干法機制砂石粉含量對混凝土 工作性能和力學性能的影響研究*

丁路靜，高建，陳全濱，張凱峰，伍娟，王建鵬，高鵬，王雙喜，馬金蕾，李微

（1. 中建西部建設北方有限公司，陜西 西安 710100；2. 中建西部建設（天津）有限公司，天津 300450；3. 西安高新技術產業開發區房地產開發有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

隨著建筑業的不斷發展，混凝土材料的消耗量越來越大，鑒于國家對河道的強化管理，天然砂資源短缺，機制砂替代天然砂配制混凝土已成為行業發展的必然趨 勢[1-7]。與濕法制砂獲得的機制砂相比，干法制砂得到的機制砂石粉含量和含泥量均較高，且顆粒級配較差。機制砂顆粒巖性為石灰巖時，石粉具有一定的活性。鑒于此，本文對 3 種廠家生產的干法機制砂進行研究，研究不同石粉含量對 C30 和 C50 兩種強度等級混凝土工作性能和力學性能的影響規律，為干法機制砂在混凝中的研究與應用提供一些參考。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥采用山水 P·O42.5 低熱水泥，3d 抗壓強度 28.2MPa，28d 抗壓強度 53.5MPa，燒失量 1.58%，比表面積 370m2/kg。

（2）礦粉采用鑫征 S95 級礦粉，7d 活性指數 78%，28d 活性指數 97%，比表面積 410m2/kg，流動度比 105%。

（3）粉煤灰采用北疆Ⅱ級粉煤灰，細度 45μm 方孔篩篩余 26.1%，需水量比 99%，燒失量 2.7%。

（4）粗骨料采用河北遷安 5～25mm 連續級配的尾礦石，針片狀 3%，壓碎指標 8%。

（5）外加劑采用中建聚羧酸高性能外加劑，減水率 20%，含固量 10%。

（6）拌和用水采用潔凈的自來水。

（7）細骨料采用河北遷安濕法尾礦砂搭配干法機制砂復合使用，其中尾礦砂細度模數 1.7，MB 值 1.3。干法機制砂性能指標見表 1。三種干法機制砂的 SEM 掃描圖見圖 1。

表1 干法機制砂性能指標

圖1 石粉砂 SEM 檢測圖

從圖 1 可以看出，三種石粉砂石粉在 40μm 倍數下顆粒形貌相似，均為不規則形狀顆粒，顆粒粒徑相差不大。

1.2 試驗方案

本試驗研究干法機制砂石粉含量對 C30 和 C50 兩種強度等級混凝土工作性能和 7d、28d 抗壓強度的影響。將干法機制砂烘干并篩分出石粉，按照 500kg/m3干法機制砂用量的百分比摻入，其中石粉含量控制為0%、9%、12%、15%、18%、21%。混凝土基準配合比如表 2 所示。

表2 試驗混凝土基準配合比 kg/m3

2 試驗結果與分析

2.1 不同石粉含量干法機制砂混凝土的工作性能

不同石粉含量對干法機制砂混凝土工作性能的影響試驗結果見表 3 和圖 2。

表3 不同石粉含量干法機制砂混凝土的工作性能

由表 3 所示，C30-0 和 C50-0 配合比中干法機制砂石粉含量為 0%，從圖 2 中能夠明顯地看出石粉含量為 0% 時，不同廠家生產的干法機制砂配制的混凝土坍落度和擴展度均最小，且 1.5h 后的損失最大。這是因為混凝土中缺少了一部分 75μm 以下的石粉顆粒，組成混凝土的顆粒級配變差，造成混凝土拌合物包裹性能差、和易性差，混凝土較分散，易產生泌水泌漿的現象。

從圖 2-a) 中可以看出，盛泰干法機制砂混凝土在石粉含量為 15% 時，坍落度達到最大值，1.5h 經時損失 15mm；土潤祥和干法機制砂在石粉含量為 12% 時坍落度達到最大值，1.5h 經時損失 10mm；臥龍干法機制砂在 15% 和 18% 石粉含量時，坍落度值相同，達到最大值，1.5h 經時損失 10mm。雖然三種廠家干法機制砂混凝土坍落度最大值不同，最大值對應的石粉含量也不同，但隨石粉含量變化的趨勢一致，均是隨石粉含量的增長先增加后降低。

從圖 2-b) 中可以看出，三種干法機制砂均在石粉含量為 15% 時，擴展度達到最大值，且混凝土擴展度隨石粉含量的增長先增加后降低，呈現出的變化趨勢與坍落度一致。

圖2-c) 和圖 2-d) 中干法機制砂混凝土的坍落度和擴展度隨石粉含量的變化趨勢與圖 2-a) 和圖 2-b) 一致。

圖2 不同石粉含量對混凝土工作性能影響

當石粉含量為 21% 時，C30 和 C50 混凝土的坍落度值和擴展度值均減小，且 1.5h 后的經時損失值增大，表明混凝土在石粉含量 21% 時，工作性能變差，且易損失。這說明當干法機制砂中的石粉含量過高時將對混凝土的工作性能產生不利影響。

因此，當干法機制砂中石粉含量在 12%～18% 時，混凝土工作性能最優。

干法機制砂中石粉含量對混凝土工作性能影響規律為隨石粉含量的逐漸增加，工作性能先逐漸變好后又劣化，這是因為當石粉含量為 0% 時，混凝土整體級配因缺少部分 75μm 以下的顆粒變差，混凝土中粉料量相對減少，混凝土的包裹性變差，工作性能變差。隨著石粉含量的逐漸提高，混凝土中的粉料體系相對增加，漿體量逐漸增多，整體顆粒級配逐漸趨于更加合理，粉料與骨料顆粒之間的空隙能夠更好的被填充，從而使混凝土的工作性能得到改善，逐漸優化，達到最優。但在相同用水量下，當石粉含量超過某一臨界值時，多余的石粉顆粒會吸附水和外加劑，這會造成混凝土粘度增大，外加劑用量增多，從而使混凝土工作性能劣化變差，不利于工作性能的保持。

2.2 不同石粉含量干法機制砂混凝土的力學性能

C30 和 C50 混凝土的力學性能試驗結果見表 4 和圖 3、圖 4 所示。

表4 不同石粉含量干法機制砂混凝土 28d 抗壓強度

圖3 C30 干法機制砂混凝土力學性能

圖4 C50 干法機制砂混凝土力學性能

從圖 3 可以看出，在石粉含量為 0% 時，三種干法機制砂配制的混凝土 28d 抗壓強度均小于 30MPa，為滿足混凝土強度等級設計要求。隨石粉含量的逐漸增加，混凝土抗壓強度均得到了一定的提升，且呈現出先增長后降低的趨勢，不同廠家干法機制砂配制的混凝土 28d 抗壓強度有所不同，但變化趨勢一致。盛泰干法機制砂混凝土抗壓強度最高，在石粉含量 12% 達到最高值，為 51.6MPa；臥龍干法機制砂混凝土的抗壓強度同樣在石粉含量 12% 時達到最高值，為 42.4MPa；土潤祥和干法機制砂混凝土抗壓強度最大值為 45.9MPa，此時的石粉含量為 18%。當石粉含量為 21% 時，盛泰干法機制砂混凝土強度為 47.7MPa，土潤祥和干法機制砂混凝土抗壓強度為 36.7MPa，臥龍干法機制砂混凝土強度為 41.4MPa，與最大值相比均有所降低，但同時也都滿足強度等級設計要求。

由圖 4 可知，石粉含量為 0% 時，三種干法機制砂混凝土 28d 抗壓強度值最低，分別為盛泰干法機制砂 58.9MPa，土潤祥和干法機制砂 56.3MPa，臥龍干法機制砂 53.4MPa，均滿足強度等級設計要求。C50 混凝土受石粉含量變化的影響規律同 C30 混凝土一致，均為先增加后降低。三種干法機制砂混凝土抗壓強度均在石粉含量 15% 時達到最大值。

干法機制砂中石粉含量對混凝土抗壓強度影響規律與工作性能影響規律一致，均為隨石粉含量的逐漸增加，抗壓強度先增長后降低。這是由于石粉含量的增加能夠改善混凝土整體顆粒級配，使混凝土結構更為致密，抗壓強度更高；試驗采用的三種干法機制砂的巖性均為石灰巖，這也使得石粉具有一定的活性，能夠發生水化反應，為混凝土提供一定的強度，使混凝土強度有所增長。但是當石粉含量過高時，混凝土抗壓強度降低，這是因為過量的石粉會在混凝土拌合過程中吸附水和外加劑，致使膠凝材料體系中活性更高的水泥和礦物摻合料能夠用于水化反應的水量減少，限制了水化進程，導致混凝土強度降低；且過量的石粉會導致混凝土整體顆粒級配失衡，結構致密性降低，混凝土強度降低。

3 結論

（1）干法機制砂中的石粉能夠改善混凝土的工作性能和力學性能，隨石粉含量的增加，混凝土工作性能逐漸改善，力學性能逐漸增強，但存在某一臨界值，當石粉含量超過臨界值時，工作性能和力學性能均會出現劣化現象。

（2）試驗中三種廠家的干法機制砂石粉含量對混凝土工作性能和力學性能影響規律一致。當石粉含量為12%～18% 時，混凝土的工作性能和力學性能最優。當石粉含量大于 18% 后，混凝土的工作性能和力學性能會出現劣化現象。