機制砂巖性及石粉含量對混凝土性能影響研究

宋德洲，范遠林，何建國

(浙江交工金筑交通建設有限公司，浙江 杭州 310017)

0 前 言

近年來，隨著我國國民經濟的快速發展，基礎設施建設規模巨大，資源和環境壓力日益增大。作為自然資源的建筑用河砂，由于資源短缺和河道禁采禁挖，正在被機制砂迅速替代[1]。與天然砂相比，機制砂含有大量石粉[2]。天然砂級配較均勻且堆積密度較大，而機制砂級配不合理[3]；天然砂成分多為SiO2，機制砂成分隨母巖變化，鈣質砂或硅質砂皆存在。

機制砂的不規則形狀和粗糙表面對混凝土有著正反兩個效應：一方面，多棱角和粗糙表面導致機制砂與漿體粘結更緊密，且顆粒間增加了機械咬合力，提高了混凝土強度[4-6]；另一方面，較大的比表面積增加了對水的消耗，若用水量相同，則機制砂拌合物更為干硬，工作性差[2](在實際施工中，工作性較差的混凝土拌合物將直接影響到成品強度)。機制砂所含石粉一方面可以填充空隙，提高混凝土密實度，增加漿體體積[6-8]，對混凝土的強度、工作性、抗滲性等均有正面效應；另一方面，石粉顆粒細小，擁有巨大的比表面積，會增加用水量，且根據巖性與細度不同對減水劑等化學外加劑存在或多或少的吸附作用[9]，對強度和工作性不利。由于強度及工作性皆與配合比密切相關，因此上述兩種效應哪一方占主導地位應與石粉含量及砂率有關[10]。另外，某些巖性及細度的石粉具有火山灰活性或堿激發活性[11-12]，對混凝土的凝結特性、強度發展曲線、體積穩定性[13]、抗滲性[14]等有著復雜而重要的影響。

針對以上問題，本文制作了一系列混凝土試件與膠砂試件，在配合比大致相同的情況下，替換部分水泥為石粉，或以機制砂代替河砂作為細骨料，或改變石粉摻量，評價其工作性、強度、體積穩定性，以期得到石粉巖性、機制砂巖性、石粉摻量等參數對上述特性的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗原材料

水泥：P·O42.5水泥，性能指標見表1；粉煤灰：II級，產地河北，主要性能指標如表2所示；細骨料：河砂和機制砂(巖性包括凝灰巖、石灰巖、花崗巖和玄武巖四種)，細度模數為2.5～2.6；粗骨料：級配碎石，5～10 mm顆粒占比33%，10～25 mm顆粒占比67%，堆積密度1 650 kg/m3；減水劑：廊坊雙森科技有限公司生產的PCA I型聚羧酸減水劑和FDN-C型萘系減水劑；石粉：將礦渣、粉煤灰、凝灰巖、石灰巖和花崗巖分別經破碎、粉磨，篩除粒徑大于75μm顆粒，且比表面積不大于250 m2/kg；水：自來水。

表1 水泥主要物理和力學指標

表2 粉煤灰主要性能指標

1.2 試驗方案

本課題共設計了6個系列試驗，具體如下。

試驗一配合比為480 kg/m3水泥，或用72 kg/m3石粉替換等量水泥，165 kg/m3水，735 kg/m3天然砂，1 070 kg/m3碎石，4.8 kg/m3萘系外加劑或2.88 kg/m3聚羧酸系外加劑，以不添加石粉組為參照，用于研究粉煤灰、凝灰巖、石灰巖和花崗巖這4種石粉巖性對萘系或聚羧酸系外加劑效應的影響。

試驗二配合比為480 kg/m3水泥，160 kg/m3水，740 kg/m3天然砂或機制砂，1 120 kg/m3碎石，11.25 kg/m3化學外加劑，以河砂組為參照，用于研究凝灰巖、凝灰巖、花崗巖和玄武巖這4種巖性對混凝土工作性及強度的影響。

試驗三用于研究不同巖性石粉對礦粉、粉煤灰摻和料效應的影響，膠砂試件配合比見表3。

表3 試驗三配合比設計

試驗四配合比為480 kg/m3水泥，或用72 kg/m3石粉替換等量水泥，148 kg/m3水，720 kg/m3天然砂，1 152 kg/m3碎石，由試驗確定摻量的化學外加劑，以不添加石粉組為參照，用于研究石粉巖性對混凝土體積穩定性的影響。

1.3 試驗方法

1)膠砂試驗：分別按照《礦物摻合料應用技術規范》(GB/T 51003—2014)和《水泥膠砂強度檢測方法》(GB/T 17671—1999)測定膠砂的工作性能和強度，通過調整減水劑摻量，保證流動度達到145～150 mm。

2)混凝土試驗：分別按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2002)和《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)測定混凝土的工作性、強度。最后測試各混凝土試件的坍落度和擴展度。

2 結果與討論

2.1 石粉巖性對減水劑效應的影響

加入萘系外加劑時，不同石粉巖性條件下對混凝土坍落度和擴展度的影響如圖1(a)、圖1(b)所示。從圖中可以看出，在加入萘系外加劑時，不同石粉巖性對混凝土坍落度和擴展度的影響不同：在無摻合料時，坍落度為205 mm；加入凝灰巖會使混凝土的坍落度減小；加入花崗巖會使混凝土的坍落度增大。但是總體來說，不同石粉巖性對坍落度的影響較小，并無明顯差距。相對于坍落度而言，不同石粉巖性對擴展度的影響較大：無摻合料時混凝土的擴展度為505 mm；加入粉煤灰時擴展度增大至535 mm；加入凝灰巖時擴展度減小為500 mm；加入石灰巖時擴展度未發生改變；加入花崗巖時擴展度為525 mm。

加入聚羧酸系外加劑時，不同石粉巖性條件下對混凝土坍落度和擴展度的影響如圖1(c)、圖1(d)所示。從圖中可以看出，不同石粉巖性對混凝土坍落度和擴展度的影響不同：在無摻合料時坍落度為210 mm；加入凝灰巖和花崗巖時坍落度略有減小；加入石灰巖時坍落度未發生變化；加入粉煤灰時坍落度略有增大。但是總體來說，不同石灰巖性對坍落度的影響較小，并無明顯差距。相對坍落度而言，不同石粉巖性對擴展度的影響較大：無摻合料時擴展度為470 mm；加入粉煤灰時擴展度增大至510 mm；加入凝灰巖時擴展度為495 mm；加入石灰巖時擴展度為480 mm；加入花崗巖時擴展度為495 mm。

(a)加入萘系外加劑時混凝土坍落度

(b)加入萘系外加劑時混凝土擴展度

(c)加入聚羧酸系外加劑時混凝土坍落度

(d)加入聚羧酸系外加劑時混凝土擴展度

綜合以上數據可以看出，從坍落度的角度來看，石粉巖性對兩種減水劑(萘系外加劑和聚羧酸系外加劑)的效應發揮影響不大。而從擴展度的角度來看，石粉巖性對減水劑的效應發揮影響較大，具體表現為粉煤灰石粉會顯著增大擴展度，花崗巖石粉次之，凝灰巖石粉對萘系外加劑無影響，而對聚羧酸系外加劑有增強作用，石灰巖石粉對二者影響皆小，可忽略不計。

2.2 機制砂巖性對混凝土工作性及強度的影響

機制砂巖性不同時，混凝土試件坍落度和擴展度如圖2所示。從圖中可以看出，機制砂巖性不同時，混凝土坍落度和擴展度差距較大：細集料為河砂時坍落度為210 mm，擴展度為535 mm；細集料為凝灰巖時坍落度僅為165 mm(較河砂下降21%)，擴展度僅為430 mm(較河砂下降20%)；細集料為石灰巖或玄武巖時，坍落度和擴展度也有不同程度的減小，其中玄武巖減幅大于石灰巖；當細集料為花崗巖時，坍落度略有減小，擴展度反而略有增加(增減幅均不到5%，可忽略)。

(a)不同機制砂巖性混凝土坍落度

(b)不同機制砂巖性混凝土擴展度

對比河砂與三種機制砂(凝灰巖、石灰巖和玄武巖)的試驗結果可以發現用機制砂替換河砂會導致混凝土工作性下降，這可能是因為機制砂表面織構凹凸不平，顆粒比表面積較大，對減水劑和自由水的吸附面較大，造成用于流動的自由水減少，且凹凸的表面織構也增加了顆粒之間的摩擦，能夠阻礙砂漿的流動。對比4種機制砂試驗結果可以發現鈣質機制砂總體上優于硅質機制砂，這可能是因為鈣質機制砂石粉吸附性低，展現出良好的分散性。對比圖2與圖1，可以發現僅替換不同巖性的石粉對坍落度與擴展度影響不大，而替換細骨料為機制砂則顯著影響這兩項參數，由此可知影響混凝土工作性的關鍵因素在于機制砂巖性，次要因素在于石粉巖性。

機制砂巖性不同時，混凝土試件的抗壓強度如圖3所示。以河砂混凝土為參照(3 d的抗壓強度為41.7 MPa，28 d的抗壓強度為60.1 MPa)，玄武巖混凝土的抗壓強度最高(3 d的抗壓強度為48.7 MPa，28 d的抗壓強度為68.9 MPa，較河砂組分別提高了17%和15%)，其次為花崗巖(3 d的抗壓強度為47.6 MPa，28 d的抗壓強度為66.8 MPa，較河砂組分別提高了14%和11%)，凝灰巖和石灰巖強度最小(3 d的抗壓強度分別為43.3 MPa、42.1 MPa，28 d的抗壓強度分別為63.8 MPa、60.4 MPa，較河砂組提高幅度均不超過5%)。

(a)3 d抗壓強度

(b)28 d抗壓強度

綜合以上數據可知，機制砂巖性對混凝土抗壓強度存在提高的趨勢，這可能是因為機制砂較河砂表面織構更為粗糙，提高了水泥漿體與細骨料之間的粘結力，且機制砂石粉含量大于河砂，可以充實空隙而提高密實度；此種提高程度與機制砂巖性有關，這可能是因為巖性不同的機制砂表面織構、石粉吸附性不同，造成細骨料界面過渡區的堅實度不同；另外，巖石組成、風化程度、雜質的種類和含量、孔隙率和孔結構也會影響到試驗結果。

2.3 石粉巖性對摻合料效應的影響

3種不同巖性石粉對粉煤灰摻合料合礦粉摻合料效應的影響如圖4所示。從圖4可以看出，在使用粉煤灰摻合料時，凝灰巖試件組在3 d和28 d的抗壓強度分別為14.4 MPa和37.7 MPa，石灰巖試件組在3 d和28 d的抗壓強度分別為17.4 MPa和43.4 MPa，花崗巖試件組在3 d和28 d的抗壓強度分別為21.8 MPa和44.3 MPa；在使用礦粉摻合料時，凝灰巖試件組在3 d和28 d的抗壓強度分別為15.2 MPa和47.7 MPa(相較于同等情況的粉煤灰摻合料試件組提升了5%和26%)，石灰巖試件組在3 d和28 d的抗壓強度分別為19.4 MPa和62.1 MPa(相較于同等情況的粉煤灰摻合料試件組提升了11%和43%)，花崗巖試件組在3 d和28 d的抗壓強度分別為22.5 MPa和56.0 MPa(相較于同等情況的粉煤灰摻合料試件組提升了3%和26%)。

從縱向來看，三種不同巖性機制砂所配膠砂的抗壓強度隨齡期變化規律基本一致。在同一幅圖中橫向比較則可以發現同齡期抗壓強度隨石粉巖性不同而變化，這可能是因為各巖性石粉特性不同而導致了界面過渡區的黏結強度及試塊勻質性不同，其中鈣質石粉好于硅質石粉，這可能是因為前者吸附性低、分散性好而使得膠砂勻質性好、缺陷較少。對比圖4(a)和圖4(b)，可以看出相對粉煤灰摻合料而言，礦粉摻合料對于石灰巖膠砂更為敏感，即石灰巖石粉能夠對礦粉摻合料效果有明顯的促進作用。

(a)使用粉煤灰摻合料的膠砂抗壓強度

(b)使用礦粉摻合料的膠砂抗壓強度

2.4 石粉巖性對混凝土體積穩定性的影響

不同石粉巖性條件下的混凝土塑性開裂情況與干縮情況如圖5所示。從圖5(a)可以看出，混凝土試件第一條裂縫出現時間按順序排列分別為凝灰巖(368 min)、石灰巖(389 min)、礦粉(487 min)、花崗巖(532 min)、粉煤灰(995 min)試件組。這可能是因為粉煤灰參與水化反應的速度和程度遠低于水泥，促使化學收縮降低；且密度遠遠低于水泥，促使以塑性沉降為主的塑性收縮減?。涣硗?，摻有粉煤灰石粉的水泥漿體臨界半徑以相對較緩速率遞減，毛細管負壓增加的速度和程度均減小，降低了塑性開裂的風險。而凝灰巖石粉火山灰活性較高，且密度較大，導致了與上述機理相反的效應。

從圖5(b)可以看出，干縮率由低往高排列依次是粉煤灰、花崗巖、石灰巖、凝灰巖試件組。干縮現象是由于混凝土終凝后水分向環境蒸發散失或水泥繼續水化，使毛細管中液面變凹，毛細管張力增大而導致混凝土宏觀體積收縮。摻入粉煤灰后，一方面由于水化反應慢，會減緩混凝土中相對濕度的下降速度，另一方面其火山灰效應能產生更多C-S-H凝膠，減少凝膠水的散失，降低混凝土收縮變形。而凝灰巖石粉的火山灰活性較強，會加速水分消耗，引起干縮。綜上所述，在混凝土中摻入一定比例的粉煤灰石粉能改善體積穩定性；而摻入凝灰巖石粉的混凝土體積穩定性不佳。

(a)石粉巖性對混凝土塑性開裂影響

(b)石粉巖性對混凝土干燥收縮的影響

3 結 論

1)從坍落度的角度來看，石粉巖性對兩種減水劑(萘系外加劑和聚羧酸系外加劑)的效應發揮影響不大；從擴展度的角度來看，石粉巖性對減水劑的效應發揮影響較大，具體表現為粉煤灰石粉會顯著增大擴展度，花崗巖石粉次之，凝灰巖石粉對萘系外加劑無影響，而對聚羧酸系外加劑有增強作用，石灰巖石粉對二者影響皆小，可忽略不計。

2)用機制砂替換河砂會導致混凝土工作性下降。鈣質機制砂總體上優于硅質機制砂。影響混凝土工作性的關鍵因素在于機制砂巖性，次要因素在于石粉巖性。機制砂巖性對混凝土抗壓強度存在提高的趨勢。

3)三種不同巖性機制砂所配膠砂的抗壓強度隨齡期變化規律基本一致。膠砂同齡期抗壓強度隨石粉巖性不同而變化，其中鈣質石粉好于硅質石粉。石灰巖石粉能夠對礦粉摻和料效果有明顯的促進作用。

4)不同巖性石粉對混凝土體積穩定性的改善效果順次排列為粉煤灰>花崗巖>石灰巖>凝灰巖。

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