机制砂石粉含量对混凝土变形性能的影响

谢勇詹镇峰李从波（佛山市华通混凝土有限公司；广州大学土木工程学院）

机制砂石粉含量对混凝土变形性能的影响

谢勇1詹镇峰2李从波2
（1佛山市华通混凝土有限公司；2广州大学土木工程学院）

机制砂中石粉含量对混凝土硬化体的性能会产生一定影响。本文通过测试混凝土的轴心抗压强度、弹性模量、轴心抗拉强度、极限拉伸值以及干缩值，研究了不同石粉含量的混凝土变形性能，结果表明：石粉起到晶核和微集料作用，能提高混凝土的强度；随着石粉含量的增加，混凝土的轴心抗压强度、弹性模量、轴心抗拉强度升高，极限拉伸值则先升后降；机制砂混凝土的干缩值高于河砂，且随着石粉含量的增加而增大。

机制砂；石粉含量；变形性能

1　引言

石粉是指机制砂生产过程产生的细小颗粒，《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）中将石粉定义为小于0.16mm颗粒，《建筑用砂》（GB/T14684-2001）中将小于0.075mm颗粒称为石粉，一般在刚破碎出来的原砂中会含有10%～20%的石粉。为满足国标的要求，控制石粉的含量，制砂企业只能采取电动收尘或水洗的方法生产机制砂，尤其是在生产用于高强度混凝土的机制砂时，必须采用水洗法。而进行水洗时，为洗除机制砂中小于0.075mm的颗粒，就必然要附带损失一些小于0.60mm，甚至1.18mm以下的颗粒，这样既浪费了大量的水资源也降低了砂的产量，同时破坏了机制砂原有的级配［1］。

近年来，随着国家基础设施建设的日益增加，天然砂资源的短缺已成为不争的事实，机制砂也成为解决砂资源短缺的主要途径。随着机制砂的使用越来越广泛，国内外众多学者围绕该主题开展了大量研究，基本探明了石粉对混凝土性能的影响规律及作用机理，使得机制砂的理论研究和工程应用取得了长足发展，对石粉在混凝土的作用认识也越深入，如陈家珑［2］研究认为：带石粉（必须是真正的石粉，而不能是泥粉）的人工砂，能明显改善混凝土的和易性、提高混凝土的强度；贺图升［1］等人的研究结果认为配制中低强度混凝土时，水灰比较大、水泥用量少，机制砂中的石粉补充了细颗粒，增加了混凝土拌合物的稠度，拌合物的粘聚性随着石粉含量的增加而增加，离析现象随石粉含量增加明显改善，拌合物的泌水情况得到改善，同时石粉能改善混凝土的耐久性，等等。总之，适量的石粉既能改善混凝土拌合物的性能，又对混凝土的强度和耐久性有帮助。但有关石粉含量对混凝土的变形性能影响的研究较少，本文将探索在同样水灰比下，不同石粉含量对混凝土的变形性能的影响。

2　试验原材料及试验方法

2.1 原材料

水泥：粤海牌中热硅酸盐水泥，韶关昌山水泥厂有限公司生产，强度等级为P·MH42.5；

表1　水泥物理力学性能试验结果

碎石：石灰岩碎石，二级配 20～40mm，5～20mm，w （20～40mm）：w（5～20mm）=60：40

砂：机制石灰石岩人工砂，原状砂石粉含量为12.2%，细度模数为3.05；河砂：细度模数为2.45。

表2　人工砂的级配组成

外加剂：FDN-440T，萘系高效减水剂，掺量为1.3%

2.2 试验方法

本试验各项性能测试均执行SL352-2006《水工混凝土试验规程》进行

2.3 试验方案及配合比

本试验设计两个中等强度等级的水灰比0.55和0.45，所设计的配合比见表3所示，其中石粉含量通过人工途径重新配制。

表3　机制砂普通混凝土配合比（W/C=0.55）

3　试验结果与分析

3.1 石粉含量对抗压强度的影响

图1、图2分别为水灰比0.55、0.45的石粉含量与混凝土强度的关系图，从结果中可以看出：

⑴两种水灰比情况下，石粉含量对混凝土强度的影响规律极为相似，即随着石粉含量的增加，混凝土的强度呈增长的趋势；

⑵相同水灰比，比较河砂和机制砂混凝土强度可以看出，石粉含量低（本试验中≤9%）的机制砂混凝土低于河砂，随着石粉含量增加，机制砂混凝土的强度高于河砂。

以上的试验结果表明石粉对混凝土强度有增强作用，其原因可以归结为两方面：一是石粉起着填充的作用，可以使混凝土结构变得更加密实，有利于强度的提高；二是本文所采用的机制砂母岩为石灰石，石灰石粉起到一定的活性作用，文献［3］解释了石灰石粉的强度效应可能与以下因素有关：一是石粉中的石灰石微粒在水泥水化早期对Ca（OH）2和C-S-H的形成起晶核作用，加速了熟料矿物特别是C3S矿物的水化；另一个可能的原因是石灰石微粒能与水泥中的C3A反应形成水化半碳铝酸钙、单碳铝酸钙或三碳铝酸钙；还有一种可能就是在硅酸盐矿物水化中，少量的石灰石微粒能进入C-S-H凝胶结构中形成碳化水化硅酸盐钙。

图1　石粉含量对抗压强度的影响（W/C=0.55）

图2　石粉含量对抗压强度的影响（W/C=0.45）

3.2 石粉含量对轴心抗压强度、弹性模量的影响

弹性模量是水泥混凝土材料的基本力学指标，它反映了混凝土在压力作用下抵抗变形的能力，也是表征材料的应力和应变关系的重要参数。

图3　石粉含量与轴心抗压强度的关系

图4　石粉含量与弹性模量的关系

图3、图4为水灰比0.55，石粉含量与轴心强度、弹性模量的关系，其中石粉含量为0%的是指河砂。从图中可以看出：随着石粉含量的增加，机制砂混凝土的轴心抗压强度和弹性模量呈上升的趋势，石粉含量为18%的轴心抗压强度和弹性模量值比6%的分别提高12.5%和11.8%；与河砂混凝土相比，河砂的轴心抗压强度高于石粉含量6%和12%，但低于18%，弹性模量高于6%，低于12%和18%。

弹性模量反映出材料的变形性能，弹性模量越大，同样应力下，变形越小。石粉含量增加，混凝土强度提高，这是造成弹性模量提高的原因之一，同时，机制砂的颗粒粗糙，多棱角，相互之间咬合较好，抗变形能力增强。

3.3 石粉含量对轴心抗拉强度、极限拉伸值的影响

轴心抗拉强度和极限拉伸值是衡量混凝土抗裂性的重要指标，提高混凝土的极限拉伸值对改善混凝土抗裂能力非常重要。

图5、图6分别为不同石粉含量下，0.55水灰比的混凝土轴心抗拉强度和极限拉伸值。从结果中可以看出：

图5　石粉含量与轴心抗拉强度的关系

图6　石粉含量与极限拉伸值的关系

⑴混凝土轴心抗拉强度与石粉含量呈现较好的规律，即随着石粉含量的增加，轴心抗拉强度逐渐增大，同时，相同水灰比下，机制砂混凝土的轴心抗拉强度高于河砂混凝土；

⑵极限拉伸值随石粉含量的变化规律是先增后降，石粉含量为18%时，极限拉伸值低于河砂。

机制砂混凝土的轴心抗拉强度高于河砂，可能与机制砂的颗粒形貌有较大的关系，由于机制砂的表面粗糙，多棱角，相互之间的咬合较好，可使混凝土有较好的抗拉性能；而极限拉伸值在18%时，反而下降可能是由于石粉含量增大后，浆体体积增加，导致混凝土的脆性增大，拉伸破坏时变形量变小。

3.4 石粉含量对混凝土干缩值的影响

图7、图8分别是干缩值与龄期、干缩值与石粉含量的关系图，从结果中可以看出：

图7　干缩变形与龄期的关系

图8　石粉含量与干缩变形的关系

⑴随着石粉含量的增加，混凝土的干缩值呈上升的趋势，以90天龄期为例，W/C=0.55的18%石粉含量的干缩值是6%的1.19倍，W/C=0.45的是1.16倍；

⑵机制砂混凝土和河砂混凝土的干缩规律基本一致，表现为早期增长快，60天龄期后趋缓，但到90d龄期时，混凝土干缩仍在继续；

⑶与河砂混凝土相比，机制砂混凝土各龄期的干缩值均大于河砂，以90天龄期为例，W/C=0.55的机制砂混凝土干缩值约增加了4.4%～24.7%；W/C=0.45约增加了5.3%～25.5%，人工砂混凝土干缩较大，对混凝土抗裂能力不利。

4　结论

⑴机制砂中的石粉在混凝土中起到晶核作用和微集料填充作用，能提高混凝土的强度。

⑵随着石粉含量的增加，混凝土的轴心抗压强度、弹性模量、轴心抗拉强度逐渐提高，极限拉伸值则呈现出先增后降的规律。

⑶机制砂混凝土的干缩值高于河砂混凝土，同时，各龄期的干缩值随石粉含量的增加而增大。

［1］贺图升，周明凯，等.石粉对机制砂混凝土拌合物泌水率的影响［J］.混凝土.2007，（2）：58-60.

［2］陈家珑.合理利用人工砂中的石粉［J］.新型建筑材料，2004，（5）：48-50.

［3］李北星，周明凯.石灰岩机制砂中石粉作掺合料对混凝土工作性和强度的影响［J］.公路，2007，（12）：141-145.