.58，0.51，0.44，0.38，0.32。機制砂石粉含量設定為5%，7%，10%，14%，通過將石粉與原狀機制砂進行復配制得。經過試拌調整后的機制砂混凝土配合比見表7。

表7 機制砂混凝土配合比及工作性能

為了凸顯機制砂中石粉含量變化對混凝土性能的影響，試驗采用單因素變量法，同一強度等級機制砂混凝土配合比中膠凝材料用量及粉煤灰摻量、單方用水量和砂率等配合比參數均不變，而石粉含量增加引起的混凝土流動性變化通過外加劑用量的調整，以使所有混凝土流動性基本保持一致，即坍落度達到200～220 mm，擴展度達到500～530 mm。

2 結果與分析

2.1 石粉含量對混凝土工作性的影響

由表7可以看出，在5%～7%的石粉含量范圍內，混凝土達到相同或相近的坍落度和擴展度所需要的減水劑用量保持不變；在7%～14%的石粉含量范圍內，隨著石粉含量的增加，混凝土達到相同或相近的坍落度和擴展度所需要的減水劑用量也逐漸增多，對于C20、C25、C30、C40混凝土，石粉含量14%較石粉含量7%機制砂配制的混凝土其減水劑摻量提高了0.2%，對于C50混凝土，石粉含量14%較石粉含量7%機制砂配制的混凝土其減水劑摻量提高了0.15%。

在機制砂混凝土中，石粉含量從5%提高到7%，并未降低混凝土的工作性，其原因主要有：①石粉的細度與水泥的細度相差不大，此時石粉彌補了機制砂混凝土中膠凝材料不足的缺點，這點在低強度混凝土中作用更加明顯；②機制砂表面較為粗糙，而石粉在混凝土中形成粉體漿體可以起到潤滑作用，有利于減少機制砂與粗集料之間的摩擦，改善機制砂混凝土拌合物的和易性；③石粉填充于骨料搭接產生的空隙中，將混凝土體系中原本起填充作用的填充水置換出來成為自由水，自由水增加，拌合物漿體的流動性能變大[10]。上述是石粉的正作用，然而，隨著機制砂中石粉含量的提高，導致包裹其所需的用水量愈多，同時，石粉對減水劑存在一定的吸附作用[11]，這是石粉的副作用。當正作用大于副作用時，宏觀上混凝土的工作性有所提升，反之，則需要額外加入更多減水劑來達到相同的工作性。

2.2 石粉含量對混凝土抗壓強度的影響

石粉含量對C20～C50機制砂混凝土的7 d抗壓強度和28 d抗壓強度的影響結果見圖2。

圖2 機制砂石粉含量對不同強度等級混凝土7 d和28 d抗壓強度的影響

由圖2可見，隨著石粉含量的增加，C20、C25、C30混凝土的7 d和28 d抗壓強度均呈現增大的趨勢，7 d時其石粉含量為14%較石粉含量為5%的抗壓強度分別提高了14.3%，12.5%，10.1%，28d時其石粉含量為14%較石粉含量為5%的抗壓強度分別提高了10.6%，11.6%，12.4%；C40、C50混凝土的7 d和28 d抗壓強度則隨著石粉含量的增加而呈現先增大后減小的趨勢，且在石粉含量為10%時達到最大值，7 d時C40、C50混凝土抗壓強度的最大值分別為45.9，55.2 MPa，較石粉含量為5%時分別提高了16.8%，11.3%，28 d時C40、C50混凝土抗壓強度的最大值分別為53.8，66.2 MPa，較石粉含量為5%時分別提高了10.2%，8.9%。

在機制砂混凝土中，石粉對混凝土強度的影響主要有：①合理的摻量可以加速水泥水化的作用，有利于混凝土早期強度的改進；②石粉通過微集料填充效應來填補混凝土中的有害空隙，使混凝土更加密實，強度增加[12]，因此，C20～C50混凝土在石粉含量為5%～10%時，隨著石粉含量的增加其抗壓強度增大。但當混凝土強度等級較高時，混凝土體系中膠凝材料較多，為提高其強度，已將體系中膠凝材料進行了充分設計，使混凝土具有良好的密實堆積結構，此時過量石粉的引入會破壞這種密實堆積結構，使混凝土強度降低[13]，所以C40、C50混凝土在石粉含量為10%～14%時，隨著石粉含量的增加其抗壓強度降低。

2.3 石粉含量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

石粉含量對C20～C50機制砂混凝土56 d電通量影響的試驗結果見圖3。電通量用于評價混凝土抵抗水、腐蝕離子等介質向內滲透的能力，一定程度上反映了混凝土密實性的高低。圖3結果表明，混凝土強度等級越高，電通量越低，混凝土密實性越高，抗滲透能力越強。隨著機制砂石粉含量的增加，C20、C25、C30混凝土的電通量逐步減小，分別從石粉含量為5%時的3 096，2 516，1 980減少到石粉含量為14%時的2 686，2 186，1 702；而C40、C50混凝土的電通量呈先減小后增大趨勢，當石粉含量為10%時，混凝土電通量最小，分別為1 186，780 C。可見，對于膠凝材料用量較低的C20～C30混凝土，機制砂中石粉含量的增大，增強了混凝土的抗滲透性，而對于膠凝材料用量較高的C40～C50混凝土，石粉含量不宜過高，本試驗最佳值為10%。

圖3 機制砂石粉含量對不同強度等級混凝土56 d電通量影響

究其原因，主要是石粉通過微集料填充效應來填補混凝土中的有害空隙，使混凝土更加密實，從而阻塞氯離子擴散通道，其電通量降低，抗氯離子滲透能力增強；但對于C40、C50混凝土而言，混凝土中膠凝材料用量較高，水膠比較低，混凝土本身具有良好的密實堆積結構，此時過量石粉的加入，則在一定程度上破壞了這種堆積效果，降低混凝土的密實性，導致混凝土的電通量提高，抗氯離子滲透能力減弱。

3 結論

1) 機制砂石粉含量在5%～7%的范圍內，石粉含量的增加對C20～C50混凝土的工作性能沒有明顯影響；當石粉含量在7%～14%的范圍內，隨著石粉含量的增加，C20～C50混凝土達到相同工作性所需減水劑摻量增加。

2) 機制砂石粉含量對混凝土強度有顯著影響。在石粉含量為5%～14%的范圍內，C20、C25、C30混凝土的7 d和28 d抗壓強度隨著石粉含量的增加隨之增大，而C40、C50混凝土的7 d和28 d抗壓強度則隨著石粉含量的增加呈現先增大后減小的趨勢，當石粉含量為10%時強度達到最大值。

3) 混凝土強度等級越高，電通量越低，抗氯離子滲透能力越強。相同強度等級的混凝土，電通量隨機制砂石粉含量的增加而變化，在石粉含量為5%～14%的范圍內，隨石粉含量增加，C20、C25、C30混凝土的電通量逐步減小，而C40、C50混凝土的電通量呈先減小后增大趨勢，且當石粉含量為10%時，混凝土電通量最小。

4) 綜合考量石粉含量對C20～C50混凝土各項性能的影響，在景文高速公路二標建設中，C20、C25、C30機制砂混凝土中適宜石粉含量為10%～14%，而C40、C50混凝土為10%。