人工砂石粉含量對(duì)混凝土性能的影響

陳靜，鄧國(guó)才，文霞

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院科研所，成都610072)

人工砂石粉含量對(duì)混凝土性能的影響

陳靜，鄧國(guó)才，文霞

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院科研所，成都610072)

大理巖骨料經(jīng)過破碎后石粉含量達(dá)到40%以上，經(jīng)過處理后使人工砂中保留了20%左右的石粉，控制大理巖人工砂中石粉含量和細(xì)度模數(shù)的波動(dòng)范圍是很困難的，本文主要探討人工砂細(xì)度模數(shù)和石粉含量如何影響混凝土性能，人工砂的石粉含量根據(jù)工程的具體設(shè)計(jì)要求可控制的范圍如何確定等問題。

人工砂；石粉；混凝土；性能；控制標(biāo)準(zhǔn)

1 前言

水工混凝土人工砂中石粉是指加工前經(jīng)除土處理，加工后形成粒徑小于0.16mm顆粒，其礦物組成和化學(xué)成分與被加工母巖相同的物質(zhì)。人工砂石粉與天然砂中的泥成分不同、粒徑分布不同,在混凝土中所起的作用亦不同。天然砂中的泥對(duì)混凝土是有害的，必須嚴(yán)格控制其含量。而人工砂中適量的石粉對(duì)混凝土是有益的，有適量石粉的存在,彌補(bǔ)了人工砂配制混凝土和易性差的缺陷。同時(shí)，它的摻入對(duì)完善混凝土特細(xì)骨料的級(jí)配、提高混凝土密實(shí)性都有益處，進(jìn)而起到提高混凝土綜合性能的作用。

目前，對(duì)于石粉含量的控制范圍尚存在一定的爭(zhēng)議，《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2001規(guī)定：“人工砂石粉含量宜控制在6%～18%”。我國(guó)倡導(dǎo)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，然而混凝土的大量使用，使自然資源遭受到前所未有的破壞。人工骨料也是一種自然資源，其開采是對(duì)環(huán)境的一種破壞，為了使人工砂石粉含量滿足規(guī)范要求，而盲目地將石粉洗掉，不僅增加了污染物的排放量，而且造成很大的資源浪費(fèi)。其實(shí)，人工砂石粉中粒徑小于0.16mm的顆?？梢砸暈橐环N摻合料，是否表現(xiàn)為一定的活性尚待研究，選擇適當(dāng)?shù)氖酆靠梢愿纳苹炷梁鸵仔院吞岣呋炷撩軐?shí)性，對(duì)提高混凝土性能有利。

錦屏大壩混凝土施工使用的細(xì)骨料為大理巖人工砂，從目前機(jī)制砂的生產(chǎn)加工情況和工況來看，大理巖骨料經(jīng)過破碎后石粉含量達(dá)到40%以上，經(jīng)過處理后使人工砂中保留了20%左右的石粉，但仍有20%以上的大理巖石粉被廢棄，從工程成本上講，是一個(gè)很大的浪費(fèi)。三灘砂石骨料系統(tǒng)生產(chǎn)的人工砂石粉含量存在較大的波動(dòng)，部分已超過規(guī)范和錦屏工程對(duì)人工砂石粉含量的要求。本文采用石粉含量15%左右的人工砂作為基準(zhǔn)砂，通過人工添加石粉配制成試驗(yàn)預(yù)定石粉含量，石粉含量變化范圍為15%～25%，人工翻拌均勻，將其作為研究對(duì)象。

2 混凝土原材料及基本性能

試驗(yàn)采用峨勝P·MH42.5級(jí)水泥，其化學(xué)成分及物理性能指標(biāo)見表1。采用宣威Ⅰ級(jí)粉煤灰，其化學(xué)成分及物理性能指標(biāo)見表2。人工細(xì)骨料采用三灘骨料系統(tǒng)生產(chǎn)的大理巖人工砂做為基準(zhǔn)砂，其物理性能指標(biāo)見表3。人工粗骨料采用“印把子”骨料系統(tǒng)生產(chǎn)的石英砂巖碎石，其物理性能指標(biāo)見表4。減水劑采用江蘇博特新材料公司JM-II緩凝高效減水劑，其性能指標(biāo)見表5。引氣劑采用山西黃河新型化工有限公司HJAE-A引氣劑，其性能指標(biāo)見表6。

表1 水泥化學(xué)成分及物理性能

表2 粉煤灰化學(xué)成分及物理性能

表3 人工細(xì)骨料物理性能

表4 人工粗骨料物理性能

表5 減水劑性能（摻量0.6%）

表6 引氣劑性能（摻量0.4 /萬）

表7 混凝土拌合物試驗(yàn)成果

3 人工砂石粉含量對(duì)混凝土性能影響試驗(yàn)研究

3.1 人工砂石粉含量對(duì)混凝土拌合物的影響

采用級(jí)配比例為：特大石∶大石∶中石∶小石=35∶25∶20∶20的四級(jí)配混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，選擇水膠比0.47，粉煤灰摻量35%，與不同石粉含量的人工砂組合進(jìn)行試驗(yàn)性能研究，并進(jìn)行混凝土拌合物坍落度損失、含氣量損失、泌水率、凝結(jié)時(shí)間等性能試驗(yàn)?；炷涟韬衔锾涠瓤刂圃?0～70mm，含氣量控制在4%～6%，引氣劑摻量根據(jù)含氣量調(diào)整，同時(shí)對(duì)20.6%石粉含量人工砂進(jìn)行砂率調(diào)整試驗(yàn)。

混凝土配合比參數(shù)及拌合物試驗(yàn)結(jié)果見表7。人工砂石粉含量與單位用水量的關(guān)系見圖1，人工砂石粉含量對(duì)混凝土坍落度保留率的關(guān)系見圖2，混凝土拌合物泌水率與石粉含量關(guān)系見圖3，混凝土拌合物泌水率與砂率的關(guān)系見圖4。

圖1 石粉含量與單位用水量的關(guān)系圖

圖2 混凝土拌合物時(shí)間－坍落度保留率關(guān)系圖

圖3 混凝土拌合物泌水率－石粉含量關(guān)系圖

圖4 混凝土拌合物泌水率－砂率關(guān)系圖

試驗(yàn)表明：（1）隨著人工砂石粉含量增加，混凝土用水量也相應(yīng)增加。如果根據(jù)人工砂的石粉含量的變化，及時(shí)調(diào)整混凝土拌合物的砂率，可以達(dá)到降低混凝土單位用水量增加值的目的；在引氣劑摻量不變的情況下，混凝土含氣量隨著石粉的增加減小，含氣量最大值與最小值相差變化不大；石粉含量20.6%保持單位用水量不變，砂率每增減1%，坍落度減增10mm。從出機(jī)口拌合物看，合適的砂率基礎(chǔ)上降低砂率，混凝土的保水性、粘聚性變差，混凝土骨料易離析。

（2）用不同石粉含量的人工砂拌制混凝土，通過進(jìn)行混凝土配合比的調(diào)整，在保證混凝土水膠比不變的情況下，可以達(dá)到滿意的和易性，同時(shí)，混凝土拌合物的坍落度保留率基本一致。

（3）混凝土泌水率隨著人工砂石粉含量的增加而降低，人工砂的石粉含量對(duì)混凝土拌合物的泌水性能比較敏感，用不同石粉含量的人工砂拌制混凝土，對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間、含氣量影響較小。

（4）混凝土泌水率隨著混凝土砂率的增加而降低，混凝土砂率對(duì)混凝土拌合物的泌水性能也比較敏感，相同原材料混凝土調(diào)整砂率對(duì)混凝土的坍落度損失、含氣量、凝結(jié)時(shí)間影響較小。

3.2 人工砂石粉含量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

人工砂石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖5，對(duì)混凝土劈拉強(qiáng)度的影響見圖6，不同石粉含量混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展見圖7。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：當(dāng)石粉含量在15.2%～25.6%范圍內(nèi)時(shí)，通過混凝土配合比的調(diào)整，保證混凝土的水膠比不變，混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度基本一致；各齡期發(fā)展系數(shù)基本一致；砂率變化對(duì)混凝土各齡期的強(qiáng)度也沒有明顯的影響；總體上看，人工砂石粉含量變化、砂率調(diào)整對(duì)混凝土強(qiáng)度影響不明顯。

圖5 不同石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖6 不同石粉含量對(duì)混凝土劈拉強(qiáng)度的影響

圖7 不同石粉含量混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展

極限拉伸和彈性模量是水工大體積混凝土的重要特性。極限拉伸大小直接顯示了混凝土抗裂能力，從提高混凝土抗裂考慮，希望混凝土的極限拉伸大些，彈性模量要小些。人工砂石粉含量變化對(duì)混凝土極限拉伸值的影響見圖8，對(duì)混凝土彈性模量強(qiáng)度的影響見圖9，對(duì)混凝土軸拉強(qiáng)度的影響見圖10。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：石粉含量從15.2%變化到25.6%時(shí)，混凝土極限拉伸、彈性模量值差異不大；當(dāng)石粉含量在20.6%時(shí)，混凝土90d、180d齡期的極限拉伸值最高，隨著石粉含量的降低或增加，混凝土180d極限拉伸值均略有降低；當(dāng)石粉含量在20.6%時(shí)，混凝土90d、180d齡期彈性模量最大；當(dāng)石粉含量在20.6%時(shí)，混凝土90d、180d齡期的軸拉強(qiáng)度最高，隨著石粉含量的降低或增加，混凝土90d、180d軸拉強(qiáng)度均略有降低。

圖8 石粉含量變化對(duì)混凝土極限拉伸值的影響

3.3 人工砂石粉含量對(duì)混凝土耐久性能的影響

混凝土抗?jié)B和抗凍性是耐久性的重要指標(biāo)，從人工砂石粉含量對(duì)混凝土抗?jié)B和抗凍性試驗(yàn)成果可以看出（見表8）：所有混凝土的抗凍等級(jí)均大于F300,抗?jié)B等級(jí)大于等于W16。石粉含量的變化對(duì)抗凍、抗?jié)B性能影響較小。

圖9 石粉含量變化對(duì)混凝土彈性模量的影響

圖10 石粉含量變化對(duì)混凝土軸拉強(qiáng)度的影響

表8 混凝土抗?jié)B和抗凍試驗(yàn)成果表

混凝土在恒溫絕濕條件下，由于膠凝材料的水化作用而引起的體積變形稱為自生體積變形?；炷恋淖陨w積變形對(duì)大壩混凝土的抗裂性有著不可忽視的影響。從人工砂石粉含量對(duì)混凝土自生體積變形的影響圖11和以往觀測(cè)資料可以分析出：混凝土自生體積變形有單純膨脹、單純收縮、先脹后縮和先縮后脹等幾種形式，從防止大體積混凝土裂縫出發(fā)，希望混凝土是微膨脹型，利用微膨脹產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力，以補(bǔ)償混凝土降溫時(shí)的收縮，防止或減少大體積混凝土產(chǎn)生裂縫。不同石粉含量混凝土的自生體積變形規(guī)律一致，石粉含量對(duì)混凝土的自生體積變形影響較小。

干燥收縮是指混凝土停止養(yǎng)護(hù)后，在不飽和的空氣中失去內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水而發(fā)生的不可逆收縮，它不同于干濕交替引起的可逆收縮。當(dāng)外界環(huán)境的相對(duì)濕度低于100%時(shí)，材料就會(huì)開始失水，體積就開始收縮，隨著環(huán)境中相對(duì)濕度的降低，水泥漿體的干縮增大；當(dāng)相對(duì)濕度小于30%時(shí)，吸附水大部分就會(huì)逸去，也會(huì)引起體積的收縮。

在條件相同的情況下，混凝土用水量越少，它在干燥過程中所失去的水也越少，干縮也越小。在保持混凝土水膠比不變、坍落度大致相當(dāng)情況下，隨著人工砂石粉含量的增加，混凝土的用水量增加，而對(duì)混凝土干縮影響最重要的因素是單位體積用水量。從圖12可以看出：石粉含量變化對(duì)混凝土干縮有著一定的影響，混凝土干縮值隨著石粉含量的增加略有增大。

圖12 混凝土干縮試驗(yàn)成果

3.4 人工砂石粉含量對(duì)混凝土熱物理性能的影響

混凝土熱物理性能包括混凝土的絕熱溫升、比熱、導(dǎo)溫系數(shù)。熱物理性能對(duì)大體積混凝土十分重要，是壩體溫度應(yīng)力和裂縫控制計(jì)算的重要參數(shù)，混凝土絕熱溫升與配合比關(guān)系很大，是優(yōu)化混凝土配合比的重要根據(jù)之一，其他熱物理性能與混凝土所用材料性能有關(guān)，特別是與用量占混凝土80%左右的骨料關(guān)系很大，混凝土配合比對(duì)熱物理性能也有一定影響。從人工砂石粉含量對(duì)混凝土熱學(xué)性能的試驗(yàn)成果表9可以看出：石粉含量變化對(duì)混凝土熱學(xué)性能影響大致相當(dāng)。

表9 石粉含量對(duì)混凝土熱學(xué)性能試驗(yàn)成果

絕熱溫升試驗(yàn)是混凝土在與外界不出現(xiàn)熱交換條件下，混凝土的溫升試驗(yàn)結(jié)果。由于混凝土是熱的不良導(dǎo)體，且由于大壩混凝土澆筑塊體積很大，澆筑塊內(nèi)水泥水化的熱量不易散失，所以實(shí)驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)近似認(rèn)為大壩混凝土不向外界傳熱。絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果從某種程度上體現(xiàn)大壩混凝土澆筑后壩體的溫升情況。從人工砂石粉含量對(duì)混凝土絕熱溫升影響試驗(yàn)結(jié)果表10可以看出：石粉含量變化對(duì)混凝土絕熱溫升影響較小。

表10 石粉含量對(duì)混凝土絕熱溫升影響試驗(yàn)結(jié)果

4 人工砂石粉含量控制標(biāo)準(zhǔn)之初步探討

錦屏人工砂石粉含量現(xiàn)狀。錦屏大壩混凝土施工用人工砂的石粉含量很高，如果按照《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T5144-2001)規(guī)定：“人工砂石粉含量宜控制在6%～18%”來評(píng)定，人工砂合格率很低?？刂迫斯ど暗馁|(zhì)量，其目的就是使混凝土的質(zhì)量滿意，通過解決骨料問題達(dá)到解決混凝土問題的目的。錦屏工程大壩混凝土存在水化熱高、收縮率大等問題，因此，混凝土的溫控和防裂是混凝土施工的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)然，混凝土裂縫的預(yù)防措施是綜合性的措施，或者說多種措施一起采用。根據(jù)采用措施的情況，一般可分為設(shè)計(jì)上的措施和施工中采取的措施。選擇合適的工程材料，通過對(duì)混凝土施工配合比的合理設(shè)計(jì)與優(yōu)化，采取了一定的技術(shù)途徑，可以防止大體積混凝土塑性裂縫及溫度裂縫的產(chǎn)生。

混凝土材料抗裂性的影響因素。影響大壩混凝土抗裂性的因素很多，一是根據(jù)工程特點(diǎn)來分析。錦屏工程大壩混凝土存在水化熱高、收縮率大等問題，因此，混凝土的溫控和防裂是混凝土施工的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)然，混凝土裂縫的預(yù)防措施是綜合性的措施，或者說多種措施一起采用。根據(jù)采用措施的情況，一般可分為設(shè)計(jì)上的措施和施工中采取的措施。選擇合適的工程材料，通過對(duì)混凝土施工配合比的合理設(shè)計(jì)與優(yōu)化，采取了一定的技術(shù)途徑，可以防止大體積混凝土塑性裂縫及溫度裂縫的產(chǎn)生。

混凝土材料抗裂性的影響因素。影響大壩混凝土抗裂性的因素很多，歸納起來可分為兩類：一類是對(duì)混凝土抗裂性有利因素，如混凝土極限拉伸、抗拉強(qiáng)度、徐變、膨脹型自生體積變形；另一類為對(duì)混凝土抗裂不利因素，如混凝土干縮、溫度變形，收縮型自生體積變形，而拉伸彈模在極限拉伸變形中反映。綜合以上影響因素，如何表征混凝土抗裂性，一般采用抗裂指數(shù)這個(gè)參數(shù)來表達(dá)。在2003年黃國(guó)興先生在對(duì)三峽大壩混凝土進(jìn)行抗裂性分析時(shí)提出以下抗裂指數(shù)計(jì)算公式

式中 C——混凝土徐變度，10-6/MPa；

G——自生體積變形，×10-6，膨脹取正值、收縮取負(fù)值；

εp——混凝土極限拉伸，×10-6；

Rl——混凝土軸拉強(qiáng)度，MPa；

a——為線膨脹系數(shù)，10-6/℃；

Tr——混凝土水化熱溫升，℃；

εs——混凝土干縮率，×10-6。

此公式考慮影響因素全面，物理意義明確，分子是在拉應(yīng)力作用下混凝土產(chǎn)生的極限拉伸變形與徐變變形，還有混凝土本身的自生體積變形（膨脹取正值、收縮取負(fù)值）；而分母為在溫度與相對(duì)濕度變化作用下混凝土發(fā)生的有害收縮變形——溫度變形與干縮變形。顯然兩者比值愈大，表明混凝土抗裂指數(shù)大、混凝土抗裂性好。

計(jì)算用不同石粉含量的人工砂配制的混凝土的抗裂指數(shù)，試驗(yàn)成果見圖13。

圖13 不同石粉含量人工砂配制的混凝土抗裂指數(shù)

從圖13可以看出，隨著石粉含量的增加，混凝土的抗裂指數(shù)呈下降趨勢(shì)。當(dāng)石粉含量大于20.6%時(shí)，混凝土抗裂指數(shù)呈直線下降趨勢(shì)，當(dāng)石粉含量在15.2%～20.6%時(shí)，混凝土抗裂指數(shù)呈平緩下降。

通過以上人工砂細(xì)度模數(shù)和石粉含量變化對(duì)混凝土性能影響試驗(yàn)，結(jié)合錦屏大壩混凝土存在水化熱高、收縮率大以及葛洲壩錦屏三灘右岸骨料加工系統(tǒng)目前制砂狀況等環(huán)境成本綜合因素考慮，參考混凝土抗裂指數(shù)試驗(yàn)成果，推薦錦屏大壩混凝土人工砂石粉含量控制上限為20%。當(dāng)人工砂石粉含量上限為20%時(shí)，可以防止大體積混凝土塑性裂縫及溫度裂縫的產(chǎn)生，也有利于生態(tài)環(huán)保，提高自然資源的利用率。

5 結(jié)論

通過人工砂石粉含量對(duì)混凝土性能的影響試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）隨著人工砂石粉含量的增加，保持混凝土水膠比、砂率、拌合物和易性相同，混凝土的單位體積用水量增加。從試驗(yàn)成果分析，人工砂石粉含量在15%～25%范圍內(nèi)，石粉含量每增加1%，混凝土單位用水量增加0.6kg。

（2）用不同石粉含量拌制的混凝土拌合物的坍落度保留率基本一致；混凝土泌水率隨著人工砂石粉含量的增加而降低，人工砂石粉含量的變化對(duì)混凝土拌合物的泌水性能比較敏感；人工砂石粉含量的變化對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間、含氣量影響較小。

（3）人工砂石粉含量的變化對(duì)混凝土力學(xué)性能、變形性能、耐久性能、熱學(xué)性能影響不明顯，存在對(duì)應(yīng)人工砂某一石粉含量下配制的混凝土單項(xiàng)性能最優(yōu)現(xiàn)象。但石粉含量變化對(duì)混凝土干縮有著一定的影響，混凝土干縮值隨著石粉含量的增加而增大。

（4）通過綜合考慮混凝土的性能，混凝土人工砂石粉含量控制范圍為6%～20%，可達(dá)到保證大體積混凝土性能，同時(shí)有利于資源利用的目的。

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[單位地址]四川省成都市浣花北路1號(hào)(610072)

陳靜，女，工程師，中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院科研所，現(xiàn)從事混凝土試驗(yàn)檢測(cè)及科研工作。