石粉含量對機制砂混凝土性能的影響

王偉，楊善順，徐仁崇

（廈門天潤錦龍建材有限公司，福建廈門361027）

石粉含量對機制砂混凝土性能的影響

王偉，楊善順，徐仁崇

（廈門天潤錦龍建材有限公司，福建廈門361027）

本文將石粉和機制砂按比例混合均勻，形成具有不同梯度石粉含量的機制砂。研究石粉含量對 C20、C40、C60 混凝土的工作性、強度和抗碳化性能的影響，結(jié)果表明：對 C20 混凝土，石粉含量在10%～15% 時工作性和強度最佳；對 C40 混凝土，石粉含量在 7%～10% 時工作性和強度最佳；對 C60 混凝土，石粉含量在5% 時工作性和強度最佳。

石粉；機制砂；工作性；抗碳化性能

0 前言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，海量的天然砂資源被消耗，帶來一系列的經(jīng)濟和環(huán)境問題，各地先后采取了強制措施“禁采河砂”。凈化海砂作為一種質(zhì)優(yōu)價廉的建筑用砂，因其含有較多氯離子、貝殼和其他有害物質(zhì)，使用頗受限制[1-2]。固而采用機制砂配制高性能混凝土必將成為預(yù)拌混凝土行業(yè)今后發(fā)展的趨勢。機制砂與天然砂中都含有大量粒徑小于 75μm 的微粉，但二者微粉性質(zhì)完全不同：河砂中的微粉被稱作泥粉，對混凝土的工作性、強度和耐久性都有不利的影響；機制砂中的微粉則被稱為石粉，石粉與母巖的物理化學性質(zhì)完全一樣，且經(jīng)過大量的試驗研究表明：適量的石粉含量對機制砂混凝土的工作性和強度無不利影響，甚至還可以在一定程度上改善混凝土的性能[3-5]。

表1是一些國家相關(guān)標準中對機制砂石粉含量的最高限值規(guī)定[6-7]。

表1 一些國家標準中機制砂石粉含量的最高限值

從表1可以看出我國采取的機制砂石粉含量限值最為嚴格，而國外某些國家對石粉含量限值放地較寬，因此對我國機制砂石粉含量的限值是否合理還需進一步的討論。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

水泥：福建漳平紅獅水泥股份有限公司 P·O 42.5R，標準稠度用水量26%，3d 抗壓強度29.6MPa，28d 抗壓強度50.2MPa。

礦粉：三鋼集團股份有限公司 S95級，比表面積436m2/kg，28d 活性指數(shù)102%。

粉煤灰：廈門益材粉煤灰有限公司Ⅱ級，細度（45μm 篩）14.6%，需水量比 98%，活性指數(shù)（28d）78%。

石粉：廈門某廠家石灰石粉，流動度比104%，細度（45μm 篩）5.2%，28d 抗壓強度比66%。

粗集料：廈門某建材廠，普通碎石二級配，石1粒徑16～31.5mm，石2 粒徑5～20mm。

外加劑：福建科之杰新材料有限公司 p-400s 聚羧酸高效減水劑，固含量19.2%，減水率30%。

水：自來水，滿足現(xiàn)行行業(yè)標準 JGJ63—2006《混凝土用水標準》的要求。

細集料：自制機制砂，具體性能指見表2。

表2 機制砂性能指標

1.2 試驗方法

自制機制砂產(chǎn)線為干法制砂，產(chǎn)線中設(shè)置有除塵和選粉裝置，成品機制砂中的石粉含量很小，可以忽略不計。為研究石粉含量對混凝土性能的影響，試驗前將石粉和機制砂按設(shè)定比例混合，形成石粉含量具有不同梯度的機制砂。

混凝土拌合物性能試驗按 GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試；混凝土抗壓強度試驗按照 GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試?；炷量箟涸嚰叽鐬?50mm×150mm×150mm 立方體，標準養(yǎng)護到規(guī)定齡期進行試驗。

碳化深度測試按照 JGJ/T23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程成型》進行，成型100mm×100mm×100mm 立方體試塊，拆模之后自然養(yǎng)護，到規(guī)定的齡期之后破碎進行碳化深度試驗。

1.3 試驗配合比

試驗用配合比見表3。

2 石粉含量對混凝土性能的影響

由于不同強度等級的混凝土中膠凝材料的用量、水膠比和用水量不同，石粉含量對混凝土性能的影響規(guī)律也不同，因此試驗設(shè)計了三個系列的試驗，對比研究了機制砂中石粉含量對不同強度等級混凝土性能的影響。石粉含量對混凝土性能的影響結(jié)果見表 4和圖1～6。

表3 試驗用配合比

2.1 石粉含量對混凝土工作性的影響

圖1和圖2 分別給出了石粉含量對混凝土坍落度和坍落拓展度的影響。從圖1和圖2 可以看出，對 C20混凝土，石粉含量在10%～15% 時工作性最佳；對 C40混凝土，石粉含量在 7%～10% 時工作性最佳；對 C60混凝土，石粉含量在5% 時工作性最佳，石粉含量超過5%，工作性變差，尤其是坍落度擴展度。分析認為：對低強度等級混凝土而言，水泥強度等級高，混凝土強度低，因此混凝土用水量較大，水膠比大，而膠凝材料用量較少，混凝土拌合物和易性較差，石粉的存在可以彌補低強度混凝土中膠凝材料較少的缺陷，從而增加了漿體量，可以改善機制砂混凝土的工作性。高強度等級的混凝土，用水量較小，水膠比小，混凝土膠凝材料用量相對較大，混凝土拌合物的和易性較好。然而，引入石粉之后，石粉細度與膠凝材料相近，增加了混凝土中粉體的體量，間接提升了混凝土的需水量，真實水膠比降低，導(dǎo)致混凝土變得粘稠，工作性變差[8]。

表4 石粉含量對機制砂混凝土性能的影響

圖1 石粉含量對混凝土坍落度的影響

圖2 石粉含量對混凝土擴展度的影響

2.2 石粉含量對混凝土強度的影響

圖3和圖 4分別給出了石粉含量對混凝土抗壓強度的影響，其結(jié)果基本與其對工作性的影響相同。對低強度等級的混凝土而言，一定的石粉含量能夠增強其抗壓強度，如石粉含量15% 的 C20 機制砂混凝土，其28d抗壓強度比 C20 基準混凝土高了16.5%；對高強度等級的混凝土而言，石粉含量大于一定限值時抗壓強度下降很快，即石粉含量10% 的 C60 機制砂混凝土比石粉含量 7% 的 C60 機制砂混凝土28d 抗壓強度下降了 7%，石粉含量15% 的 C60 機制砂混凝土比石粉含量 7% 的C60 機制砂混凝土28d 抗壓強度下降了11%。

圖3 石粉含量對混凝土 7d 強度的影響

圖4 石粉含量對混凝土28d 強度的影響

石粉對混凝土強度的影響主要因素有：（1）石粉細度較小，比表面積的跨度在200～700m2/kg，與水泥、粉煤灰和礦粉能夠很好的混合，可以優(yōu)化膠凝材料的顆粒級配，填充混凝土的孔隙，混凝土變得更加密實，增強了混凝土的強度；（2）石粉在混凝土的硬化過程中具有成核效應(yīng)，石灰石粉顆粒可以誘導(dǎo)水化產(chǎn)物析晶，加快 C3S 和 C3A 的水化，但這種作用在早期較明顯，即可以促進早期強度的快速增長，而后期作用并不明顯；（3）石灰石粉具有一定的水化增強作用，石灰石粉中的 CaCO3可以參與水泥中的 C3A 和 C4AF 的水化反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鈣，改善了水泥基材料的性能，防止 AFt 向 AFm 轉(zhuǎn)化，使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實，從而提高了混凝土的強度。上述都是石粉對混凝土強度影響的正效應(yīng)，石灰石粉對混凝土的強度也存在負影響，石灰石粉雖然具有一定的活性，但是石粉含量大于臨界值之后，致使膠凝材料的粘結(jié)力下降，包裹性變差，混凝土強度會降低[9-10]。

2.3 石粉含量對混凝土碳化深度的影響

圖5和圖6分別給出了石粉含量對不同強度等級混凝土28d 和60d 碳化深度的影響。從圖中可以看出，隨著機制砂中石粉含量的增加，28d 碳化深度和60d 碳化深度都呈現(xiàn)下降趨勢；石粉摻量相同時，強度等級越高的混凝土，同齡期的碳化深度越低；強度等級越低，石粉對混凝土密實性的改良作用越明顯。主要是由于低強度等級混凝土中膠凝材料用量較少，水灰比較大，硬化后，混凝土中存在大量的孔隙，致使混凝土的密實性不良，但隨石粉含量的增加，豐富了混凝土的漿量，使硬化后混凝土中的孔隙減少，提高了混凝土的密實性，也提高了混凝土的抗碳化性能。對于 C40 混凝土而言，混凝土中膠凝材料用量較高，水膠比較低，其整體的密實性較好，當機制砂中石粉含量提高時，對 C40 混凝土密實性的改善并沒有對 C20 混凝土密實性的改善明顯。對于 C60 混凝土而言，混凝土中膠凝材料用量很高，水膠比很低，其整體的密實性很好，抗碳化能力較強，石粉的摻入對其密實性影響較小。

圖5 石粉含量對混凝土28d 碳化深度的影響

圖6 石粉含量對混凝土60d 碳化深度的影響

3 結(jié)論

（1）石灰石粉對機制砂混凝土工作性和強度的影響隨石粉含量的變化而變化，且對不同強度等級的混凝土而言，石粉的最佳含量不同。對 C20 混凝土，石粉含量在10%～15% 時工作性和強度最佳；對 C40 混凝土，石粉含量在 7%～10% 時工作性和強度最佳；對C60 混凝土，石粉含量在5% 時工作性和強度最佳。

（2）石粉對低強度機制砂混凝土的密實性改善較明顯，對高強度混凝土密實性的影響較小。

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王偉（1988—），男，工程師，福建廈門，主要從事新型混凝土及建筑材料研究工作。

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