明維　柯剛（廣東省宏基管樁有限公司）

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機(jī)制砂中石粉含量對中低強(qiáng)度等級混凝土性能的影響

明維柯剛
（廣東省宏基管樁有限公司）

【摘要】研究了機(jī)制砂中石粉含量對中低強(qiáng)度等級混凝土的坍落度、抗壓強(qiáng)度、電通量、收縮性能的影響，并結(jié)合石粉的微觀試驗對其結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：當(dāng)摻量為0%～12%時，石粉的摻入對中低強(qiáng)度等級混凝土的強(qiáng)度并未有明顯不利影響，但坍落度卻隨石粉摻量的增加明顯下降（尤其是摻量超過6%后），影響了混凝土的工作性能。由于石粉中含有有害的粘土雜質(zhì)，這使石粉的摻加對混凝土電通量、收縮性能的影響具有一定不穩(wěn)定性，增大了施工質(zhì)量可控性的難度。因此，在實際工程中并不能盲目地放寬石粉含量的限制，應(yīng)結(jié)合實際就地取材進(jìn)行試驗，合理控制機(jī)制砂中石粉含量。

【關(guān)鍵詞】石粉；混凝土；坍落度；抗壓強(qiáng)度；電通量；收縮性能

1　引言

在我國基礎(chǔ)工程建設(shè)以及城鎮(zhèn)化建設(shè)迅速發(fā)展的過程中，天然砂作為混凝土主要原材料，因過量使用正面臨著質(zhì)量下降、資源緊缺、破壞生態(tài)環(huán)境的巨大難題。為緩解這一現(xiàn)狀，機(jī)制砂在國內(nèi)外的工程中逐步得到應(yīng)用。在機(jī)制砂的研究與應(yīng)用過程中，石粉含量一直是人們爭議的焦點之一，各國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對其限值也不同[1]，其中我國要求相對較嚴(yán)格，石粉含量的最高限值為5% ～10%，澳大利亞及非洲的要求相對較寬松，石粉含量的最高限值分別為25%和15%～20%。Celik[2]等研究了0% ～30%的石粉摻量對混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨石粉含量的增加，抗折強(qiáng)度存在一個最優(yōu)值，在摻量為10%時達(dá)到最大。Malhotra[3]的研究表明水灰比0.70時，石粉的摻加利于混凝土各齡期的強(qiáng)度發(fā)展，當(dāng)石粉摻量在15%～20%時，混凝土7d強(qiáng)度比空白樣高20%～30%。國內(nèi)也有不少學(xué)者則認(rèn)為對于中低強(qiáng)度混凝土而言，石粉含量限值可適當(dāng)放寬至10%～18%[1,4-8]。然而我國不同地區(qū)的巖性較多，生產(chǎn)工藝設(shè)備、管理水平更是參差不齊，這導(dǎo)致不少工程中使用的機(jī)制砂中所含的石粉品質(zhì)與國外存在很大差距，并不是所謂真正意義上“優(yōu)質(zhì)石粉”，而是石場生產(chǎn)石頭時產(chǎn)生的下腳料，更容易導(dǎo)致一連串工程質(zhì)量事故。因此，在實際工程中并不能一味推崇放寬石粉含量的理念，必須結(jié)合實際原材料情況進(jìn)行相應(yīng)的試驗驗證。本文針對本公司生產(chǎn)中所用機(jī)制砂，系統(tǒng)地研究了機(jī)制砂中石粉含量對中低強(qiáng)度等級混凝土坍落度、抗壓強(qiáng)度、電通量以及收縮性能的影響，并結(jié)合石粉的微觀性能對其結(jié)果進(jìn)行分析，從而給實際工程應(yīng)用提供一定指導(dǎo)意義。

2　試驗原材料及試驗方法

2.1試驗原材料

⑴試驗原材料

水泥：珠江·粵秀的P.O 42.5R水泥，水泥基本物理性能見表1。

表1　水泥基本物理性能

粉煤灰：產(chǎn)自臺山電廠的Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度（0.045mm篩余）為17.2%，需水量比為95.2%，燒失量為0.12%。

礦粉：由廣東俊興新建材有限公司提供，比表面積為430m2/kg，7d活性指數(shù)為78%，流動度比為101%，燒失量為0.6%。

外加劑：紅墻萘系高效減水劑，含固量為29.89%，密度為1.1614g/cm3，pH值為8.36，氯離子含量為0.02%。

石粉：由試驗過程中所使用的機(jī)制砂中經(jīng)篩洗處理的石粉，烘干后使用。

細(xì)骨料：由河砂與機(jī)制砂以4:6的比例復(fù)配制成混合砂，混合砂的細(xì)度模數(shù)Mx=2.6，級配區(qū)為Ⅱ區(qū)。其中河砂產(chǎn)自廣東西江，細(xì)度模數(shù)Mx=1.71，級配區(qū)為Ⅲ區(qū)；機(jī)制砂產(chǎn)自廣東泰盛石廠，細(xì)度模數(shù)Mx=3.18，級配區(qū)為Ⅰ區(qū)，花崗巖質(zhì)地。

粗骨料：產(chǎn)自泰盛石廠，0～30mm粒徑的連續(xù)顆粒級配，花崗巖石，含泥量為0.2%，壓碎值為8.9%，針片狀含量為7%。

⑵試驗原材料配合比

不同強(qiáng)度等級的商品混凝土原材料配合比參考實際生產(chǎn)中所用配合比。通過MB值試驗可知，MB值為0.95，因此機(jī)制砂中小于75μm的粉體以石粉為主。經(jīng)試驗已知試驗中所用機(jī)制砂的石粉含量為5.5%?；旌仙爸袡C(jī)制砂與河砂按4:6的質(zhì)量份比兌摻后，石粉含量為3.3%，因此對于0%和3%的石粉摻量，試驗過程中細(xì)骨料主要由河砂和洗去石粉的機(jī)制砂以4:6的質(zhì)量份比組成，然后再將從機(jī)制砂中淘洗出來的石粉按比例兌摻。其余摻量則使用未經(jīng)淘洗的機(jī)制砂進(jìn)行調(diào)配。不同強(qiáng)度等級的混凝土原材料配合比見表2，石粉摻加量見表3。

表2　不同強(qiáng)度等級的商品混凝土原材料配合比

表3　不同強(qiáng)度等級的商品混凝土中石粉摻加量?。▎挝唬簁g/m3）

2.2試驗方法

⑴混凝土性能試驗

混凝土坍落度試驗參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB／T50080-2002進(jìn)行；抗壓強(qiáng)度試驗參照《普通混凝土力學(xué)性能高試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081-2011進(jìn)行；混凝土電通量法抗氯離子滲透試驗、接觸法收縮試驗均參照《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082-2009進(jìn)行。

⑵石粉性能試驗

石粉顆粒的粒徑分布采用激光粒度測定儀測試；石粉中礦物組成采用XRD法測試；石粉顆粒的微觀形貌分析采用掃描電鏡法測試。

3　試驗結(jié)果及討論

3.1不同石粉含量對混凝土坍落度、抗壓強(qiáng)度的影響

圖1、圖2分別為不同石粉摻量對C25～C45強(qiáng)度等級混凝土坍落度以及抗壓強(qiáng)度的影響。從圖1中可看出，在0%～12%的石粉摻量范圍內(nèi)，隨著石粉摻量的增加，C25～C35的混凝土坍落度先增大后減小，C25、C35以及C30混凝土分別在石粉摻量為3%、6%時達(dá)最大值；而C40、C45混凝土坍落度則是一直降低，在石粉摻量為0%～3%范圍內(nèi)，坍落度降低較小，降低幅度約為5mm，基本可視為誤差，當(dāng)石粉摻量超過3%之后，坍落度大幅度降低，石粉摻量為12%時，降低幅度高達(dá)50mm～110mm。圖2的結(jié)果表明：0～12%的石粉摻量對C25～C45混凝土的28d抗壓強(qiáng)度并未有明顯不利或者有利的影響，抗壓強(qiáng)度仍然滿足相應(yīng)強(qiáng)度等級的要求。與0%摻量的空白樣相比，隨著石粉摻量的增加混凝土強(qiáng)度變化幅度基本在±3MP左右的范圍內(nèi)。因此，對于中低強(qiáng)度等級的混凝土而言，0%～12%摻量的石粉對其混凝土強(qiáng)度的影響并不明顯，但對坍落度卻產(chǎn)生一定不利的影響，尤其是石粉摻量超過3%～6%后，坍落度損失顯著增大，影響混凝土的工作性能。

圖1　石粉含量對C25～C45混凝土坍落度的影響

圖2　石粉含量對C25～C45混凝土28d抗壓強(qiáng)度的影響

圖3　不同石粉含量對C25～C45混凝土電通量的影響

3.2不同石粉含量對混凝土電通量的影響

圖4　不同石粉含量對C25～C45混凝土干縮率的影響

圖3為石粉摻量對混凝土電通量影響的試驗結(jié)果。圖3結(jié)果表明：與空白試樣相比，C25、C40、C45混凝土在摻加石粉后，電通量均高于空白試樣，當(dāng)摻量為12%時，電通量最大；而C30、C35混凝土電通量則是隨著石粉摻量的增加，先降低后升高，且摻量在3%～9%之間，變化趨勢較為平緩，數(shù)值較為接近。因此，在石粉摻量為0%～12%范圍內(nèi)，C25～C45混凝土的電通量隨石粉摻量的變化具有一定離散性，且與空白對比樣相比，當(dāng)石粉摻量達(dá)到12%時，不同強(qiáng)度等級的混凝土電通量均有不同程度的增大，增大率約為2.3%～15.27%。這表明石粉在混凝土中并未良好地發(fā)揮其填充作用；盡管如此，石粉摻入后各強(qiáng)度等級的混凝土抗氯離子滲透性的等級仍與空白試樣一致，屬于相同的抗氯離子滲透等級。

3.3不同石粉含量對混凝土收縮性能的影響

圖4（a）～（e）為石粉含量對不同強(qiáng)度等級混凝土收縮性能的影響。從圖4（a）～（e）中可看出，混凝土干縮率隨著齡期的增長而增大，且石粉摻量對不同強(qiáng)度等級的混凝土干縮性能影響具有一定不穩(wěn)定性。石粉摻量為6%時，C25、C30等級混凝土各齡期的干縮率最??；C35、C40強(qiáng)度等級的混凝土中，石粉的摻加明顯提高了混凝土各齡期的干縮率，并隨著摻量的提高而增大；而C45強(qiáng)度等級的混凝土干縮率則隨著石粉摻量的增加而減小。

3.4石粉的粒徑、組成以及微觀形貌

圖5～圖7分別為石粉的粒徑分布圖、XRD圖以及SEM圖。圖5的結(jié)果表明石粉的主要粒徑尺寸在25μm左右；圖6的結(jié)果表明石粉中除了還有大量的SiO2之外，還有含有云母和斜綠泥石；從圖7的SEM圖可看出石粉顆粒形狀呈扁平狀，多為薄片和板狀，這主要是由于石粉中云母具有解理性，云母在受力破碎的過程中完全解理，解理面大且斷口完整，從而易呈薄片或板狀。從圖5～圖7的結(jié)果可看出，石粉中主要成分為SiO2，在商品混凝土中一般作為惰性填充材料，與其他摻和料相比，石粉的粒徑較粗，因此適量石粉的摻加能夠在骨料的空隙中形成微骨架，優(yōu)化骨料的級配，對混凝土力學(xué)性能是有利的。但石粉中還含有粘土成分的斜綠泥石，眾所周知，粘土雜質(zhì)對混凝土性能以及混凝土中減水劑均有不利的影響，粘土有粘性且通透性差，透水困難，易增大石粉的吸水性；同時石粉的微觀結(jié)構(gòu)多為薄片和板狀，不具有其他摻合料的“滾珠”效應(yīng)，石粉與骨料以及漿體之間的摩擦力較大，所以在水灰比不變的情況下，石粉的摻加會導(dǎo)致混凝土坍落度明顯下降，工作性能變差，這在一定程度上也使石粉對混凝土抗氯離子滲透性、收縮性等性能的影響具有一定不穩(wěn)定性，時好時壞。

圖5　石粉的粒徑分布圖

圖6　石粉的XRD圖

圖7　石粉的SEM圖

4　小結(jié)

⑴對于中低強(qiáng)度等級的混凝土而言，0%～12%摻量的石粉對其混凝土強(qiáng)度的影響并不明顯，但對坍落度卻產(chǎn)生一定不利的影響，尤其是石粉摻量超過3%～6%后，坍落度損失顯著增大，影響混凝土的工作性能。而對于商品混凝土而言，混凝土工作性能是必要的技術(shù)指標(biāo)，因此在不影響混凝土其他性能的條件下，改善摻石粉的混凝土的工作性能的研究還需進(jìn)一步深入。

⑵理論上講，石粉的主要成分為SiO2，在混凝土中一般作為惰性摻合料，起著填充空隙，優(yōu)化骨料的作用，對混凝土的力學(xué)性能應(yīng)起有利的作用。但由于機(jī)制砂為石場生產(chǎn)石頭是產(chǎn)生的下腳料，受多種因素限制并未經(jīng)嚴(yán)格的加工，與所謂“優(yōu)質(zhì)石粉”的品質(zhì)存在一定差距，石粉中還含有對混凝土性能不利的黏土成分，因而對混凝土電通量、收縮性能的影響也具有一定的不穩(wěn)定性，時好時壞。

⑶不管是何種強(qiáng)度等級的混凝土，當(dāng)石粉摻量處于9%～12%時，混凝土各方面性能均出現(xiàn)明顯變差的趨勢，當(dāng)石粉摻量達(dá)到12%時，混凝土各方面性能最差。

總之，由于國內(nèi)的石粉品質(zhì)參差不齊，品質(zhì)欠缺的石粉對中低強(qiáng)度等級的混凝土性能的影響并不穩(wěn)定，這在一定程度上增大了施工質(zhì)量可控性的難度。因此，在實際工程中并不能盲目地放寬石粉摻量的限制，需根據(jù)實際就地取材進(jìn)行試驗后對機(jī)制砂中石粉含量進(jìn)行合理控制。

【參考文獻(xiàn)】

[1]蔡基偉.石粉對機(jī)制砂混凝土性能的影響及機(jī)理研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

[2]Tahir Celik,Khaled Marar.Effects of crushed stone dust on some properties of concrete[J].Cement and Concrete Research,1996,26(7):1121-1130.

[3]V.M.Malhotra,G.G.Carette.Performance of concrete incorporating limestone dust as partial replacement for sand[J].ACI J,1985,82(3):363-371.

[4]Li Beixing,Wang Jiliang,Zhou Mingkai.Effect of limestone nes content in manufactured sand on durability of low and high-strength concretes[J].Construction and Building Materials,2009（23）：2846-2850.

[5]宋金輝.含石粉機(jī)制砂混凝土的性能及應(yīng)用技術(shù)研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2013(16):148-151.

[6]葉建雄,李貞,余林文,楊長輝.人工砂的石粉含量與含泥量對MB值影響的試驗研究[C].“全國混凝土新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)及工程應(yīng)用”學(xué)術(shù)交流會，2010:12-17.

[7]姚楚康.石粉特性對混凝土性能的影響研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2014.

[8]唐靜.人工砂混凝土收縮性能及耐久性能研究[D].重慶：重慶大學(xué),2012.