機制砂中石粉含量對中低強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）

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機制砂中石粉含量對中低強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】研究了機制砂中石粉含量對中低強度等級混凝土的坍落度、抗壓強度、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度等級混凝土的強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)合實際就地取材進行試驗，合理控制機制砂中石粉含量。

【關(guān)鍵詞】石粉；混凝土；坍落度；抗壓強度；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，機制砂在國內(nèi)外的工程中逐步得到應(yīng)用。在機制砂的研究與應(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，抗折強度存在一個最優(yōu)值，在摻量為10%時達到最大。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度發(fā)展，當(dāng)石粉摻量在15%～20%時，混凝土7d強度比空白樣高20%～30%。國內(nèi)也有不少學(xué)者則認為對于中低強度混凝土而言，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行相應(yīng)的試驗驗證。本文針對本公司生產(chǎn)中所用機制砂，系統(tǒng)地研究了機制砂中石粉含量對中低強度等級混凝土坍落度、抗壓強度、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制砂中經(jīng)篩洗處理的石粉，烘干后使用。

細骨料：由河砂與機制砂以4:6的比例復(fù)配制成混合砂，混合砂的細度模數(shù)Mx=2.6，級配區(qū)為Ⅱ區(qū)。其中河砂產(chǎn)自廣東西江，細度模數(shù)Mx=1.71，級配區(qū)為Ⅲ區(qū)；機制砂產(chǎn)自廣東泰盛石廠，細度模數(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制砂的石粉含量為5.5%?；旌仙爸袡C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，試驗過程中細骨料主要由河砂和洗去石粉的機制砂以4:6的質(zhì)量份比組成，然后再將從機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)淘洗的機制砂進行調(diào)配。不同強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　不同強度等級的商品混凝土原材料配合比

表3　不同強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進行；抗壓強度試驗參照《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、抗壓強度的影響

圖1、圖2分別為不同石粉摻量對C25～C45強度等級混凝土坍落度以及抗壓強度的影響。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抗壓強度并未有明顯不利或者有利的影響，抗壓強度仍然滿足相應(yīng)強度等級的要求。與0%摻量的空白樣相比，隨著石粉摻量的增加混凝土強度變化幅度基本在±3MP左右的范圍內(nèi)。因此，對于中低強度等級的混凝土而言，0%～12%摻量的石粉對其混凝土強度的影響并不明顯，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)石粉摻量達到12%時，不同強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對于中低強度等級的混凝土而言，0%～12%摻量的石粉對其混凝土強度的影響并不明顯，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)實際就地取材進行試驗后對機制砂中石粉含量進行合理控制。

【參考文獻】

[1]蔡基偉.石粉對機制砂混凝土性能的影響及機理研究[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.