石粉含量對中低強度機制砂混凝土耐久性能影響

■林洪法

（福建新路達交通建設監(jiān)理有限公司，南平 353000）

混凝土是用砂石骨料，水泥，礦物摻合料、水，以及外加劑通過不同配合比，拌制而成的各種強度的人工建材，大量應用于工程建設中[1]。近年來隨著福建省交通建設的迅速發(fā)展，以河砂為主的天然砂已無法滿足工程建設需求，同時天然砂的過度開采，嚴重破壞了自然環(huán)境。這種矛盾日益突出，影響工程建設進度。而機制砂作為細集料，含泥量可控、細度模數(shù)穩(wěn)定、經(jīng)濟性好，替代天然河砂在福建省的應用，已成為持續(xù)發(fā)展的趨勢；福建省政府對此也出臺了一系列的文件限制閩江砂的開挖，推廣機制砂在福建省的應用[2]。機制砂與天然砂均是粒徑均小于4.75mm的巖石顆粒，且不包括軟質(zhì)巖、風化巖石的顆粒，但機制砂是巖石經(jīng)破碎、粉碎、選粉等流程生產(chǎn)而得到的，在這個過程中必然會產(chǎn)生部分小于0.075mm的顆粒（即石粉），這是機制砂與天然砂最大的不同。

關于機制砂混凝土的研究主要集中于以下幾個方面：（1）機制砂混凝土配合比設計方法[3]和配合比參數(shù)[4-5]對機制砂混凝土性能的影響；（2）機制砂混凝土與天然砂混凝土的性能比較，及其代替天然砂混凝土的可行性[6-7]；（3）機制砂中石粉對混凝土性能的影響作用。隨著機制砂混凝土應用程度不斷加強，學術界對其研究也在不斷深入，尤其是針對第三方面的研究，目前已成為一個熱點問題。例如《建設用砂》（GB/T 14684—2011）從混凝土強度考慮，規(guī)定機制砂中石粉含量的最大值:強度等級為小于C30、C30～C60和大于C60混凝土的石粉含量最大值分別為7%、5%、3%，該標準對石粉含量的要求與實際應用存在一定的差距。文獻[8]綜合考慮機制砂混凝土強度性能和工作性能，確定了機制砂中石粉含量的上限值：C30和C50混凝土的石粉含量對應值分別為15%和10%。文獻[9]研究發(fā)現(xiàn)機制砂對于混凝土的干縮具有正負效應：當石粉含量較小時（小于11%），負效應占優(yōu)勢，干縮率隨石粉含量的增加而增大；當石粉含量超過一定值時，正效應占優(yōu)勢，干縮率隨石粉含量的增加有減小趨勢。

通過以上文獻論述可知，目前在石粉對機制砂混凝土的影響作用的研究領域，主要是關于石粉含量對混凝土強度、工作性能、體積穩(wěn)定性能的研究，而關于石粉含量對中低強度機制砂混凝土耐久性能影響的報道則較少涉及。為此，本文通過試驗研究不同石粉含量的C25、C30混凝土耐久性能，得到石粉的合理摻量，可以加深人們對機制砂的了解，為機制砂混凝土推廣應用提供參考。

1 原材料與試驗方法

（1）原材料

水泥：P.O42.5的普通硅酸鹽水泥，技術指標見表1。粗集料為4.75～31.5mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石，表觀密度2740 kg/m3。細集料為石灰?guī)r機制砂，先將機制砂用0.075mm標準篩進行篩洗，得到不含石粉的機制砂，然后通過人工添加石粉的方法，按0%、3%、6%、9%、12%石粉含量重新配制機制砂。外加劑采用減水率為30%的聚羧酸高性能減水劑。試驗中拌和C25、C30的混凝土，用于研究石粉含量對混凝土工作性能的影響，采用的混凝土配合比見表2。

表1 水泥物理性能

表2 機制砂混凝土配合比設計

（2）試驗方法

影響混凝土耐久性的各種破壞過程都與外界氯離子滲透侵蝕有密切的關系，因此，混凝土的抗氯離子滲透性能被認為是評價混凝土耐久性的重要指標。混凝土抗?jié)B性測定按照 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009）進行電通量法氯離子滲透試驗：成型試件為高150 mm、直徑100mm的圓柱體，使用試件在養(yǎng)護至28 d齡期后切割為兩個高50 mm、直徑為100 mm的小圓柱體試件，采用全自動真空保水機和數(shù)顯電通量測定儀測試電通量表征混凝土抗氯離子滲透性能。

混凝土抗凍性測定按照GB/T 50082-2009標準進行快凍試驗：采用 100mm×100mm×400mm的棱柱體試件，在標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護至 24d，將試件放在 20±2℃水中浸泡4d，試件應在28d時開始進行凍融試驗。每次凍融循環(huán)應在2～4h內(nèi)完成，且用于融化的時間不得少于整個凍融循環(huán)時間的1/4，完成凍融循環(huán)后取出試件稱重并測定橫向基頻。本研究中設定凍融循環(huán)次數(shù)為200次，應用質(zhì)量損失率和相對動彈性模量指標評價不同石粉含量混凝土的抗凍耐久性能。

試件質(zhì)量損失率按式（1）計算：

式（1）中ΔW為試件經(jīng)過200次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率（%）；W0為未經(jīng)凍融循環(huán)作用試件的質(zhì)量；W200是試件經(jīng)過200次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量。

試件相對動彈性模量按式（2）計算：

式（2）中Pi為試件經(jīng)過 200次凍融循環(huán)后的相對動彈性模量（%）；f0為未經(jīng)凍融循環(huán)作用試件的橫向基頻（HZ）；f200是試件經(jīng)過200次凍融循環(huán)后試件的橫向基頻（HZ）。

2 結(jié)果與分析

（1）石粉含量對機制砂混凝土抗?jié)B性能影響分析

從圖1可以看出，對于C25混凝土，隨著機制砂中石粉含量在0～12%范圍內(nèi)增加，尤其是當石粉含量大于6%時，機制砂混凝土的電通量迅速降低，表明石粉可以改善C25混凝土的抗氯離子滲透性能，且隨著石粉含量的增加這種改善作用愈加明顯。其主要原因是由于C25混凝土中水泥用量較少，水灰比較大，硬化后，混凝土中存在大量的孔隙，致使混凝土的抗氯離子滲透性能不良，但隨石粉含量的增加，豐富了混凝土的漿量，提高了混凝土的密實性，使硬化后混凝土中的孔隙減少，從而提高了混凝土的抗氯離子滲透性能。

圖1 石粉含量對C25機制砂混凝土電通量影響

圖2 石粉含量對C30機制砂混凝土電通量影響

從圖2中可以看出，相比于C25混凝土，C30混凝土電通量值明顯要小，且C30混凝土滲透性能受石粉含量變化的影響不如C25受石粉含量的影響明顯，這是因為C30混凝土中水泥用量較高，水膠比較低，密實性好，混凝土中本身連通毛細孔較少，其整體的抗氯離子滲透性能較好；可見，石粉的存在對于密實性好且高強混凝土的硬化結(jié)構(gòu)體影響不明顯，石粉對于強度較高的混凝土抗氯離子滲透性能變化影響不顯著。

（2）石粉含量對機制砂混凝土抗凍性能影響分析

圖3為C25和C30混凝土在不同石粉含量下的質(zhì)量變化率結(jié)果。圖4為C25和C30混凝土在不同石粉含量下的相對動彈性模量結(jié)果。

圖3 石粉含量對C25、C30機制砂混凝土質(zhì)量變化率影響

圖4 石粉含量對C25、C30機制砂混凝土相對動彈性模量影響

兩組不同強度的混凝土試驗結(jié)果均反映了混凝土抗凍性能受石粉含量的影響規(guī)律，且表現(xiàn)出相近的趨勢，即C25和C30混凝土的石粉含量在0～12%范圍內(nèi)增加時，質(zhì)量變化率和相對動彈性模量均沒有表現(xiàn)出顯著差別，這說明了兩種混凝土抗凍性能均沒有受到石粉含量變化的影響。

比較C25和C30混凝土的質(zhì)量變化率結(jié)果（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，兩組強度不同的混凝土間存在有一定差距，前者基本維持在1.2%，后者基本維持在0.8%，表明較高強度混凝土抗凍性能是好于低強度混凝土的抗凍性能。比較C25和C30混凝土的相對動彈性模量結(jié)果（圖4）可以得到同樣的結(jié)論。這是因為石粉具有填充效應，其細度的減小能夠增強混凝土密實性和抗氯離子滲透性，但影響抗凍性的關鍵因素是水灰比和含氣量，導致細度的減小不足以對抗凍性產(chǎn)生明顯的改善作用。相反，不具有膠結(jié)性能的惰性石粉降低了水泥在粉料中的比例，產(chǎn)生“稀釋效應”而導致沒有足夠的水泥漿體來包裹所有礦料，使得水泥漿體在凍融中更容易剝落和產(chǎn)生裂紋。C30機制砂混凝土體系的水膠比低、膠材用量高，石粉的填充效應和稀釋效應均不明顯，所以其抗凍性能更好。

進一步對抗凍性能兩個指標進行比較分析還可以發(fā)現(xiàn)，C25、C30兩組混凝土經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率均遠小于規(guī)范5%的限制；但從相對動彈性模量指標來看，C25混凝土經(jīng)過200次凍融循環(huán)后相對動彈性模量在55%左右，已處于規(guī)范要求60%的限值以下，即使是抗凍性能較好的C30混凝土的抗凍性能也有很大損失。可見，質(zhì)量變化率5%的限值要求其實是較寬松的。

3 結(jié)論

本文依托于C25、C30兩種機制砂水泥混凝土，通過室內(nèi)試驗研究了機制砂中石粉含量對混凝土耐久性的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）從抗氯離子滲透性能角度出發(fā)，機制砂中石粉含量越高越好，從抗凍性能角度出發(fā)，石粉含量影響作用不明顯，考慮耐久性建議石粉含量高于6%，但工程中需結(jié)合強度、工作性和體積安定性等要求確定石粉含量的上限。

（2）相比質(zhì)量損失率，相對動彈性模量指標更適合用于評價機制砂混凝土抗凍性能。

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