機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土性能的影響

杜鳳英，李海波，張秀芝

（1. 中交一航局第一工程有限公司，天津 300456；2. 濟(jì)南四建混凝土有限公司，山東 濟(jì)南 250031；3. 濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022）

0 前言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的加強(qiáng)，天然砂資源越來越匾乏，使用機(jī)制砂已成為必然趨勢(shì)。機(jī)制砂(Manufactured Sand)被定義為：由機(jī)械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75mm 的巖石顆粒。目前，機(jī)制砂作為一種新型的建筑用砂，已被正式列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]。早在20 世紀(jì)60 年代，我國(guó)的一些行業(yè)和地區(qū)的工程建設(shè)中，已經(jīng)開始使用機(jī)制砂[2]。但是，機(jī)制砂在生產(chǎn)過程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生較多石粉，這與天然砂有著顯著的區(qū)別。近幾年來，在高石粉含量機(jī)制砂的混凝土的性能和應(yīng)用方面開展了一些研究[3-5]，但是，這遠(yuǎn)不能滿足各種水泥基復(fù)合材料發(fā)展與應(yīng)用的需要。

石粉是機(jī)制砂中粒徑小于0.075mm 的微細(xì)顆粒。石粉與泥粉有所不同，它與機(jī)制砂為同一母巖，礦物組成相同，是機(jī)制砂的一部分，是機(jī)制砂的級(jí)配組成。由于外觀上的原因，很多人對(duì)含有一定量的石粉的機(jī)制砂存在疑慮，對(duì)機(jī)制砂中的石粉缺乏了解和認(rèn)識(shí)，盲目地洗走石粉，這樣既浪費(fèi)了水資源又破壞了機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)與顆粒級(jí)配。因此，合理地利用機(jī)制砂中的石粉既能改善砂漿的性能，又能節(jié)約資源，減少環(huán)境污染。

凍融交替作用是我國(guó)北方地區(qū)，特別是東北、西北嚴(yán)寒地區(qū)混凝土破壞最常見的一個(gè)因素[6]。因此，混凝土抗凍性能是北方地區(qū)混凝土耐久性評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。目前有關(guān)石粉對(duì)混凝土抗凍性能影響的研究并不多，且沒有相一致的結(jié)論。本文研究了機(jī)制砂中石粉量對(duì)混凝土抗凍性能的影響，同時(shí)還對(duì)石粉含量對(duì)混凝土工作性能及強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥（C）：P·O42.5，其粒度分布見圖1。

機(jī)制砂（MS）：屬于石灰石制機(jī)制砂，各項(xiàng)指標(biāo)見表1。

石粉（LSP）：與機(jī)制砂同石料，化學(xué)組成見表2，粒度分布見圖1。

粉煤灰（FA）：Ⅱ級(jí)粉煤灰，化學(xué)組成見表2，粒度分布見圖1。

混凝土外加劑（A）：聚羧酸減水劑，固體含量為40%，摻量為水泥質(zhì)量的0.6%。

1.2 配合比

選取在機(jī)制砂生產(chǎn)過程中被水沖洗掉的石粉，添加到無石粉的機(jī)制砂中，配制出不同石粉含量的機(jī)制砂，并對(duì)其性能進(jìn)行研究。不同石粉含量的機(jī)制砂配制混凝土配合比保持一致，即水灰比一致，砂率保持一致，外加劑摻量相等，粉煤灰替代率20%，超量系數(shù)1.2。

表1 機(jī)制砂性能

表2 水泥、粉煤灰及石粉的組成 %

表3 混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土工作性能按GB 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；硬化混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度按GB 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的相關(guān)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？箖鲂阅馨碐B/T50082-2008《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的相關(guān)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用快速凍融循環(huán)法。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)制砂摻量對(duì)新拌混凝土性能

由表4 可知，在不同的石粉含量時(shí)，新拌混凝土性能均較好。隨著石粉含量的增加，出機(jī)坍落度減小，坍落度損失也呈增大的趨勢(shì)。這是由于石粉吸附了一部分減水劑和水，使新拌混凝土中自由水減少，致使流動(dòng)性降低，經(jīng)時(shí)坍落度損失也降低。

表4 新拌混凝土性能

用于配制混凝土所用的機(jī)制砂一般由巖石經(jīng)開采—機(jī)械破碎—篩分而成。在生產(chǎn)過程中，會(huì)產(chǎn)生10%～15%左右的石粉。石粉是一種比表面積較大的物質(zhì)，在相同水泥用量、相同坍落度的機(jī)制砂混凝土中，隨著機(jī)制砂中石粉含量的增加，總的比表面積增大，需水量增加。但是在單位水泥用量較少的情況下，拌和物有離析現(xiàn)象，保水性能較差。當(dāng)機(jī)制砂中含有適量石粉時(shí)，起滾珠作用的細(xì)顆粒增加，改善了混凝土的和易性，相同坍落度情況下減少了用水量，提高了強(qiáng)度，但這時(shí)石粉含量仍有一個(gè)最優(yōu)值。超過最優(yōu)值后，會(huì)增加單位用水量，降低混凝土強(qiáng)度。

2.2 石粉含量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

表5 機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

從表5 可以看出，在水灰比一致的情況下，隨著石粉含量的增加，強(qiáng)度呈先增加后下降的趨勢(shì)。石灰?guī)r質(zhì)石粉在一定的摻量范圍內(nèi)，可以提高試件的抗壓強(qiáng)度。這是由于石粉顆粒小，硬化后能夠使孔隙率減小，并且石灰石粉的微集料效應(yīng)和微晶核效應(yīng)能夠使C-S-H 和Ca(OH)2包裹在CaCO3顆粒表面，有利于增強(qiáng)界面的粘結(jié)作用，同時(shí)降低了液相離子的濃度，加速了C3S 的水化作用，有利于硬化后強(qiáng)度的形成。但是隨著機(jī)制砂中石粉含量的增加，當(dāng)摻量超過10%后，混凝土的抗壓強(qiáng)度也會(huì)隨之降低。因?yàn)槭圩鳛橐环N填充性的細(xì)集料，隨著含量的增加，比表面積增大，在水泥漿用量一定的情況下，使集料的粘性減小，黏聚力降低，最終導(dǎo)致試件抗壓強(qiáng)度的降低，并且在硬化后期抗壓強(qiáng)度下降幅度更為明顯。

2.3 石粉對(duì)抗凍融性能的影響

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)摻加不同石粉的混凝土進(jìn)行200 次凍融循環(huán)，試實(shí)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 石粉含量對(duì)混凝土抗凍融性能的影響

由圖可以看出隨著石粉含量的增加，經(jīng)凍融循環(huán)后混凝土質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失均有先減少后增大的趨勢(shì)，且兩者變化趨相同。當(dāng)石摻量為5%和10%時(shí)，機(jī)制砂混凝土的抗凍性能最好，之后隨著石粉含量的增強(qiáng)，經(jīng)凍融后混凝土的質(zhì)量損失與強(qiáng)度損失均增大，抗凍性能下降。

圖3 石粉對(duì)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的影響

由圖3 可知，機(jī)制砂中適量的石粉能夠明顯改善硬化后漿體的孔結(jié)構(gòu)，石粉砂漿的抗凍性明顯的優(yōu)于普通砂漿，并且砂漿強(qiáng)度等級(jí)越高，抗凍性越好。機(jī)制中石粉的含量對(duì)抗凍性有較大的影響所以根不同的工程需要合理選擇石粉的摻量。

2.4 石粉在混凝土中的作用

石粉在混凝土中的作用有兩個(gè)方面[7]：一是能起到微集料的作用，對(duì)水泥的早期水化有促進(jìn)作用，石灰石石粉在水泥水化過程中可起到晶核作用,誘導(dǎo)水泥的水化產(chǎn)物析晶，加速水泥水化；二是石灰石石粉對(duì)鈣礬石向單硫型轉(zhuǎn)化有阻止作用，生成水化碳鋁酸鈣(C3A·CaCO3·11H2O)，增加混凝土早期強(qiáng)度。除以上兩個(gè)作用外，本實(shí)驗(yàn)還得出一個(gè)結(jié)論：適量的石粉能夠改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，提高抗凍性能。

3 結(jié)論

針對(duì)本實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

（1）機(jī)制砂中含有適量的石粉能夠優(yōu)化砂的級(jí)配，改善混凝土的工作性能。當(dāng)石粉含量在5%～10%時(shí)，石粉含量對(duì)新拌混凝土性能影響不大。

（2）機(jī)制砂中含有適量的石粉能夠明顯改善預(yù)拌砂漿硬化后的性能。在保證水膠比不變的情況下：石粉含量在5%～10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高。

（3）適量的石粉可以優(yōu)化硬化水泥砂漿的孔結(jié)構(gòu)，有利于混凝土強(qiáng)度及抗凍性能的提高?；炷岭S機(jī)制砂中石粉含量的增加，抗凍性能有先增強(qiáng)，后下降的趨勢(shì)，當(dāng)石粉含量在10%～65%有利于混凝土的抗凍性能。

（4）綜合考慮機(jī)制砂中的石粉含量對(duì)混凝土的和易性、強(qiáng)度和抗凍的影響，確定機(jī)制砂中石粉的最佳含量，以便在實(shí)際工程中選擇合理的機(jī)制砂，具有顯著的科技經(jīng)濟(jì)意義。

[1]GB/T 14684-2001.建筑用砂[S].

[2]陳家瓏.人工砂—新型建筑用砂[J].新型建筑材料,2002,(6):32-34.

[3]Burak Felekolu, Kamile Tosun, Bülent Baradan, et al. The effect of fly ash and limestone fillers on the viscosity and compressive strength of self-compacting repair mortars[J].Cement and Concrete Research,2006, 36(9) :1719–1726.

[4]李興貴.高石粉含量人工砂在混凝土中的應(yīng)用[J].建筑材料學(xué)報(bào),2004,7(1):66-71.

[5]G. Ye, X. Liu , G. De Schutter, et al. Influence of limestone powder used as filler in SCC on hydration and microstructure of cement pastes[J]. Cement & Concrete Composites ,2007,29(2): 94–102.

[6]黃士元, 蔣家奮, 楊南如.近代混凝土技術(shù)[ M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社, 2002.

[7]HUANG Shiyuan, JIANG Jiafen, YANG Nanru. Modern concrete technology [M]. Xi’an: Shanxi Science and Technology Press, 2002. 193. ( in Chinese)

[8]Zhou Mingkai, Peng Shaoming, Xu Jian, et al. Effect of Stone Powder on Stone Chippings Concrete [J]. Journal of Wuhan University of Technology(Materials Sciences Edition), 1996,11 (4): 29-34.