人工砂石粉含量对混凝土性能的影响

陈静，邓国才，文霞

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院科研所，成都610072)

人工砂石粉含量对混凝土性能的影响

陈静，邓国才，文霞

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院科研所，成都610072)

大理岩骨料经过破碎后石粉含量达到40%以上，经过处理后使人工砂中保留了20%左右的石粉，控制大理岩人工砂中石粉含量和细度模数的波动范围是很困难的，本文主要探讨人工砂细度模数和石粉含量如何影响混凝土性能，人工砂的石粉含量根据工程的具体设计要求可控制的范围如何确定等问题。

人工砂；石粉；混凝土；性能；控制标准

1 前言

水工混凝土人工砂中石粉是指加工前经除土处理，加工后形成粒径小于0.16mm颗粒，其矿物组成和化学成分与被加工母岩相同的物质。人工砂石粉与天然砂中的泥成分不同、粒径分布不同,在混凝土中所起的作用亦不同。天然砂中的泥对混凝土是有害的，必须严格控制其含量。而人工砂中适量的石粉对混凝土是有益的，有适量石粉的存在,弥补了人工砂配制混凝土和易性差的缺陷。同时，它的掺入对完善混凝土特细骨料的级配、提高混凝土密实性都有益处，进而起到提高混凝土综合性能的作用。

目前，对于石粉含量的控制范围尚存在一定的争议，《水工混凝土施工规范》DL/T5144-2001规定：“人工砂石粉含量宜控制在6%～18%”。我国倡导建设资源节约型、环境友好型社会，然而混凝土的大量使用，使自然资源遭受到前所未有的破坏。人工骨料也是一种自然资源，其开采是对环境的一种破坏，为了使人工砂石粉含量满足规范要求，而盲目地将石粉洗掉，不仅增加了污染物的排放量，而且造成很大的资源浪费。其实，人工砂石粉中粒径小于0.16mm的颗粒可以视为一种掺合料，是否表现为一定的活性尚待研究，选择适当的石粉含量可以改善混凝土和易性和提高混凝土密实性，对提高混凝土性能有利。

锦屏大坝混凝土施工使用的细骨料为大理岩人工砂，从目前机制砂的生产加工情况和工况来看，大理岩骨料经过破碎后石粉含量达到40%以上，经过处理后使人工砂中保留了20%左右的石粉，但仍有20%以上的大理岩石粉被废弃，从工程成本上讲，是一个很大的浪费。三滩砂石骨料系统生产的人工砂石粉含量存在较大的波动，部分已超过规范和锦屏工程对人工砂石粉含量的要求。本文采用石粉含量15%左右的人工砂作为基准砂，通过人工添加石粉配制成试验预定石粉含量，石粉含量变化范围为15%～25%，人工翻拌均匀，将其作为研究对象。

2 混凝土原材料及基本性能

试验采用峨胜P·MH42.5级水泥，其化学成分及物理性能指标见表1。采用宣威Ⅰ级粉煤灰，其化学成分及物理性能指标见表2。人工细骨料采用三滩骨料系统生产的大理岩人工砂做为基准砂，其物理性能指标见表3。人工粗骨料采用“印把子”骨料系统生产的石英砂岩碎石，其物理性能指标见表4。减水剂采用江苏博特新材料公司JM-II缓凝高效减水剂，其性能指标见表5。引气剂采用山西黄河新型化工有限公司HJAE-A引气剂，其性能指标见表6。

表1 水泥化学成分及物理性能

表2 粉煤灰化学成分及物理性能

表3 人工细骨料物理性能

表4 人工粗骨料物理性能

表5 减水剂性能（掺量0.6%）

表6 引气剂性能（掺量0.4 /万）

表7 混凝土拌合物试验成果

3 人工砂石粉含量对混凝土性能影响试验研究

3.1 人工砂石粉含量对混凝土拌合物的影响

采用级配比例为：特大石∶大石∶中石∶小石=35∶25∶20∶20的四级配混凝土进行试验，选择水胶比0.47，粉煤灰掺量35%，与不同石粉含量的人工砂组合进行试验性能研究，并进行混凝土拌合物坍落度损失、含气量损失、泌水率、凝结时间等性能试验。混凝土拌合物坍落度控制在50～70mm，含气量控制在4%～6%，引气剂掺量根据含气量调整，同时对20.6%石粉含量人工砂进行砂率调整试验。

混凝土配合比参数及拌合物试验结果见表7。人工砂石粉含量与单位用水量的关系见图1，人工砂石粉含量对混凝土坍落度保留率的关系见图2，混凝土拌合物泌水率与石粉含量关系见图3，混凝土拌合物泌水率与砂率的关系见图4。

图1 石粉含量与单位用水量的关系图

图2 混凝土拌合物时间－坍落度保留率关系图

图3 混凝土拌合物泌水率－石粉含量关系图

图4 混凝土拌合物泌水率－砂率关系图

试验表明：（1）随着人工砂石粉含量增加，混凝土用水量也相应增加。如果根据人工砂的石粉含量的变化，及时调整混凝土拌合物的砂率，可以达到降低混凝土单位用水量增加值的目的；在引气剂掺量不变的情况下，混凝土含气量随着石粉的增加减小，含气量最大值与最小值相差变化不大；石粉含量20.6%保持单位用水量不变，砂率每增减1%，坍落度减增10mm。从出机口拌合物看，合适的砂率基础上降低砂率，混凝土的保水性、粘聚性变差，混凝土骨料易离析。

（2）用不同石粉含量的人工砂拌制混凝土，通过进行混凝土配合比的调整，在保证混凝土水胶比不变的情况下，可以达到满意的和易性，同时，混凝土拌合物的坍落度保留率基本一致。

（3）混凝土泌水率随着人工砂石粉含量的增加而降低，人工砂的石粉含量对混凝土拌合物的泌水性能比较敏感，用不同石粉含量的人工砂拌制混凝土，对混凝土凝结时间、含气量影响较小。

（4）混凝土泌水率随着混凝土砂率的增加而降低，混凝土砂率对混凝土拌合物的泌水性能也比较敏感，相同原材料混凝土调整砂率对混凝土的坍落度损失、含气量、凝结时间影响较小。

3.2 人工砂石粉含量对混凝土力学性能的影响

人工砂石粉含量对混凝土抗压强度的影响见图5，对混凝土劈拉强度的影响见图6，不同石粉含量混凝土抗压强度发展见图7。从试验结果可以看出：当石粉含量在15.2%～25.6%范围内时，通过混凝土配合比的调整，保证混凝土的水胶比不变，混凝土各龄期抗压强度和劈拉强度基本一致；各龄期发展系数基本一致；砂率变化对混凝土各龄期的强度也没有明显的影响；总体上看，人工砂石粉含量变化、砂率调整对混凝土强度影响不明显。

图5 不同石粉含量对混凝土抗压强度的影响

图6 不同石粉含量对混凝土劈拉强度的影响

图7 不同石粉含量混凝土抗压强度发展

极限拉伸和弹性模量是水工大体积混凝土的重要特性。极限拉伸大小直接显示了混凝土抗裂能力，从提高混凝土抗裂考虑，希望混凝土的极限拉伸大些，弹性模量要小些。人工砂石粉含量变化对混凝土极限拉伸值的影响见图8，对混凝土弹性模量强度的影响见图9，对混凝土轴拉强度的影响见图10。从试验结果可以看出：石粉含量从15.2%变化到25.6%时，混凝土极限拉伸、弹性模量值差异不大；当石粉含量在20.6%时，混凝土90d、180d龄期的极限拉伸值最高，随着石粉含量的降低或增加，混凝土180d极限拉伸值均略有降低；当石粉含量在20.6%时，混凝土90d、180d龄期弹性模量最大；当石粉含量在20.6%时，混凝土90d、180d龄期的轴拉强度最高，随着石粉含量的降低或增加，混凝土90d、180d轴拉强度均略有降低。

图8 石粉含量变化对混凝土极限拉伸值的影响

3.3 人工砂石粉含量对混凝土耐久性能的影响

混凝土抗渗和抗冻性是耐久性的重要指标，从人工砂石粉含量对混凝土抗渗和抗冻性试验成果可以看出（见表8）：所有混凝土的抗冻等级均大于F300,抗渗等级大于等于W16。石粉含量的变化对抗冻、抗渗性能影响较小。

图9 石粉含量变化对混凝土弹性模量的影响

图10 石粉含量变化对混凝土轴拉强度的影响

表8 混凝土抗渗和抗冻试验成果表

混凝土在恒温绝湿条件下，由于胶凝材料的水化作用而引起的体积变形称为自生体积变形。混凝土的自生体积变形对大坝混凝土的抗裂性有着不可忽视的影响。从人工砂石粉含量对混凝土自生体积变形的影响图11和以往观测资料可以分析出：混凝土自生体积变形有单纯膨胀、单纯收缩、先胀后缩和先缩后胀等几种形式，从防止大体积混凝土裂缝出发，希望混凝土是微膨胀型，利用微膨胀产生的预压应力，以补偿混凝土降温时的收缩，防止或减少大体积混凝土产生裂缝。不同石粉含量混凝土的自生体积变形规律一致，石粉含量对混凝土的自生体积变形影响较小。

干燥收缩是指混凝土停止养护后，在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩，它不同于干湿交替引起的可逆收缩。当外界环境的相对湿度低于100%时，材料就会开始失水，体积就开始收缩，随着环境中相对湿度的降低，水泥浆体的干缩增大；当相对湿度小于30%时，吸附水大部分就会逸去，也会引起体积的收缩。

在条件相同的情况下，混凝土用水量越少，它在干燥过程中所失去的水也越少，干缩也越小。在保持混凝土水胶比不变、坍落度大致相当情况下，随着人工砂石粉含量的增加，混凝土的用水量增加，而对混凝土干缩影响最重要的因素是单位体积用水量。从图12可以看出：石粉含量变化对混凝土干缩有着一定的影响，混凝土干缩值随着石粉含量的增加略有增大。

图12 混凝土干缩试验成果

3.4 人工砂石粉含量对混凝土热物理性能的影响

混凝土热物理性能包括混凝土的绝热温升、比热、导温系数。热物理性能对大体积混凝土十分重要，是坝体温度应力和裂缝控制计算的重要参数，混凝土绝热温升与配合比关系很大，是优化混凝土配合比的重要根据之一，其他热物理性能与混凝土所用材料性能有关，特别是与用量占混凝土80%左右的骨料关系很大，混凝土配合比对热物理性能也有一定影响。从人工砂石粉含量对混凝土热学性能的试验成果表9可以看出：石粉含量变化对混凝土热学性能影响大致相当。

表9 石粉含量对混凝土热学性能试验成果

绝热温升试验是混凝土在与外界不出现热交换条件下，混凝土的温升试验结果。由于混凝土是热的不良导体，且由于大坝混凝土浇筑块体积很大，浇筑块内水泥水化的热量不易散失，所以实验室内试验时近似认为大坝混凝土不向外界传热。绝热温升试验结果从某种程度上体现大坝混凝土浇筑后坝体的温升情况。从人工砂石粉含量对混凝土绝热温升影响试验结果表10可以看出：石粉含量变化对混凝土绝热温升影响较小。

表10 石粉含量对混凝土绝热温升影响试验结果

4 人工砂石粉含量控制标准之初步探讨

锦屏人工砂石粉含量现状。锦屏大坝混凝土施工用人工砂的石粉含量很高，如果按照《水工混凝土施工规范》(DL/T5144-2001)规定：“人工砂石粉含量宜控制在6%～18%”来评定，人工砂合格率很低。控制人工砂的质量，其目的就是使混凝土的质量满意，通过解决骨料问题达到解决混凝土问题的目的。锦屏工程大坝混凝土存在水化热高、收缩率大等问题，因此，混凝土的温控和防裂是混凝土施工的一个关键技术。当然，混凝土裂缝的预防措施是综合性的措施，或者说多种措施一起采用。根据采用措施的情况，一般可分为设计上的措施和施工中采取的措施。选择合适的工程材料，通过对混凝土施工配合比的合理设计与优化，采取了一定的技术途径，可以防止大体积混凝土塑性裂缝及温度裂缝的产生。

混凝土材料抗裂性的影响因素。影响大坝混凝土抗裂性的因素很多，一是根据工程特点来分析。锦屏工程大坝混凝土存在水化热高、收缩率大等问题，因此，混凝土的温控和防裂是混凝土施工的一个关键技术。当然，混凝土裂缝的预防措施是综合性的措施，或者说多种措施一起采用。根据采用措施的情况，一般可分为设计上的措施和施工中采取的措施。选择合适的工程材料，通过对混凝土施工配合比的合理设计与优化，采取了一定的技术途径，可以防止大体积混凝土塑性裂缝及温度裂缝的产生。

混凝土材料抗裂性的影响因素。影响大坝混凝土抗裂性的因素很多，归纳起来可分为两类：一类是对混凝土抗裂性有利因素，如混凝土极限拉伸、抗拉强度、徐变、膨胀型自生体积变形；另一类为对混凝土抗裂不利因素，如混凝土干缩、温度变形，收缩型自生体积变形，而拉伸弹模在极限拉伸变形中反映。综合以上影响因素，如何表征混凝土抗裂性，一般采用抗裂指数这个参数来表达。在2003年黄国兴先生在对三峡大坝混凝土进行抗裂性分析时提出以下抗裂指数计算公式

式中 C——混凝土徐变度，10-6/MPa；

G——自生体积变形，×10-6，膨胀取正值、收缩取负值；

εp——混凝土极限拉伸，×10-6；

Rl——混凝土轴拉强度，MPa；

a——为线膨胀系数，10-6/℃；

Tr——混凝土水化热温升，℃；

εs——混凝土干缩率，×10-6。

此公式考虑影响因素全面，物理意义明确，分子是在拉应力作用下混凝土产生的极限拉伸变形与徐变变形，还有混凝土本身的自生体积变形（膨胀取正值、收缩取负值）；而分母为在温度与相对湿度变化作用下混凝土发生的有害收缩变形——温度变形与干缩变形。显然两者比值愈大，表明混凝土抗裂指数大、混凝土抗裂性好。

计算用不同石粉含量的人工砂配制的混凝土的抗裂指数，试验成果见图13。

图13 不同石粉含量人工砂配制的混凝土抗裂指数

从图13可以看出，随着石粉含量的增加，混凝土的抗裂指数呈下降趋势。当石粉含量大于20.6%时，混凝土抗裂指数呈直线下降趋势，当石粉含量在15.2%～20.6%时，混凝土抗裂指数呈平缓下降。

通过以上人工砂细度模数和石粉含量变化对混凝土性能影响试验，结合锦屏大坝混凝土存在水化热高、收缩率大以及葛洲坝锦屏三滩右岸骨料加工系统目前制砂状况等环境成本综合因素考虑，参考混凝土抗裂指数试验成果，推荐锦屏大坝混凝土人工砂石粉含量控制上限为20%。当人工砂石粉含量上限为20%时，可以防止大体积混凝土塑性裂缝及温度裂缝的产生，也有利于生态环保，提高自然资源的利用率。

5 结论

通过人工砂石粉含量对混凝土性能的影响试验研究，得出以下结论：

（1）随着人工砂石粉含量的增加，保持混凝土水胶比、砂率、拌合物和易性相同，混凝土的单位体积用水量增加。从试验成果分析，人工砂石粉含量在15%～25%范围内，石粉含量每增加1%，混凝土单位用水量增加0.6kg。

（2）用不同石粉含量拌制的混凝土拌合物的坍落度保留率基本一致；混凝土泌水率随着人工砂石粉含量的增加而降低，人工砂石粉含量的变化对混凝土拌合物的泌水性能比较敏感；人工砂石粉含量的变化对混凝土凝结时间、含气量影响较小。

（3）人工砂石粉含量的变化对混凝土力学性能、变形性能、耐久性能、热学性能影响不明显，存在对应人工砂某一石粉含量下配制的混凝土单项性能最优现象。但石粉含量变化对混凝土干缩有着一定的影响，混凝土干缩值随着石粉含量的增加而增大。

（4）通过综合考虑混凝土的性能，混凝土人工砂石粉含量控制范围为6%～20%，可达到保证大体积混凝土性能，同时有利于资源利用的目的。

[1]王卫东，王雨利.石粉对机制砂混凝土性能影响的研究现状 [J].商品混凝土， 2010.（05）：29-30.

[2]田承宇.石粉作为掺合料对碾压混凝土性能的影响[A]水工大坝混凝土材料和温度控制研究与进展[C]，2009.11.

[3]李光伟，肖延亮.高石粉含量人工砂在锦屏一级水电站中的应用[J]商品混凝土， 2009（09）:45-48.

[4]赵长军，董斌，于敬海.石粉对机制砂混凝土性能影响试验研究[J].低温建筑技术， 2009（04）:15-16.

[5]洪锦祥，人工砂中石粉对混凝土性能的影响及其作用机理研究 [J].公路交通科技， 2005.（11）:84-88.

[单位地址]四川省成都市浣花北路1号(610072)

陈静，女，工程师，中国水电顾问集团成都勘测设计研究院科研所，现从事混凝土试验检测及科研工作。