石粉含量對C30和C50機(jī)制砂混凝土性能的影響

孫 勝 偉

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司， 天津 300222)

近年來，學(xué)者們已對石粉含量對機(jī)制砂混凝土和易性的影響進(jìn)行了許多相關(guān)研究[1-5]。研究表明機(jī)制砂中石粉含量的增大會導(dǎo)致混凝土的需水量的增加[6-10]。同時，學(xué)者們在石粉含量對機(jī)制砂混凝土的抗?jié)B、變形、強(qiáng)度等其他性能的影響方面也有相關(guān)研究[11-15]。因此，對于混凝土工作性能而言，石粉的最佳含量這一問題亟待進(jìn)一步研究。本文將重點對機(jī)制砂石粉含量及對混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律展開系統(tǒng)研究。

1 石粉含量對混凝土坍落度與擴(kuò)展度的影響

采用C30和C50機(jī)制砂混凝土分別作為普通混凝土和高強(qiáng)混凝土來研究石粉含量對這兩類混凝土性能的影響進(jìn)行研究，C30機(jī)制砂混凝土水灰比為0.42，砂率為42%，C50機(jī)制砂混凝土水灰比為0.35，砂率為41%，不添加粉煤灰。

試驗結(jié)果表明：機(jī)制砂混凝土的擴(kuò)展度隨石粉含量的增加而減小，坍落度在石粉含量10%～15%和5%～7%之間時較好。

發(fā)生上述現(xiàn)象的原因是，由于混凝土水膠比較大，拌和水量多而膠凝材料較少，多余水不能被顆粒表面特別是膠凝材料表面吸附形成水膜，從而出現(xiàn)離析泌水現(xiàn)象。機(jī)制砂中石粉主要是小于0.075 mm甚至更細(xì)的顆粒，其粒徑與水泥接近，部分顆粒甚至接近二級粉煤灰的粒徑，所以隨著機(jī)制砂中石粉含量的增加，細(xì)顆粒的比例增加，大大提高了細(xì)顆粒的比表面積，從而使拌和物的黏聚性和保水性提高，拌和物狀態(tài)改善；但當(dāng)石粉含量進(jìn)一步增加時，細(xì)顆粒含量進(jìn)一步增加，使整體的拌和需水量增加，在用水量一定的情況下，拌和物逐漸變得黏稠。

對于C50機(jī)制砂混凝土，當(dāng)石粉含量為0時，混凝土坍落度為160 mm，擴(kuò)展度只有320 mm并且由于水灰比較低，拌和物非常黏稠，流動很慢，不能滿足泵送施工要求，這在高強(qiáng)混凝土的生產(chǎn)過程中是經(jīng)常出現(xiàn)的，不僅影響了施工效率，也使混凝土的施工質(zhì)量受到影響。但隨機(jī)制砂中石粉含量的增加，混凝土坍落度和擴(kuò)展度明顯提高且黏聚性良好，拌和物松軟、流動變快，坍落度達(dá)到220 mm，擴(kuò)展度也達(dá)到了550 mm，基本可達(dá)自密實混凝土的擴(kuò)展速度，當(dāng)石粉含量超過20%后，混凝土擴(kuò)展度有所減小，黏度明顯增大。發(fā)生此種現(xiàn)象的原因是，水泥水化產(chǎn)生帶正電荷的水化鋁酸鈣和帶負(fù)電的水化硅酸鈣顆粒，這些電荷相反的顆粒很容易產(chǎn)生絮凝，使拌和物喪失流動性，不利施工。而表面致密的石粉顆粒分散在水泥顆粒之間，能起到分散劑的作用，阻止不同電性水泥水化顆粒產(chǎn)生絮凝，增加分散性，這是混凝土坍落度、擴(kuò)展度以及流動增大的主要原因。

2 石粉含量對混凝土抗壓強(qiáng)度影響

混凝土抗壓強(qiáng)度是混凝土力學(xué)性能基本指標(biāo)。通過試驗分析了機(jī)制砂中石粉含量對C30和C50機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，見圖1和圖2。

從圖1和圖2中可以看出：對于石粉含量在20%以下的C30機(jī)制砂混凝土和石粉含量在15%以下的C50機(jī)制砂混凝土，隨著石粉含量的增加，機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度有較小的提高。從對機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響可以看出，C30和C50機(jī)制砂混凝土的最佳石粉含量分別約為15%和10%。這表明對機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度而言，也存在最佳的石粉含量，不同的機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度等級對應(yīng)了不同的機(jī)制砂石粉含量。

圖1 C30機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度隨石粉含量的變化

圖2C50機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度隨石粉含量的變化

石灰石粉在水化的過程中可以與水泥中的C3A和C4AF發(fā)生反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鈣，水化碳鋁酸鹽可以與其他水化產(chǎn)物相互搭接，使水泥石結(jié)構(gòu)更加密實，從而提高了水泥石的強(qiáng)度。當(dāng)混凝土中膠凝材料的摻量過多時，石粉的增強(qiáng)作用減弱，而強(qiáng)度降低作用會更加明顯，這就是C50機(jī)制砂混凝土的最佳石粉含量低于C30混凝土的最佳石粉含量的原因，且隨著混凝土強(qiáng)度的增加，最佳石粉含量降低。

3 石粉含量對混凝土長期抗壓強(qiáng)度的影響

試驗選取了三個石粉含量進(jìn)行對比，分析機(jī)制砂中石粉含量對7 d、28 d、60 d、90 d和180 d抗壓強(qiáng)度的影響，試驗結(jié)果見圖3和圖4。

試驗結(jié)果顯示：對于C30和C50混凝土，石粉含量對混凝土的早期強(qiáng)度有一定的提高作用，特別是60 d以前的抗壓強(qiáng)度，有一定的提升；但對混凝土的長期強(qiáng)度，即90 d以后的強(qiáng)度基本沒有影響。這主要是因為石粉本身基本沒有水化活性，即使齡期再久也不會對強(qiáng)度有明顯改善。

圖3 不同石粉含量C30機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度隨時間變化

圖4不同石粉含量C50機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度隨時間變化

4 石粉含量對混凝土收縮性能的影響

試驗選取了五種石粉含量進(jìn)行對比，分析機(jī)制砂中石粉含量對不同齡期C30和C50機(jī)制砂混凝土收縮性的影響，試驗結(jié)果見圖5和圖6。

圖5石粉含量對C30機(jī)制砂混凝土收縮性能的影響

從圖5中可以看出，C30機(jī)制砂混凝土中石粉含量10%是一個分界線，隨著石粉含量的增加，C30機(jī)制砂混凝土的干縮率先逐漸增大后逐漸減小。

圖6研究結(jié)果表明，C50機(jī)制砂混凝土中石粉含量7%是一個分界線，隨著石粉含量的增加，C50機(jī)制砂混凝土的干縮率先逐漸增大后逐漸減小。

圖6石粉含量對C50機(jī)制砂混凝土收縮性能的影響

機(jī)制砂混凝土的收縮特性取決于以上兩種因素的平衡，對于C30混凝土膠材數(shù)量相對較少，由于石粉比表面積較大，在其表面形成較厚的水膜，從而增加干縮，C50混凝土用水量較少，當(dāng)石粉增加到一定程度后，粉體表面的水膜不增反降，從而干縮趨緩。

5 機(jī)制砂中石粉含量對混凝土耐久性的影響

采用試驗分析了C30和C50機(jī)制砂混凝土中，機(jī)制砂中不同石粉含量對機(jī)制砂混凝土的耐久性的影響，試驗結(jié)果見圖7和圖8。

圖7 石粉含量對C30機(jī)制砂混凝土耐久性的影響

圖8石粉含量對C50機(jī)制砂混凝土耐久性的影響

圖7研究結(jié)果表明，隨著機(jī)制砂中石粉含量的增加，尤其是當(dāng)石粉含量大于3%時，C30機(jī)制砂混凝土的電通量迅速降低，這表明了混凝土耐久性增強(qiáng)。

從圖8可以看出，機(jī)制砂中石粉的含量對于C50機(jī)制砂混凝土的耐久性影響不大。

從以上研究結(jié)果中可以看出，石粉含量對于C30和C50機(jī)制砂混凝土的耐久性的影響有很大的區(qū)別，這主要是由于石粉對于兩類混凝土的空隙率影響不同，從而導(dǎo)致了對不同強(qiáng)度的混凝土的耐久性能的影響規(guī)律不同。

6 結(jié) 論

通過上述研究得出，機(jī)制砂混凝土的擴(kuò)展度隨石粉含量的增加而減小，坍落度在石粉含量10%～15%和5%～7%之間時較好，利用這個影響機(jī)制調(diào)整機(jī)制砂中的石粉含量達(dá)到適量可以改善機(jī)制砂混凝土的工作性能。對于石粉含量在20%以下的C30機(jī)制砂混凝土和石粉含量在15%以下的C50機(jī)制砂混凝土，隨著石粉含量的增加，機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度有較小的提高。從對機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響可以看出，C30 和C50機(jī)制砂混凝土的最佳石粉含量分別約為15%和10%。這表明對機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度而言，也存在最佳的石粉含量，不同的機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度等級對應(yīng)了不同的機(jī)制砂石粉含量。C30在10%～15%左右，C50在7%～10%左右。但石粉含量對機(jī)制砂混凝土的長期強(qiáng)度基本沒有影響。石粉含量對混凝土耐久性有一定的影響，對C30混凝土的耐久性能提高，C50混凝土的耐久性影響不大。