机制砂微细集料及石粉含量对混凝土性能的影响研究

李 军，梁德兴，青志刚

(广西长长路桥建设有限公司，广西 南宁 530003)

近年来，由于河砂资源的枯竭和对环保的要求，机制砂得到越来越广泛的应用。特别是广西很多山区属于喀斯特地貌，交通极为不便，当地河砂是机制砂价格的2～3倍，由于矿石资源丰富，机制砂制造成本低廉，因而成了当地建筑工程用砂的首选。但机制砂在生产过程中，受母岩、生产设备和工艺的影响导致质量参差不齐，同时产生一定数量的石粉，这对混凝土的性能影响很大。根据以往的研究和工程应用实例表明：机制砂中的石粉对混凝土新拌物的工作性能和硬化物的力学性能具有改善作用。现行国标《建设用砂》(GB/T 14684-2011)和交通行业标准《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50-2011)对人工砂石粉含量要求偏严格，这导致机制砂生产过程中产生大量的石粉浪费，也不利于环保。本文依托贺巴高速公路(都安至巴马段)桥涵工程，重点研究了机制砂石粉和微细集料(粒径<0.15 mm)对混凝土的工作性能和力学性能的影响，为该项目工程中机制砂混凝土的应用提供技术支撑。

1 原材料

水泥采用广西登高集团有限公司右江牌P·O42.5水泥，其物理力学性质见表1。矿物掺合料采用广西田东电厂Ⅱ级粉煤灰，性能指标见表2。粗集料来自巴马设吉石场，由16～26.5 mm、10～16 mm、5～10 mm三档碎石合成的5～26.5 mm连续级配碎石，掺配比例为6∶3∶1。细集料来自巴马设吉石场，通过破碎5～10 mm瓜米石加工而成，采用福建南方路机干式制砂机设备，可根据要求通过风选来控制石粉含量。外加剂采用广西南宁雨润高性能聚羧酸减水剂，固含量12%，减水率26%。

表1 右江牌P·O42.5水泥的物理性质表

表2 田东电厂Ⅱ级粉煤灰各项性能检测结果表

2 机制砂中石粉的吸附性能

选取巴马设吉石场制砂机调试、不同时段生产的6个机制砂样品，MB值如表3所示。从表中可以看到，整体上石粉含量与微细集料的含量具有一定的正相关性，微细集料含量与细度模数呈负相关，即微细集料和石粉含量越多的比例越大，细度模数越小。总体上，MB值随石粉含量增多而变大，但在一定范围内却相差不大；当外掺3%黏土于悬浊液中，得到机制砂各样品的MB值几乎完全相同。可见MB值虽然可以反映石粉的吸附特性，但往往与其所含的黏土质类型和含量相关[1-2]，MB值的大小并不等同于石粉含量的多少，即使石粉含量不高但所含泥粉多也会使得MB值增大。

表3 机制砂主要性能测试结果表

3 混凝土的配制与实验结果

3.1 配合比和试验方法

本次试验采用C30和C50两个强度等级的混凝土作为本次试验的研究对象，按《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)进行设计，粉煤灰掺量分别为20%、10%，选定6个机制砂样品进行试配。根据前期试验的优化和总结，确定C30、C50混凝土砂率为45%和36%，保持砂率不变，以此研究机制砂微细集料对混凝土拌合物及硬化后力学性能的影响。测试方法参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E42-2005)进行。

表4 不同标号的混凝土配合比设计表 (单位：kg/m3)

3.2 微细集料和石粉含量对混凝土的工作性能影响分析

混凝土拌合物的工作性能如表5和图1、图2所示。

表5 混凝土拌合物的工作性能试验结果表

图1 C30混凝土拌合物坍落度变化曲线图

图2 C50混凝土拌合物坍落度变化曲线图

(1)在C30混凝土试配过程中，随着微细集料和石粉的比例变大，混凝土拌合物的粘聚性和保水性能得到增强，初始坍落度和坍落扩展度先略有增加，后降低；当微细集料增大到17.1%(石粉含量9.0%)以上时，1.5 h后坍落度下降不多，但扩展度显著变小，至微细集料增大至20.7%(石粉含量12.5%)时，1.5 h后坍落度显著降低，几乎毫无流动性，由此预估控制微细集料含量在12%～13%左右，可以使混凝土得到最佳的可操作性能。从图1中还可以看出，SP3和SP4二者微细集料相差不大，石粉含量分别为5.9%和4.5%，但初始坍落度、扩展度与1.5 h后的坍损及扩展度损失几乎相同，可见在最佳微细集料含量下，石粉比例的多少是次要因素。

(2)在C50混凝土试配过程中，混凝土拌合物的性能有着与C30相同的规律，只是临界点不同。从图2中可知，随着微细集料含量的增多，混凝土初始坍落度几乎不变，略有波动，但坍落度损失逐渐增大。表5的数据显示，初始扩展度在微细集料含量为12.7%以下时，几乎相同，随后在微细集料含量为17.1%时突然下降；1.5 h后扩展度在微细集料含量为12.1%时开始损失明显，在微细集料含量为17.1%以上时几乎无流动性。究其原因有：高标号混凝土胶凝材料用量较多，随着水化的进行，自由水逐渐减少，石粉也会吸附一定量的水和外加剂，当没有足够量的自由水维持水泥水化时，混凝土的流动性能会大大降低。根据实验结果得出，配制C50混凝土，机制砂中的微细集料控制在12%、石粉含量控制在5%以下较为适宜。

3.3 微细集料和石粉含量对混凝土的力学性能影响分析

根据表5试配的混凝土拌合物状态情况，并考虑现场混凝土的可操作性能，选取SP1～SP5、SP9～SP12混凝土试件进行强度对比研究。试验结果如图3、图4所示。

图3 不同微细集料含量对C30混凝土强度的影响柱形图

图4 不同微细集料含量对C50混凝土强度的影响柱形图

从上图3、图4得知，一定范围内随着微细集料和石粉含量的增加，C30和C50混凝土在7 d和28 d时抗压强度逐渐升高，超过临界点后，强度又略有所下降。其中，C30混凝土强度变化较小，波动在2～3 MPa，而C50混凝土强度在7 d时强度波动在5 MPa左右，但28 d强度相差较小。这主要是因为石粉的填充作用和“晶核”作用，增强了混凝土的密实性，加速了水泥的水化，但过多的石粉会吸附大量的水，阻挡了水泥水化的进程，导致水泥水化不完全，起到了负作用[3-4]。就达到最高强度而言，C30和C50混凝土的最佳微细集料含量分别为12.7%、9.8%，对应的石粉含量分别为5.9%和3.5%。

4 结语

(1)机制砂中石粉含量对MB值的影响微乎其微，对MB值大小影响的主要因素取决于石粉中所含黏土的性质和多少，从本次试验结果来看，石粉含量在12%、微细集料含量在20%以内、含泥量在3%以内都能满足要求。

(2)机制砂中的微细集料和石粉可以使水泥浆体更加饱满，增强拌合物的粘聚性和保水性，有利于改善离析泌水现象。微细集料含量在12%～13%时，C30混凝土可以达到最佳的工作性能；微细集料含量在12%、石粉含量在5%以内，C50混凝土可以达到较佳的工作性能。

(3)一定范围内，随着微细集料和石粉的增多，混凝土的强度略有增加，超过临界值后略有下降。其中C30标号的强度波动并不明显，为2～3 MPa；C50标号的7 d龄期强度波动值在5 MPa左右，28 d龄期也相差不大。

(4)机制砂在生产过程中，受原材料粒径、湿度等影响，机制砂的微细集料和石粉含量波动较大，因此在混凝土生产过程中需及时调整砂率和外加剂，以使混凝土达到最佳的工作状态。

[1]岳海军.机制砂的岩性与级配对混凝土性能的影响研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[2]周永祥，王永海，王思娅，等.石灰石粉的特性及对混凝土性能的影响[J].施工技术，2014(5)：23-27.

[3]郜进良，余 川，李固华.机制砂对混凝土和易性能影响的试验研究[J].公路，2011(12)：155-159.

[4]李北星，王稷良，周明凯.高含石粉机制砂配制C60高性能混凝土的研究[C].超高层混凝土泵送与高性能混凝土技术的研究与应用国际研讨论会，2008.