高石粉含量机制砂中低强度混凝土性能研究及配合比优化

刘林冲 周跃东

摘 要：试验在现有机制砂中掺入一定量的石粉用于中、低强度等级普通混凝土拌和。对比试验表明，机制砂中掺入适当的石粉能够在保证混凝土强度的同时明显改善中、低强度等级混凝土的和易性，提高混凝土可泵性，减少阻泵等施工事故的发生。

关键词：石粉；机制砂；混凝土；配合比

机制砂是经除土处理，由机械破碎、筛分制成的粒径小于4.75mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒（不包括软质、风化的颗粒），在目前天然建筑用砂严重资源短缺的情况下，机制砂在现代混凝土中得到广泛应用。机制砂颗粒粒形多呈三角体或方矩体，表面粗糙，棱角尖锐，而天然砂颗粒多呈圆形，因此，机制砂混凝土流动性相对较差且易离析，要得到同样的混凝土和易性，必须增加胶凝材料用量。

现行国家标准规定机制砂石粉含量不大于10%，但机械破碎方式生产的机制砂通常粒径小于75μm的石粉颗粒含量超标严重，砂石生产厂往往通过水洗等方式去除石粉以满足国家标准和客户要求，浪费资源、能源的同时，更对环境造成严重的影响。

另一方面，混凝土生产企业在进行普通混凝土，尤其是中、低强度等级泵送混凝土生产时，为满足混凝土泵送施工需求，必须增加胶凝材料用量，以获得更好的和易性，减少堵管、阻泵的发生。由此造成混凝土强度富余很高，大幅提高混凝土企业生产成本的同时浪费社会资源。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

本次课题结合生产实际，选用以下成都地区常用的当地材料资源进行试验研究。

（1）石粉：本试验选用成都福根砂石厂生产的大石粉含量机制砂，筛取粒径75μm以下的原状石粉，未经二次磨细加工。

（2）水泥：四川峨胜水泥集团股份有限公司生产的峨胜P.O42.5R水泥，安定性检验合格，其他主要性能指标见表1。

（3）粉煤灰：宜宾福溪粉煤灰开发有限公司Ⅰ级，主要性能指标见表2。

（4）细骨料：金马河机制2区中砂，级配情况见表3。

（6）石：金马河石灰石质碎石，5～25mm连续级配。

（7）外加剂：江苏苏博特新材料股份有限公司PCA-Ⅰ型聚羧酸高性能减水剂。

（8）拌和水：成都地下水。

1.2 试验方法

根据《普通混凝土拌合物性能测试方法标准》（GB/T 50080-2002）进行混凝土坍落度、扩展度等混凝土工作性能进行测试，混凝土力学性能测试按《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）进行，试件尺寸150×150×150mm。所有试验仪器均满足国家标准要求。

2 试验过程及结果分析

2.1 试验过程

考虑到直接取用石粉砂，难以获得试验所需的定值石粉含量，所以，本次试验采用成都福根砂石厂生产的机制石粉砂，筛取粒径75μm以下的颗粒，按不同比例掺入生产所用金马河2区机制中砂进行混凝土拌和试验，基准配合比使用原装机制砂，不掺入石粉。

使用原装机制砂进行进行基准配合比混凝土拌和，获取最优砂率、外加剂掺量等技术指标后，开展对比试验。后期试验发现，随着石粉掺入量及混凝土强度等级的变化，砂率、外加剂掺量均需作出相应的调整，以获取更好的混凝土和易性。因此，后期试验过程中，同强度等级的混凝土，除石粉掺入量、砂率及外加剂掺量作出相应改变，其他材料用量均不作调整，对比各组混凝土工作性能与力学性能。部分实验数据见表5。

2.2 试验结果分析

试验表明，在适当调整砂率和外加剂掺量的情况下，在机制砂中掺入石粉，可以有效改善混凝土的和易性。在一定的范围内加大石粉掺入量，可提高混凝土工作性能，但随着混凝土强度等级的提高，胶凝材料总量的增加，和易性改善效应逐渐降低。同时，机制砂中适当的石粉含量，可以提高混凝土强度，但如果掺入过多石粉，则对混凝土强度有较大影响，同时影响混凝土坍落度。数据表明，混凝土强度等级越高，胶凝材料总量越大，在不影响混凝土强度的前提下，可以掺入的石粉比例越高，石粉掺入量与各强度等级混凝土性能指标示意图见图1。

图1 各强度等级混凝土石粉掺入量与性能指标关系曲线图

3 石粉砂混凝土配合比优化

3.1 砂率优化调整

大量试验表明，随着石粉掺入量的变化，需适当调整砂率以获得最佳混凝土工作性能。通过表5可发现，石粉掺入量加大，砂率需有一定的提高。因为石粉颗粒粒径小于75μm，与水泥、粉煤灰粒径相当，因此，我们可以理解为，机制砂中掺入石粉，相当于混凝土增加胶凝材料，而机制砂（75μm-4.75mm）用量则有减少，因此，需增加机制砂的使用量，即增大砂率。

3.2 外加剂掺量调整

类似3.1所表述，在机制砂中掺入与水泥、粉煤灰粒径相当的石粉，相当于增加胶凝材料，因此，计算时，需将石粉归入胶凝材料，并以此确定外加剂用量。

3.3 石粉含量的调整

根据图1所示，不同强度等级的混凝土，最佳石粉含量相差较大。对于低强度等级混凝土（C30以下），因为胶凝材料总量少，混凝土和易性差，难以泵送施工，因此，低强度等级混凝土，宜选用不降低强度可选的最大石粉掺入量；而对于强度稍高的混凝土（C30及以上），混凝土已经有较好的和易性，基本能满足泵送施工，所以，我们选用强度增长最大值。由此确定的各强度等级混凝土最优石粉掺入量见表6。

4 工程实例

成都市环球时代中心位于成都市城南，紧邻成都地铁一号线世纪城终点站，是国内首个集“第五代写字楼”、“LOFT创意空间”、“商企CEO私邸”、“国际购物中心”于一体的大型建筑楼群，总建筑面积约26.4万m2。其1#楼第33层1、2单元墙柱各使用C40混凝土300m3，第34层有梁板分别使用C30混凝土260m3，同一天完成浇筑。为对比试验，1单元所有混凝土均使用掺配石粉机制砂，两种砂掺配后，确保C30砼所用机制砂石粉含量为12%，用于C40混凝土配制的机制砂石粉含量为15%；2单元所有混凝土均直接使用原有机制砂，不掺入石粉砂。浇筑时，掺入石粉的混凝土和易性明显优于不掺加石粉的混凝土，混凝土脱模后，所有混凝土外观良好。28天混凝土采用钻芯法取样进行强度测试，数据见表7：

5 结语

石粉在机制砂生产过程中大量产生，大部分机制砂生产企业均通过筛分、水洗等方式去除，浪费自然资源的同时，增加企业设备投入与维护费用，同时对环境造成影响。

试验及工程实际应用证明，机制砂生产过程中所产生的石粉，在经过试验后按一定比例掺入机制砂，或直接使用石粉砂与普通机制砂配合使用，可以明显改善混凝土工作性能，提高混凝土和易性，尤其是对胶凝材料用量较少的低强度等级混凝土。

力学性能方面，适当的石粉掺入，可以在一定程度上提高混凝土强度，但过量的石粉掺入，会严重影响混凝土的强度。因此，最优石粉掺入量需经过试验获取数据，并经小范围施工验证。通常，混凝土强度等级越高，胶凝材料总量越大，越可以容纳更多的石粉而不影响混凝土强度。

参考文献

[1] 刘小兵等.石粉含量对机制砂混凝土性能的影响[J].粉煤灰，2011（12）.

[2] GB/T 14684-2011.建设用砂[S].

[3] 黄燕基等.泵送低强度等级混凝土的研究与应用[J].红河水，2003（1）.

作者简介：刘林冲（1986.10- ），男，本科，毕业于西南科技大学材料科学与工程专业，四川楚北混凝土有限公司，助理工程师，研究方向：商品混凝土及混凝土制品研究。