石粉对机制砂混凝土工作性能的影响研究

马增琦，孙文晋，赖 雄

(1. 广东云茂高速公路有限公司，广东 广州 510635；2. 湖南联智科技股份有限公司，湖南 长沙 410200；3. 湖南省预应力桥梁质量控制工程技术研究中心，湖南 长沙 410200)

原材料的配合比与混凝土工作性能的关系一直是研究的重点，特别是随着以河沙为主的天然砂资源供应逐渐短缺，机制砂混凝土得到了广泛地应用与发展[1-5]。其中，石粉是机制砂的重要组成部分，学者们围绕石粉最佳含量的选取、不同石粉含量与其工作性能和抗压强度的变化关系等开展了许多研究和讨论。多数试验结果表明，与以河砂为主的传统混凝土相比，选取合适的石粉含量，可提升机制砂混凝土的和易性、填充混凝土的骨料间隙、提高抗压强度[6-8]，最佳石粉含量的选取与机制砂混凝土的强度等级相关，且略有不同[9-10]。

本文开展了以石粉等质量取代其他原材料用量的机制砂混凝土配合比设计研究，对比分析了不同石粉含量与机制砂混凝土工作性能和抗压强度的变化关系，为机制砂混凝土在施工建设中的配合比设计提供参考。

1 原材料

各种材料性能见表1～表3。

表1 水泥的物理性能比表面积/(m2·kg-1)标准稠度/%凝结时间/min初凝终凝安定性抗折强/MPa抗压强度/MPa3 d28 d3 d28 d33625.4150193合格6.99.333.253.5

表2 机制砂主要性能指标表观密度/(kg·m-3)堆积密度/(kg·m-3)孔隙率/%细度模数总压碎值/%石粉含量/%MB值泥块含量/%2.7361.64639.83.0216.15.00.50

表3 粗集料主要性能指标表观密度/(kg·m-3)堆积密度/(kg·m-3)孔隙率/%压碎值/%针片状颗粒含/%含泥量/%泥块含量/%2.7701.56044.01140.80

1)水泥。P· II 42.5硅酸盐水泥。

2)细集料。石粉含量为5%的花岗岩机制砂，细度模数3.02。

3)粗集料。花岗岩，比例为m(5～10 mm)∶m(10～20 mm)=20%∶80%。

4)外加剂。缓凝型聚羧酸高性能外加剂，减水率为27%。

5)石粉。机制砂生产过程中通过干法除粉设备收集到的石粉，其岩性跟母岩一致。

2 试验方法

2.1 石粉等质量取代机制砂

固定一组混凝土配合比，用不同的石粉质量等量取代机制砂，对比分析该配合比下机制砂混凝土中不同的石粉含量与其工作性能和抗压强度的变化关系。选取的配合比为m水泥∶m机制砂∶m碎石(5～10 mm)∶m碎石(10～20 mm)∶m水=440∶702∶219∶878∶161。其中，机制砂混凝土的各项内容均按《广东省公路工程机制砂水泥混凝土应用技术规范》(GDJTG/TB01—2017)[11]进行设计和配制。

2.2 石粉等质量取代水泥

固定一组混凝土配合比，用石粉等质量取代水泥，对比分析石粉等质量取代水泥与机制砂混凝土的工作性能和抗压强度的变化关系。试验选取花岗岩机制砂，初始石粉含量为11%，细度模数2.91，配合比为m水泥∶m机制砂∶m碎石(5～10 mm)∶m碎石(10～20 mm)∶m水=440∶702∶219∶878∶161。

2.3 机制砂等质量取代水泥

根据规范[11]中6.2.1配合比设计“基本要求”的条文说明，“机制砂制备的混凝土中往往含有一定的石粉，在混凝土中可发挥填料的作用，对于高水灰比混凝土，可以大幅度降低渗透系数，如果采用机制砂制备混凝土，可采用最大水粉比来要求”。设置一组基准配合比，保持单方混凝土中粉体含量、水粉比及用水量一致，水泥用量等于基准配合比中的水泥用量减去机制砂中石粉含量超过4%的部分，对比分析机制砂中用于起胶凝作用的石粉等质量取代水泥与混凝土工作性能和抗压强度的变化关系。选取的基准配合比为m水泥∶m机制砂∶m碎石∶m水=380∶730∶1 143∶167。

3 试验结果及分析

3.1 石粉用量等质量取代机制砂

为了分析C40机制砂混凝土中不同石粉含量与其工作性能和抗压强度的变化关系，按2.1节所示进行配比，共配置4组C40机制砂混凝土进行试验分析，具体数值如表4所示。其中，A-1为石粉含量5.0%的C40机制砂混凝土配比用量；通过使用等质量的石粉取代机制砂用量，可得到石粉含量依次为7%、10%和12%的3组机制砂混凝土配比用量，分别记为A-2、A-3和A-4，其水泥、碎石用量及用水量均与A-1保持一致。对比分析4组机制砂混凝土的工作性能及7 d和28 d的抗压强度，试验结果如表5所示。图1为抗压强度随石粉含量变化折线图。

表4 不同石粉含量的C40机制砂混凝土配合比试验编号机制砂中石粉含量/%原材料用量/(kg·m-3)水泥机制砂石粉取代机制砂质量/kg碎石(5～10)mm碎石10～20 mm水外加剂A-1544070202198781613.96A-27440688142198781614.40A-310440667352198781615.28A-412440653492198781615.72

表5 不同石粉含量的机制砂对C40机制砂混凝土性能的影响混凝土配比坍落度/mm扩展度/mm工作性能描述强度/MPa7 d28 dA-1160420包裹性差、离析、泌水、粘聚性差、流动性差51.556.8A-2195490包裹性好、略泌水、粘聚性中、流动性好52.457.3A-3185420包裹性好、粘聚性好、流动性好53.962.1A-4200490包裹性好、黏稠、流速慢53.057.4

图1 C40机制砂混凝土抗压强度随石粉含量的变化

结合表4、表5和图1，对4组试验结果进行分析，在试验选取的相同机制砂混凝土配合比中，石粉含量的逐渐增大使C40机制砂混凝土的工作性能产生较大改变。如图表所示，在该配合比下的石粉含量取值达到10%时，机制砂混凝土的工作性能与抗压强度最好。当石粉含量较低时，混凝土拌合物的稠度和粘聚性较差，提升石粉含量可使其逐渐增大，保水性也随之加强，有效改善了离析现象和泌水现象。当石粉含量偏高时，机制砂混凝土的工作性能表现为包裹性好、黏稠、流速慢，分析其原因，石粉含量不断增加的同时，会使混凝土固体表面积增大，所需的用水量增加，导致混凝土拌合物的流动性较差，工作性能下降。机制砂混凝土的7 d和28 d抗压强度也与石粉含量变化相关，石粉含量达10%时,7 d强度达到53.9 MPa，28 d强度达到62.1 MPa；如石粉含量继续增加，抗压强度开始下降。说明在此配合比下石粉含量为10%时该机制砂抗压强度效果最好。

3.2 石粉等质量取代水泥用量

为研究不同用量石粉等质量取代水泥与C40机制砂混凝土工作性能和抗压强度的变化关系，以石粉含量为11.0%的C40机制砂混凝土为基础，确定机制砂用量、碎石用量及用水量不变，通过采取石粉等质量取代水泥的方式，开展对照试验。试验共配置4组C40机制砂混凝土进行对比分析，第1组为正常配合比下的机制砂混凝土，后3组为石粉用量分别以2%、3.7%、5%等质量取代水泥的机制砂混凝土，分别表示为C-1、C-2、C-3、C-4，具体试验数值如表6所示。表7为不同用量石粉等质量替换水泥对C40机制砂混凝土性能的影响和7、28 d抗压强度的测试结果。图2为抗压强度与石粉取代水泥量的关系。

图2 抗压强度与石粉取代水泥量的关系

结合表6、表7可知，石粉取代量的改变对机制砂混凝土流动性的强弱影响较大。由于石粉的存在相当于提供了微滚珠功能，使得混凝土内部摩擦力减少，稠度逐步上升。对比表5可知，取代后的混凝土7 d和28 d抗压强度均比原配合下的强度低，分析其原因，取代后的机制砂混凝土中水泥用量减少，使得各集科间的粘聚力下降，从而导致抗压强度偏低。

表6 不同石粉质量等量取代水泥的C40机制砂混凝土配合比混凝土配比石粉取代水泥量/%原材料用量/(kg·m-3)水泥石粉机制砂碎石(5～10 mm)碎石(10～20 mm)水外加剂C-1044007022198781613.96C-22.043287022198781614.40C-33.7425157022198781615.28C-45.0420207022198781615.72

表7 石粉等量取代水泥对C40机制砂混凝土性能的影响混凝土配比坍落度/mm扩展度/mm工作性能描述强度/MPa7 d28 dC-1190370包裹性好、粘聚性差、流动性差50.855.9C-2210450包裹性好、粘聚性好、流动性好、黏度适中51.957.3C-3200430包裹性好、粘聚性好、流动性好、稍黏51.154.6C-4205410包裹性好、粘聚性好、流动性差、黏稠50.053.7

3.3 机制砂用量等质量取代水泥

将机制砂看成是细骨料和胶凝材料复合体系，其中机制砂石粉含量在4%以下部分看成是常规砂含量中的粉料，为砂的一部分，确保混凝土的和易性；含量超出4%的部分则可当成胶凝材料看待，起到降低混凝土中水泥浆孔隙、发挥胶凝作用。本试验以低水泥用量为目标，充分利用机制砂中超出4%的那部分石粉，并将其看成是胶材体系中的掺合料，以此来处理高强度等级水泥配制低强度等级或大坍落度混凝土时，混凝土强度富余过大与和易性较差之间的矛盾。共配置5组C30机制砂混凝土进行对比分析，第1组为基准配合比下的机制砂混凝土，石粉含量为4%，另4组为石粉含量分别为6.1%、10%、12%和14%的机制砂用量取代水泥用量的机制砂混凝土。具体试验数值如表8、表9所示。图3为抗压强度与机制砂石粉含量的关系。

图3 抗压强度与石粉含量的关系

结合表8、表9可知，随着机制砂等量替代水泥用量的增加，混凝土中石粉用量也随之增加，机制砂混凝土的工作性能和抗压强度逐步增强。继续增大机制砂石粉含量，机制砂超出4%的石粉质量逐渐增大，机制砂替换量逐渐增大，水泥用量逐渐减少，粘聚性和流动性变差，抗压强度下降。

表8 石粉取代不同水泥用量C30机制砂混凝土配合比混凝土配比石粉取代水泥量/%机制砂石粉含量/%机制砂超出4%石粉质量/kg水粉比原材料用量/(kg·m-3)水泥机制砂碎石水外加剂A-10400.443807301 1431673.51A-24.26.1160.443507601 1431673.74A-38.710330.443337771 1431673.80A-417.612670.443177931 1431673.88A-522.414850.442998111 1431673.96

表9 石粉取代不同水泥用量对C30机制砂混凝土性能的影响混凝土配比坍落度/mm扩展度/mm工作性能描述强度/MPa7 d28 dA-1--离析、泌水36.743.3A-2140350包裹性好、粘聚性差、轻微泌水,流动性差38.743.1A-3190430包裹性好、粘聚性好、流动性好39.344.5A-4170380包裹性好、粘聚性好、流动性良34.339.9A-5135330包裹性好、粘聚性差、流动性差32.738.4

4 结论

采用石粉等质量取代机制砂、水泥以及机制砂等质量取代水泥等3种优化方案，开展了机制砂混凝土工作性能的试验研究，对试验结果进行分析和讨论，得出如下结论：

1) 在一定配合比下，当石粉含量较低时，增大石粉含量可有效提高机制砂混凝土的工作性能和抗压强度，但当超过某一最佳值时 (文中石粉含量最佳值约为10%)，石粉含量若继续增加会起负作用，降低混凝土的和易性和强度。

2) 用石粉部分替代水泥用量，可使机械砂混凝土的工作性能得到提升，虽然抗压强度对比正常配合比有所下降，但仍能满足强度要求，证明了该方法的可行性，具体的最佳取代量和最优配合比需进一步研究。