高含粉機制砂對混凝土性能的影響

袁桂先，汪意

（臺州市強盛混凝土有限公司，浙江 臺州 317000）

0 前言

目前隨著國家對天然砂資源開采的嚴格管控，機制砂已經(jīng)逐漸成為混凝土生產(chǎn)的主要砂源，并在生產(chǎn)中低強度等級混凝土中得以全部應(yīng)用，優(yōu)質(zhì)機制砂也被應(yīng)用于生產(chǎn)高強、高性能或者超高性能混凝土（UHPC）等高附加值產(chǎn)品[1]。機制砂與天然砂不同，機制砂細度可調(diào)節(jié)性強、顆粒多棱角且含有一定含量的石粉[2]，在混凝土中應(yīng)用可以改善混凝土保水性，且適量石粉的存在有助于提高混凝土界面過渡區(qū)，使得混凝土強度增加，但研究人員對石粉含量并沒有界定[3]，這跟所采用的配合比及機制砂特點有關(guān)。在機制砂實際生產(chǎn)中，會帶入較多的石粉，有些含量甚至達到 20% 以上，如此高的石粉含量，常規(guī)配合比設(shè)計已不適合，需要考慮石粉含量對混凝土漿骨比、抗碳化及混凝土強度等的影響。

本項目針對高含粉機制砂對混凝土性能影響進行了研究，以期為機制砂在混凝土中的應(yīng)用提供理論和實際參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥采用海螺 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；粉煤灰采用Ⅱ級灰，需水比 99%，45μm 方孔篩余 19%。礦粉采用 S95，比表面積 416m2/kg，含水率 0.3%，燒失量 0.9%。水泥的主要性能指標見表 1。

表1 水泥的性能指標結(jié)果

（2）原裝機制砂采用市售石灰石質(zhì)機制砂，細度模數(shù) 2.8，MB 值 0.8，含粉量 12%。

（3）不同含粉量機制砂的制備：通過對機制砂含粉進行篩分，過 75μm 方孔篩獲得所需的石粉，將石粉按質(zhì)量比例添加，使得機制砂石粉含量為 8%、12%、16%、20% 和 24%，備用。

（4）粗集料由粒徑 5～10mm 的小石和 10～25mm的大石按照一定比例組合而成。小石壓碎值 9.0%，大石壓碎值 9.0%。

（5）外加劑采用緩凝型聚羧酸高效減水劑，含固量 15.3%，推薦摻量 1.0%～3.0%。

1.2 試驗方法

（1）參照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》稱取相應(yīng)的原材料，按照設(shè)定的水膠比和外加劑摻量，進行混凝土坍落度、擴展度、凝結(jié)時間及含氣量等性能指標的測試。

（2）按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》成型 100mm×100mm×100mm 混凝土試件，標準養(yǎng)護后測定混凝土相應(yīng)齡期的抗壓強度。

（3）混凝土體積收縮值、碳化深度以及混凝土電通量測試參照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。其中混凝土體積收縮采用接觸法，成型 100mm×100mm×515mm 的棱柱體試件，帶模養(yǎng)護 24h 后脫模，采用標準養(yǎng)護，溫度(20±2)℃、相對濕度≥95%，測試混凝土收縮率，計算公式如下：

εt——試驗期為 t(d) 的混凝土收縮率，%；

L0——時間長度的初始度數(shù)，mm；

Lt——試件在試驗期 t(d) 時測得的長度讀數(shù)，mm

Lb——試件的測量標距，mm。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 高含粉機制砂對混凝土工作性能影響

本項目以 C30 混凝土為研究對象，保持混凝土用水量和外加劑用量不變，探究機制砂中石粉變化對混凝土工作性能的影響。試驗混凝土配合比見表 2。按照表 2所示混凝土配比進行攪拌，測得的混凝土工作性能結(jié)果見表 3。

表2 混凝土配合比 kg/m3

表3 結(jié)果可以看出，相同外加劑用量和水膠比下，機制砂含粉增加，混凝土初始流動性下降，對應(yīng)的混凝土坍落度保持能力下降。這是因為機制砂中石粉含量增多，對聚羧酸分子在水泥顆粒的吸附形成阻礙，使得聚羧酸的作用效果減弱，保坍能力下降，當石粉含量從8% 提高至 24%，混凝土坍落度降低 21%，很快失去流動性。

表3 高含粉機制砂對混凝土工作性能的影響

在水和外加劑用量不變的情況下，高含粉機制砂使得混凝土初凝和終凝時間均有所縮短，這是因為自由水的減少，使得水泥水化產(chǎn)物之間的鍵合能力增強，混凝土失去塑性的時間縮短，同時石粉的存在影響了水泥第二放熱峰[4]，促進水泥水化進程，加速了水泥的硬化。

高石粉機制砂不僅使混凝土凝結(jié)時間縮短，同時也使得混凝土含氣量先增加后降低，這是因為石粉含量在一定范圍內(nèi)升高，混凝土粘度增加，機械攪拌過程中更容易引入空氣使得混凝土含氣量有所上升，隨著機制砂含粉量進一步提高，混凝土流動性差，引入氣泡的能力降低。

2.2 高含粉機制砂對混凝土力學性能的影響

以表 2 配合比為基礎(chǔ)，改變混凝土中外加劑用量，使得混凝土初始坍落度在 (230±5)mm，測試相同混凝土出機狀態(tài)下的外加劑摻量、經(jīng)時保坍性能，以及混凝土 7d 和 28d 抗壓強度，結(jié)果見表 4。

表4 結(jié)果顯示，機制砂中含粉量增加，達到相同流動性時外加劑用量隨之提高，當石粉含量為 24%，石粉增加 16%，外加劑增加 0.7%，但混凝土保坍性能逐漸改善甚至出現(xiàn)后滯返大現(xiàn)象。當外加劑供給充分時，石粉裹入較多的聚羧酸分子，隨著水泥反應(yīng)過程中與聚羧酸分子接觸，混凝土流變性能得到釋放，使得混凝土出現(xiàn)后滯甚至返大現(xiàn)象。

表4 高含粉機制砂對混凝土力學性能的影響

通過對混凝土 7d 和 28d 抗壓強度測試結(jié)果分析可知，隨機制砂中石粉含量增加，混凝土抗壓強度先增加后降低，在石粉含量 12% 時混凝土 7d 和 28d 抗壓強度均最高。適量的石粉可以提高混凝土的填充性能[5]，使得硬化后的混凝土密實度提高，但隨著機制砂石粉含量進一步增多，單位面積生成的水化產(chǎn)物數(shù)量降低，排列較散，硬化后的混凝土內(nèi)部缺陷較多，強度下降。

圖1 混凝土抗壓強度結(jié)果

2.3 高含粉機制砂對混凝土耐久性的影響

按照 2.2 所用外加劑和水的用量，測試了混凝土碳化深度、電通量值及混凝土體積收縮值，結(jié)果見表 5。

表5 高含粉機制砂對混凝土耐久性的影響

從表 5 結(jié)果可以看出，當石粉含量 12% 時，混凝土 28d 碳化深度最低，電通量最小且混凝土 7d 和 28d體積收縮也最低，這說明適量的石粉提高了混凝土密實度，使得混凝土抵抗氯離子和體積變形能力提高。當石粉含量進一步增加，混凝土堿度降低，碳化深度增加，也更容易受到周圍環(huán)境有害離子的侵蝕，由于單位面積分布的水化產(chǎn)物數(shù)量減小，混凝土體積變形也相對增大。

3 結(jié)論

（1）在外加劑摻量和水膠比不變的情況下，機制砂含粉量增加，混凝土流動性降低、坍損增大，混凝土凝結(jié)時間縮短，含氣量先升高后降低。

（2）水膠比不變，混凝土達到相同流動性狀態(tài)時，高石粉機制砂使得外加劑用量增加，但會引起外加劑緩慢釋放甚至產(chǎn)生滯后返大現(xiàn)象；混凝土抗壓強度隨石粉含量增加先增加后降低，當機制砂石粉含量 12%時混凝土強度最高。

（3）適量的石粉可以降低機制砂混凝土碳化深度、降低混凝土電通量、減小體積收縮，從而有利于混凝土耐久性提高。