人工砂石粉含量对混凝土性能影响的试验研究

谢丽莉，朱永国，陈洪奎，张超

(国电大渡河猴子岩水电建设有限公司，四川康定626005)

1 概述

石粉含量是人工砂的重要指标之一，对混凝土拌合物性能、强度及耐久性等均会有影响。关于人工砂石粉含量的规定限值，不同行业、不同规范有不同的规定。电力行业标准《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144－2001)规定的水工混凝土人工砂石粉含量为6%～18%。而国家标准《建筑用砂》(GB/T 14684－2001)规定，强度等级大于C60的混凝土宜采用Ⅰ类砂，人工砂的石粉含量应＜3%;强度等级为C60～C30并有抗冻抗渗或其他要求的混凝土宜采用Ⅱ类砂，人工砂的石粉含量应＜5%;强度等级小于C30的混凝土和建筑砂浆宜采用Ⅲ类砂，人工砂的石粉含量应＜7%，但根据使用地区和用途在试验验证的基础上可由供需双方协商确定。

猴子岩水电站二区省道S211复建公路(枢纽区段)的隧道初期支护喷混凝土(C20，约22 000 m3)、衬砌混凝土(C20，约55 000 m3)、路面基层混凝土(C20，约46 500 m2)等需要大量的砂石料。由于天然砂石料缺乏且质量难以满足要求，因此，决定采用人工砂石料，即利用隧道开挖料进行机械破碎、筛分生产的砂石料。在实际生产中，机制砂的其它质量指标基本满足规范要求，但石粉含量偏高。由于省道S211复建公路建成通车后需要移交地方公路部门，施工过程中需要接受地方公路系统质监站的质量监督，人工机制砂的质量控制宜依据国家标准《建筑用砂》(GB/T 14684－2001)的规定。因此，对于猴子岩水电站省道S211复建公路(枢纽区段)的隧道初期支护喷混凝土、隧道衬砌、路面基层等强度等级低于C30的混凝土，如何确定人工机制砂石粉含量的限值，作为质量检测、质量控制的依据，需要进行试验验证。

2 试验内容

2.1 试验方法

结合猴子岩水电站省道S211复建公路(枢纽区段)隧道衬砌混凝土(泵送C25)的施工配合比，试验分析了人工砂石粉含量对混凝土性能的影响。采用隧道开挖料生产的人工砂，用直径0.075 mm的筛子筛除石粉后用外掺法将所筛出的石粉重新掺入已经筛除石粉的人工砂中，配制成石粉含量分别为4%、7%、10%、12%、14%的人工砂，在用水量、水泥用量、粗骨料、外加剂等原材料均不变的情况下，使用不同石粉含量的人工砂配制相同水灰比的混凝土，对比分析不同石粉含量的人工砂本身质量指标变化情况、不同石粉含量的人工砂拌制混凝土的拌合物性能以及在标准养护条件下7 d、28 d抗压强度的试验结果，分析人工砂石粉含量对中低强度等级混凝土性能的影响，以确定合理的人工砂石粉限值。

2.2 原材料

2.2.1 人工砂

由于料场生产工艺的影响和料源质量的波动导致料场加工的人工砂质量不稳定，为保证试验结果的代表性和实用性，选取具有代表性的人工砂(Ⅲ标段人工砂石系统生产)，先筛除石粉，然后重新将石粉按4%、7%、10%、12%、14%的比例掺入筛除石粉的人工砂中，配制成不同石粉含量的人工砂。

试验采用的人工砂为工程实际用砂。依据国家标准《建筑用砂》(GB/T14684－2001)，对不同石粉含量人工砂的颗粒级配分析结果见表1。由表1可以看出，不同石粉含量的人工砂除粒径0.15 mm的累积筛余量稍低外，大都处于Ⅱ区范围内。

表1 不同石粉含量人工砂级配表

2.2.2 人工碎石

粗骨料同样采用Ⅲ标段人工砂石系统生产的粒径5～31.5 mm连续级配人工碎石，表观密度为2 810 kg/m3，含泥量为0.4%，泥块含量为0%，颗粒级配检测结果符合国家标准《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685－2001)。

2.2.3 水泥

水泥采用峨塔牌P·O42.5R水泥，标准稠度27.2%，初凝时间155 min、终凝时间195 min，3 d抗折强度为5.4 MPa，抗压强度为32.6 MPa，7 d抗折强度为7.7 MPa，抗压强度为55.7 MPa，各项指标均符合GB 175－2007标准要求。

2.2.4 外加剂

外加剂采用重庆健杰科技公司生产的WH－2A型缓凝高效减水剂，掺量为0.8%，减水率为16.8%。

2.2.5 水

拌合用水采用饮用水。

2.3 试验采用的配合比

试验配合比设计强度等级为C25，坍落度要求为140 mm±20 mm。试验中以人工砂石粉含量4%且满足混凝土设计指标为基准配合比。其余配合比材料用量除人工砂的石粉含量不同外，均与基准配合比一致。试验配合比见表2。

表2 试验采用的配合比表

3 试验结果与分析

3.1 原材料试验

3.1.1 石粉含量对人工砂堆积密度、孔隙率的影响分析

混凝土强度的影响因素之一是混凝土的密实度。相同水灰比的混凝土越密实，其强度就越高。在混凝土中，粗骨料主要起骨架作用，细骨料填充于粗骨料的缝隙，同时粗骨料、细骨料中不同粒径的颗粒也相互填充，石粉则填充于更细小的空隙，使整个混凝土的骨料更加密实。通过分析石粉含量对人工砂堆积密度的影响，就可以间接地分析石粉含量对混凝土强度的影响。通过试验检测得知，不同石粉含量的人工砂，其堆积密度、孔隙率、细度模数试验结果如表3所示，石粉含量与堆积密度关系曲线如图1所示，石粉含量与孔隙率关系曲线见图2。

从石粉含量与堆积密度、孔隙率关系图可以看出，在石粉含量达到19%以前，随着石粉含量的增大，堆积密度相应增大，孔隙率减小;当石粉含量超过19%时，随着石粉含量的增大，堆积密度开始减小，孔隙率开始增大。这主要是因为当筛除石粉的人工砂颗粒级配一定时，人工砂中稍粗的颗粒在堆积时起骨架作用，其孔隙率也为定值;石粉含量较小时，石粉主要填充于粗颗粒的间隙，致使堆积密度逐渐增大;当石粉含量超过一定比例时，人工砂粗颗粒间的空隙已被填充充分，石粉则独立分布于人工砂中。由于石粉粒径相对比较单一，导致其堆积密度逐渐减小，从而导致不同石粉含量的人工砂拌制的混凝土密实度将会不同、强度也就不同。

3.1.2 石粉含量对细度模数的影响分析

通常评定人工砂的级配好坏主要是看其颗粒级配组成情况，转化为一个定性指标就是细度模数。那么，分析石粉含量对人工砂细度模数的影响也就相当于分析石粉含量对人工砂级配的影响，石粉含量与细度模数的关系见图3。

从石粉含量与细度模数关系图可以看出:随着石粉含量的增加，人工砂的细度模数成线性减小。当石粉含量小于14%时，细度模数在2.44～2.88之间，而混凝土所用人工砂一般要求为中砂，其细度模数范围宜为2.4～2.8，因此，本试验仅针对人工砂石粉含量在14%以内时对混凝土性能产生的影响。人工砂一般较粗，细度模数基本在3左右，适当提高石粉含量可以在一定范围内降低人工砂的细度模数，对人工砂偏粗造成的不良影响将有所改善。

表3 不同石粉含量人工砂堆积密度、孔隙率、细度模数试验结果表

图1 石粉含量与堆积密度关系曲线图

图2 石粉含量与孔隙率关系曲线图

图3 石粉含量与细度模数关系曲线图

3.2 混凝土拌合物性能试验

根据石粉含量对混凝土坍落度、泌水率的影响进行了分析。

混凝土拌合物的主要控制指标是和易性。和易性包括流动性、粘聚性、保水性。流动性使混凝土在运输浇筑的过程易于流动，能够密实的填满不同形状的模板。粘聚性和保水性相互依存、关系紧密，粘聚性好的混凝土不容易泌水;同样，容易泌水的混凝土其粘聚性不好，这种混凝土在运输浇筑的过程中容易造成骨料和浆液分离，难以得到均匀密实的混凝土，混凝土的质量也难以保证。因此，和易性对混凝土的质量至关重要，分析石粉含量对混凝土和易性的影响也就十分必要。依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080－2002)，不同石粉含量的混凝土坍落度、泌水率的试验检测结果见表4，石粉含量与塌落度、泌水率的关系见图4。

表4 不同石粉含量的混凝土坍落度、泌水率试验结果表

图4 石粉含量与坍落度、泌水率关系图

由石粉含量与坍落度、泌水率关系图可以看出:在混凝土配合比不变的情况下，在一定范围内，随着人工砂中石粉含量增大，混凝土泌水率逐渐减小，坍落度先是增加，后又减小，石粉含量在10%时达到最大。从和易性的描述可以得知:在人工砂石粉含量偏少时，混凝土的粘聚性不好，易于离析;石粉含量过多时，坍落度减少较多，混凝土将会偏粘稠，也就是说，不管是从坍落度还是从和易性来考虑，人工砂的石粉含量对混凝土的拌合物性能而言，过大和过小都不利。

3.3 石粉含量对混凝土抗压强度的影响分析

固定水灰比为0.55，水泥用量为330 kg/m3，砂率为41%，重庆健杰WH－2A型缓凝高效减水剂的掺量为水泥质量的0.8%。人工砂的石粉含量通过石粉等质量取代人工砂取得。依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081－2002)，试验不同石粉含量的混凝土抗压强度结果见表5，石粉含量与混凝土强度关系曲线见图5。

表5 不同石粉含量混凝土抗压强度试验结果表

从图5可以看出，石粉含量在14%以内时，随着石粉含量的逐渐增大，混凝土的7 d、28 d抗压强度亦逐渐增大，这与此次使用的人工砂的堆积密度随石粉含量增大而增大的规律相一致。

图5 石粉含量与混凝土强度关系曲线图

4 试验结论

笔者通过以上试验和分析得出以下结论:

(1)人工砂中含有适量的石粉，可以弥补由于人工砂粗糙和棱角较多而导致混凝土工作性较差的不利影响，但石粉含量并非越高越好;

(2)随着石粉含量的增加，人工砂的细度模数呈线性下降的趋势，当石粉含量小于19%时，石粉使人工砂的堆积密度增大，空隙率减小;当石粉含量大于19%时，随着石粉含量的继续增加，人工砂堆积密度减小，空隙率增大。

(3)在人工砂石粉含量不大于14%时，随着石粉含量的增大，可以改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的抗压强度。在配置中低强度等级混凝土时，将人工砂中石粉含量控制在14%以内，混凝土的拌合物性能及抗压强度是能够得到保证的。

［1］水工混凝土施工规范，DL/T 5144－2001［S］.

［2］建筑用砂，GB/T14684－2001［S］.

［3］建筑用卵石、碎石，GB/T 14685－2001［S］.

［4］普通混凝土拌合物性能试验方法标准，GB/T 50080－2002［S］.

［5］普通混凝土力学性能试验方法标准，GB/T50081－2002［S］.