机制砂岩性及石粉含量对混凝土性能影响研究

宋德洲，范远林，何建国

(浙江交工金筑交通建设有限公司，浙江 杭州 310017)

0 前 言

近年来，随着我国国民经济的快速发展，基础设施建设规模巨大，资源和环境压力日益增大。作为自然资源的建筑用河砂，由于资源短缺和河道禁采禁挖，正在被机制砂迅速替代[1]。与天然砂相比，机制砂含有大量石粉[2]。天然砂级配较均匀且堆积密度较大，而机制砂级配不合理[3]；天然砂成分多为SiO2，机制砂成分随母岩变化，钙质砂或硅质砂皆存在。

机制砂的不规则形状和粗糙表面对混凝土有着正反两个效应：一方面，多棱角和粗糙表面导致机制砂与浆体粘结更紧密，且颗粒间增加了机械咬合力，提高了混凝土强度[4-6]；另一方面，较大的比表面积增加了对水的消耗，若用水量相同，则机制砂拌合物更为干硬，工作性差[2](在实际施工中，工作性较差的混凝土拌合物将直接影响到成品强度)。机制砂所含石粉一方面可以填充空隙，提高混凝土密实度，增加浆体体积[6-8]，对混凝土的强度、工作性、抗渗性等均有正面效应；另一方面，石粉颗粒细小，拥有巨大的比表面积，会增加用水量，且根据岩性与细度不同对减水剂等化学外加剂存在或多或少的吸附作用[9]，对强度和工作性不利。由于强度及工作性皆与配合比密切相关，因此上述两种效应哪一方占主导地位应与石粉含量及砂率有关[10]。另外，某些岩性及细度的石粉具有火山灰活性或碱激发活性[11-12]，对混凝土的凝结特性、强度发展曲线、体积稳定性[13]、抗渗性[14]等有着复杂而重要的影响。

针对以上问题，本文制作了一系列混凝土试件与胶砂试件，在配合比大致相同的情况下，替换部分水泥为石粉，或以机制砂代替河砂作为细骨料，或改变石粉掺量，评价其工作性、强度、体积稳定性，以期得到石粉岩性、机制砂岩性、石粉掺量等参数对上述特性的影响。

1 试验设计

1.1 试验原材料

水泥：P·O42.5水泥，性能指标见表1；粉煤灰：II级，产地河北，主要性能指标如表2所示；细骨料：河砂和机制砂(岩性包括凝灰岩、石灰岩、花岗岩和玄武岩四种)，细度模数为2.5～2.6；粗骨料：级配碎石，5～10 mm颗粒占比33%，10～25 mm颗粒占比67%，堆积密度1 650 kg/m3；减水剂：廊坊双森科技有限公司生产的PCA I型聚羧酸减水剂和FDN-C型萘系减水剂；石粉：将矿渣、粉煤灰、凝灰岩、石灰岩和花岗岩分别经破碎、粉磨，筛除粒径大于75μm颗粒，且比表面积不大于250 m2/kg；水：自来水。

表1 水泥主要物理和力学指标

表2 粉煤灰主要性能指标

1.2 试验方案

本课题共设计了6个系列试验，具体如下。

试验一配合比为480 kg/m3水泥，或用72 kg/m3石粉替换等量水泥，165 kg/m3水，735 kg/m3天然砂，1 070 kg/m3碎石，4.8 kg/m3萘系外加剂或2.88 kg/m3聚羧酸系外加剂，以不添加石粉组为参照，用于研究粉煤灰、凝灰岩、石灰岩和花岗岩这4种石粉岩性对萘系或聚羧酸系外加剂效应的影响。

试验二配合比为480 kg/m3水泥，160 kg/m3水，740 kg/m3天然砂或机制砂，1 120 kg/m3碎石，11.25 kg/m3化学外加剂，以河砂组为参照，用于研究凝灰岩、凝灰岩、花岗岩和玄武岩这4种岩性对混凝土工作性及强度的影响。

试验三用于研究不同岩性石粉对矿粉、粉煤灰掺和料效应的影响，胶砂试件配合比见表3。

表3 试验三配合比设计

试验四配合比为480 kg/m3水泥，或用72 kg/m3石粉替换等量水泥，148 kg/m3水，720 kg/m3天然砂，1 152 kg/m3碎石，由试验确定掺量的化学外加剂，以不添加石粉组为参照，用于研究石粉岩性对混凝土体积稳定性的影响。

1.3 试验方法

1)胶砂试验：分别按照《矿物掺合料应用技术规范》(GB/T 51003—2014)和《水泥胶砂强度检测方法》(GB/T 17671—1999)测定胶砂的工作性能和强度，通过调整减水剂掺量，保证流动度达到145～150 mm。

2)混凝土试验：分别按《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2002)和《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)测定混凝土的工作性、强度。最后测试各混凝土试件的坍落度和扩展度。

2 结果与讨论

2.1 石粉岩性对减水剂效应的影响

加入萘系外加剂时，不同石粉岩性条件下对混凝土坍落度和扩展度的影响如图1(a)、图1(b)所示。从图中可以看出，在加入萘系外加剂时，不同石粉岩性对混凝土坍落度和扩展度的影响不同：在无掺合料时，坍落度为205 mm；加入凝灰岩会使混凝土的坍落度减小；加入花岗岩会使混凝土的坍落度增大。但是总体来说，不同石粉岩性对坍落度的影响较小，并无明显差距。相对于坍落度而言，不同石粉岩性对扩展度的影响较大：无掺合料时混凝土的扩展度为505 mm；加入粉煤灰时扩展度增大至535 mm；加入凝灰岩时扩展度减小为500 mm；加入石灰岩时扩展度未发生改变；加入花岗岩时扩展度为525 mm。

加入聚羧酸系外加剂时，不同石粉岩性条件下对混凝土坍落度和扩展度的影响如图1(c)、图1(d)所示。从图中可以看出，不同石粉岩性对混凝土坍落度和扩展度的影响不同：在无掺合料时坍落度为210 mm；加入凝灰岩和花岗岩时坍落度略有减小；加入石灰岩时坍落度未发生变化；加入粉煤灰时坍落度略有增大。但是总体来说，不同石灰岩性对坍落度的影响较小，并无明显差距。相对坍落度而言，不同石粉岩性对扩展度的影响较大：无掺合料时扩展度为470 mm；加入粉煤灰时扩展度增大至510 mm；加入凝灰岩时扩展度为495 mm；加入石灰岩时扩展度为480 mm；加入花岗岩时扩展度为495 mm。

(a)加入萘系外加剂时混凝土坍落度

(b)加入萘系外加剂时混凝土扩展度

(c)加入聚羧酸系外加剂时混凝土坍落度

(d)加入聚羧酸系外加剂时混凝土扩展度

综合以上数据可以看出，从坍落度的角度来看，石粉岩性对两种减水剂(萘系外加剂和聚羧酸系外加剂)的效应发挥影响不大。而从扩展度的角度来看，石粉岩性对减水剂的效应发挥影响较大，具体表现为粉煤灰石粉会显著增大扩展度，花岗岩石粉次之，凝灰岩石粉对萘系外加剂无影响，而对聚羧酸系外加剂有增强作用，石灰岩石粉对二者影响皆小，可忽略不计。

2.2 机制砂岩性对混凝土工作性及强度的影响

机制砂岩性不同时，混凝土试件坍落度和扩展度如图2所示。从图中可以看出，机制砂岩性不同时，混凝土坍落度和扩展度差距较大：细集料为河砂时坍落度为210 mm，扩展度为535 mm；细集料为凝灰岩时坍落度仅为165 mm(较河砂下降21%)，扩展度仅为430 mm(较河砂下降20%)；细集料为石灰岩或玄武岩时，坍落度和扩展度也有不同程度的减小，其中玄武岩减幅大于石灰岩；当细集料为花岗岩时，坍落度略有减小，扩展度反而略有增加(增减幅均不到5%，可忽略)。

(a)不同机制砂岩性混凝土坍落度

(b)不同机制砂岩性混凝土扩展度

对比河砂与三种机制砂(凝灰岩、石灰岩和玄武岩)的试验结果可以发现用机制砂替换河砂会导致混凝土工作性下降，这可能是因为机制砂表面织构凹凸不平，颗粒比表面积较大，对减水剂和自由水的吸附面较大，造成用于流动的自由水减少，且凹凸的表面织构也增加了颗粒之间的摩擦，能够阻碍砂浆的流动。对比4种机制砂试验结果可以发现钙质机制砂总体上优于硅质机制砂，这可能是因为钙质机制砂石粉吸附性低，展现出良好的分散性。对比图2与图1，可以发现仅替换不同岩性的石粉对坍落度与扩展度影响不大，而替换细骨料为机制砂则显著影响这两项参数，由此可知影响混凝土工作性的关键因素在于机制砂岩性，次要因素在于石粉岩性。

机制砂岩性不同时，混凝土试件的抗压强度如图3所示。以河砂混凝土为参照(3 d的抗压强度为41.7 MPa，28 d的抗压强度为60.1 MPa)，玄武岩混凝土的抗压强度最高(3 d的抗压强度为48.7 MPa，28 d的抗压强度为68.9 MPa，较河砂组分别提高了17%和15%)，其次为花岗岩(3 d的抗压强度为47.6 MPa，28 d的抗压强度为66.8 MPa，较河砂组分别提高了14%和11%)，凝灰岩和石灰岩强度最小(3 d的抗压强度分别为43.3 MPa、42.1 MPa，28 d的抗压强度分别为63.8 MPa、60.4 MPa，较河砂组提高幅度均不超过5%)。

(a)3 d抗压强度

(b)28 d抗压强度

综合以上数据可知，机制砂岩性对混凝土抗压强度存在提高的趋势，这可能是因为机制砂较河砂表面织构更为粗糙，提高了水泥浆体与细骨料之间的粘结力，且机制砂石粉含量大于河砂，可以充实空隙而提高密实度；此种提高程度与机制砂岩性有关，这可能是因为岩性不同的机制砂表面织构、石粉吸附性不同，造成细骨料界面过渡区的坚实度不同；另外，岩石组成、风化程度、杂质的种类和含量、孔隙率和孔结构也会影响到试验结果。

2.3 石粉岩性对掺合料效应的影响

3种不同岩性石粉对粉煤灰掺合料合矿粉掺合料效应的影响如图4所示。从图4可以看出，在使用粉煤灰掺合料时，凝灰岩试件组在3 d和28 d的抗压强度分别为14.4 MPa和37.7 MPa，石灰岩试件组在3 d和28 d的抗压强度分别为17.4 MPa和43.4 MPa，花岗岩试件组在3 d和28 d的抗压强度分别为21.8 MPa和44.3 MPa；在使用矿粉掺合料时，凝灰岩试件组在3 d和28 d的抗压强度分别为15.2 MPa和47.7 MPa(相较于同等情况的粉煤灰掺合料试件组提升了5%和26%)，石灰岩试件组在3 d和28 d的抗压强度分别为19.4 MPa和62.1 MPa(相较于同等情况的粉煤灰掺合料试件组提升了11%和43%)，花岗岩试件组在3 d和28 d的抗压强度分别为22.5 MPa和56.0 MPa(相较于同等情况的粉煤灰掺合料试件组提升了3%和26%)。

从纵向来看，三种不同岩性机制砂所配胶砂的抗压强度随龄期变化规律基本一致。在同一幅图中横向比较则可以发现同龄期抗压强度随石粉岩性不同而变化，这可能是因为各岩性石粉特性不同而导致了界面过渡区的黏结强度及试块匀质性不同，其中钙质石粉好于硅质石粉，这可能是因为前者吸附性低、分散性好而使得胶砂匀质性好、缺陷较少。对比图4(a)和图4(b)，可以看出相对粉煤灰掺合料而言，矿粉掺合料对于石灰岩胶砂更为敏感，即石灰岩石粉能够对矿粉掺合料效果有明显的促进作用。

(a)使用粉煤灰掺合料的胶砂抗压强度

(b)使用矿粉掺合料的胶砂抗压强度

2.4 石粉岩性对混凝土体积稳定性的影响

不同石粉岩性条件下的混凝土塑性开裂情况与干缩情况如图5所示。从图5(a)可以看出，混凝土试件第一条裂缝出现时间按顺序排列分别为凝灰岩(368 min)、石灰岩(389 min)、矿粉(487 min)、花岗岩(532 min)、粉煤灰(995 min)试件组。这可能是因为粉煤灰参与水化反应的速度和程度远低于水泥，促使化学收缩降低；且密度远远低于水泥，促使以塑性沉降为主的塑性收缩减小；另外，掺有粉煤灰石粉的水泥浆体临界半径以相对较缓速率递减，毛细管负压增加的速度和程度均减小，降低了塑性开裂的风险。而凝灰岩石粉火山灰活性较高，且密度较大，导致了与上述机理相反的效应。

从图5(b)可以看出，干缩率由低往高排列依次是粉煤灰、花岗岩、石灰岩、凝灰岩试件组。干缩现象是由于混凝土终凝后水分向环境蒸发散失或水泥继续水化，使毛细管中液面变凹，毛细管张力增大而导致混凝土宏观体积收缩。掺入粉煤灰后，一方面由于水化反应慢，会减缓混凝土中相对湿度的下降速度，另一方面其火山灰效应能产生更多C-S-H凝胶，减少凝胶水的散失，降低混凝土收缩变形。而凝灰岩石粉的火山灰活性较强，会加速水分消耗，引起干缩。综上所述，在混凝土中掺入一定比例的粉煤灰石粉能改善体积稳定性；而掺入凝灰岩石粉的混凝土体积稳定性不佳。

(a)石粉岩性对混凝土塑性开裂影响

(b)石粉岩性对混凝土干燥收缩的影响

3 结 论

1)从坍落度的角度来看，石粉岩性对两种减水剂(萘系外加剂和聚羧酸系外加剂)的效应发挥影响不大；从扩展度的角度来看，石粉岩性对减水剂的效应发挥影响较大，具体表现为粉煤灰石粉会显著增大扩展度，花岗岩石粉次之，凝灰岩石粉对萘系外加剂无影响，而对聚羧酸系外加剂有增强作用，石灰岩石粉对二者影响皆小，可忽略不计。

2)用机制砂替换河砂会导致混凝土工作性下降。钙质机制砂总体上优于硅质机制砂。影响混凝土工作性的关键因素在于机制砂岩性，次要因素在于石粉岩性。机制砂岩性对混凝土抗压强度存在提高的趋势。

3)三种不同岩性机制砂所配胶砂的抗压强度随龄期变化规律基本一致。胶砂同龄期抗压强度随石粉岩性不同而变化，其中钙质石粉好于硅质石粉。石灰岩石粉能够对矿粉掺和料效果有明显的促进作用。

4)不同岩性石粉对混凝土体积稳定性的改善效果顺次排列为粉煤灰>花岗岩>石灰岩>凝灰岩。

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