石粉對機制砂砂漿干縮性能的影響

付二全，路竣杰，任中杰，王稷良

(1.內蒙古高等級公路建設開發有限責任公司，呼和浩特 010020;2.交通運輸部公路科學研究所，北京 100088)

隨著河砂資源量減少，機制砂被越發廣泛地應用到建筑領域。機制砂通常是由巖石通過機械破碎而制成，相較于河砂，機制砂外表為多棱角結構，顆粒圓粒度極差。同時，在機制砂生產過程中會產生大量石粉。國標《建筑用砂》(GB 14684—2011)中規定機制砂中石粉含量應不大于10%。機制砂中的石粉會改變砂漿或混凝土中漿體體積，從而影響砂漿或混凝土的體積穩定性，進而對砂漿或混凝土的耐久性產生影響。范德科[1]等研究發現機制砂混凝土14 d齡期以前收縮比河砂大，后期收縮兩者相差不大，機制砂收縮甚至更低。鄭怡[2]等研究表明機制砂配制的混凝土徐變及干縮均高于天然砂混凝土。李銀斌[3]等發現機制砂混凝土抗裂性能不如天然砂混凝土并且隨著強度等級的提高機制砂混凝土抗開裂性能也隨之提高。Shanmugavadivu[4]等以機制砂取代天然砂作為細骨料配制混凝土，發現機制砂中含有石粉填充了骨料之間的空隙使配制的混凝土更加密實，從而使混凝土的耐久性得到提高，但隨著機制砂的逐步取代，石粉含量的增多導致混凝土的強度逐漸降低及干縮的增大。王稷良[5]等研究了機制砂以及河砂對高強混凝土性能的影響，發現當石粉含量﹤7%時機制砂混凝土的彈性模量接近天然河砂配制的混凝土，含石粉的機制砂混凝土的前期(≤7 d)的干縮比河砂混凝土大，后期與河砂混凝土干縮基本無差別，7%石粉含量的機制砂混凝土的徐變以及徐變系數與天然河砂混凝土最為接近。Joudi-Bahri[6]發現在不加入任何減水劑的情況下，在配制石灰石機制砂混凝土中加入100～130 kg/m3的石灰石粉能夠提高拌合物的密度以及力學性能，減少混凝土的泌水且對工作性以及收縮并不產生影響。Li[7]發現在石粉的摻量不超過20%時，混凝土動態彈性模量最大降幅僅為2.9%，石粉的加入可以減少混凝土14 d前的干縮，當摻量超過30%混凝土的長期收縮增大。

綜上所述，石粉對機制砂砂漿或混凝土體積穩定性的影響還存在一定不確定性，為了更好地探究石粉含量對不同配合比機制砂砂漿干縮性能的影響規律，將測試不同配合比砂漿的干縮率及失水率，并對其機理進行分析。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥采用PO42.5普通硅酸鹽水泥，其化學組成及物理性能，分別見表1、表2。機制砂采用石灰巖機制砂，其性能指標見表3。石粉為石灰石粉。減水劑為高性能聚羧酸減水劑。水為純凈自來水。

表1 水泥化學組成

表2 水泥的物理性能

表3 機制砂的物理性能

1.2 方法

砂漿干縮性能，利用25 mm×25 mm×280 mm模具成型，試件成型后置于溫度為(20±3)℃，相對濕度為90%的養護室中，24 h后脫模。測量試件的初始長度及質量(l0、M0)，置于標準干燥條件下(溫度為(20±2)℃，相對濕度為(60±5)%)分別養護1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d后測量試件的長度及質量(lt、Mt)。分別按式(1)計算水泥砂漿在t齡期的干縮率(Lt)

(1)

式中，Lt為試件的干燥收縮率；l0為試件的初始長度；lt為不同養護齡期試件長度。試件長度通過比長儀測定，精確度為0.001 mm。

試件的干燥失水率按式(2)計算。

(2)

式中，Si為試件干燥失水率；M0為試件的初始質量；Mt為不同干燥齡期的試件質量。

2 結果與分析

2.1 石粉對砂漿干縮性能的影響

為了探究石粉對砂漿干縮性能的影響，在不同水灰比(0.4、0.5、0.6)和不同砂灰比(1∶1、1.5∶1、2∶1、2.5∶1、3∶1)時，進行了不同石粉含量(0、5%、10%、15%、20%)對上述性能影響的測試。

2.1.1 石粉對不同砂灰比砂漿干縮的影響

石粉對不同砂灰比砂漿干縮的影響，見圖1。砂漿水灰比為0.5，砂灰比的變化取1∶1、1.5∶1、2∶1、2.5∶1和3∶1。由圖1(a)可以看出，砂漿砂灰比為1∶1時，干縮隨石粉含量的增大而增大，當石粉含量為5%、10%、15%、20%時，砂漿90 d干縮率分別為0.141%、0.143%、0.146%、0.148%，均大于空白樣的0.139%。由圖1(b)可以看出，砂漿砂灰比為1.5∶1時，干縮隨石粉含量增多逐步增大，在各個齡期均表現顯著。由圖1(c)可以發現，砂漿砂灰比為2∶1，90 d干縮率在石粉含量為5%、10%時，分別為0.097%和0.091%，低于不含石粉時的0.098%，但降幅不大；石粉含量繼續增大，干縮增大。由圖1(d)可見，砂漿砂灰比為2.5∶1，石粉含量為5%時，90 d干縮為0.084%略低于不含石粉時的0.086%，隨后干縮逐步增大。圖1(e)中，砂漿砂灰比為3∶1，石粉含量對90d干縮影響不大，但依然呈現隨石粉含量增多而增大的規律。

可以發現，砂漿干縮整體表現為隨石粉含量增多而增大。一方面，石粉含量的增多導致單位體積內骨料量減少，漿體體積增多，漿骨比隨石粉含量增多而增大，進而干縮增大；另一方面，石粉由于自身較大的比表面積，在含量較少時能夠優化骨料的顆粒級配，但過多的石粉又吸附較多的游離水，導致需水量不足，拌合物中孔徑增大，干縮增大。

2.1.2 石粉對不同水灰比砂漿干縮的影響

由圖2(a)可以看出，砂漿在水灰比為0.4時，干縮率隨石粉含量增多呈現先減小后增加的趨勢。砂漿90 d干縮率在石粉含量為5%時為0.092%，低于石粉含量為0時的0.095%，石粉含量繼續增多，干縮率逐步增大且大于空白樣。由圖2(b)可以看出，砂漿在水灰比為0.5時，干縮率隨石粉含量增多也呈現先減小后增大的規律。砂漿90 d干縮率在石粉含量為5%、10%時，分別為0.097%、0.092%，較石粉含量為0時0.098%有所降低。石粉含量進一步增多，干縮率增大且高于不含石粉時，90 d干縮率在石粉含量為10%時最小。由圖2(c)中可以看出，砂漿在水灰比為0.6時，干縮率隨石粉含量增加同樣呈現出先減小后增大的變化趨勢。砂漿在石粉含量為5%、10%、15%時，90 d干縮率分別為0.130%、0.126%、0.129%，而石粉含量為0時為0.131%，石粉的引入使砂漿干縮率減小，石粉含量繼續增多，干縮率增大。

綜上，可以看出砂漿干縮整體隨石粉含量增多呈現先減小后增大的規律，這是由于石粉顆粒能有效優化砂漿中細骨料的顆粒級配，適量的石粉能夠提高砂漿拌合物的堆積密實度，填充砂漿空隙充分發揮“填充效應”，從而細化砂漿的孔徑尺寸，抑制收縮；可以看出在水灰比為0.4、0.5、0.6時，干縮率最低時石粉含量分別為5%、10%、10%，這也說明石粉對于砂漿收縮存在一個最佳含量。

2.2 配合比對砂漿干縮性能的影響

水灰比對砂漿干縮的影響如圖3所示。砂漿中石粉含量為5%，砂灰比為2∶1。可以看出，砂漿干縮整體隨水灰比增大而增大，且砂漿早期(≤14 d)干縮增幅較快，后期(>14 d)干縮繼續增大，但趨于平緩。水灰比為0.6時，砂漿在3 d時砂漿干縮率與其他兩組相差不大，7 d以后隨著齡期增長干縮明顯較0.4、0.5水灰比時要增長迅速。90 d時，砂漿水灰比為0.4，干縮率為0.092%；砂漿水灰比為0.5，干縮率為0.096%；砂漿水灰比為0.6，干縮率為0.130%。

不同水灰比砂漿失水率，如圖4所示。砂漿砂灰比為2∶1，石粉含量為5%。能夠看出，當砂灰比一定時，砂漿失水率隨水灰比增大而增大，在高水灰比時這一現象表現得更為明顯。原因是，在固定砂灰比時，水灰比增大導致單位體積用水量增多，水粉比增大，使得砂漿毛細孔含量增多，導致孔內水分增多從而使失水率進一步增大。

砂漿干縮隨水灰比增大而增大的原因，主要為兩個方面：一方面隨著水灰比增大，單位體積水泥水化用水量增加，從而造成水化物填充程度降低，砂漿中毛細孔含量增多且孔間連通性增強。而砂漿干縮主要由于毛細孔中水分蒸發引起的毛細孔應力從而引起的干燥，所以水灰比增大促使毛細孔間連通性增加從而引起砂漿干縮增大。另一方面，單位用水量的增多使得單位體積內漿體量增多，同時單位體積內起支撐作用的骨料量相對減少從而導致砂漿干縮增大。

圖5中所示為砂灰比對砂漿干縮性能的影響。可見，隨著砂灰比增大，砂漿干縮越來越小；同時，在高砂灰比時，砂漿干縮隨齡期呈現漸變的過程，早期同齡期砂漿干縮遠小于低砂灰比時，后隨齡期逐漸增大；而低砂灰比砂漿，在1～14 d期間干縮增幅最大。原因是低砂灰比時漿體體積大，導致早期干縮幅度較大且趨于穩定；高砂灰比時骨料體積增大，漿體體積減少，干縮率在早期減弱，隨齡期變化而變化。

3 結 論

為研究石粉含量對不同配合比砂漿體積穩定性的影響規律，以不同水灰比和不同砂灰比砂漿為研究基礎，分析了不同石粉含量對砂漿干縮率、失水率等的影響，得到以下結論：

a.不同砂灰比砂漿的干縮，隨石粉含量增多逐步增大。不同水灰比砂漿的干縮，隨石粉含量增多呈現先減小后增大的規律。

b.砂漿在水灰比為0.4、0.5、0.6，干縮達到最小時石粉含量分別為5%、10%、10%。

c.在石粉含量一定時，砂漿干縮隨水灰比增大而增大，隨砂灰比增大而減小。

d.砂漿受水灰比影響時，在14 d之前齡期干縮較大，后期收縮放緩；砂漿受砂灰比影響時，干縮隨齡期處于漸變過程。