含石粉的C30机制砂混凝土性能研究

旃开发　刘浩蔷　闵小林　马露雪　刘荥　郭启龙

摘  要：文章针对机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响，结合具体实验数据探究了机制砂、粉煤灰和石粉含量对混凝土性能的影响;结果表明，随着机制砂含量的增加，坍落度不斷降低，抗压强度先增加后降低，当含量为40%时，抗压强度达到最大值。粉煤灰的适量掺入可以改善混凝土的工作性能，掺量为20%时提高了混凝土的抗压强度。适量的石粉可以改善混凝土的工作性能，提高其抗压强度，当石粉含量高于13%，降低混凝土工作性能和抗压强度。因此，当机制砂掺入为40%，粉煤灰为20%和石粉含量为13%时，C30混凝土的抗压强度最高。

关键词：机制砂;石粉;河砂;粉煤灰;混凝土

中图分类号：TU528         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）08-0051-04

Abstract： Aiming at the effect of the stone dust contenton the concrete performance in the manufactured sand， this paper explores the effect of the manufactured sand， fly ash and stone dust contenton the concrete performance with specific experimental data; the results show that with the increase of the content of the machine sand， the slump continues to decrease， and the compressive strength increases first and then decreases. When the content is 40%， the compressive strength reaches a maximum.An appropriate amount of fly ash can improve the workability of concrete， and the compressive strength of concrete is increased when the amount is 20%.A proper amount of stone powder can improve the workability and compressive strength of concrete. When the content of stone powder is higher than 13%， the workability and compressive strength of concrete are reduced.Therefore， when the incorporation of machine sand is 40%， fly ash is 20% and stone dust contentis 13%， the compressive strength of C30 concrete is the highest.

Keywords： manufactured sand; stone powder; river sand; fly ash; concrete

1 概述

我国持续推进经济建设，随着建筑行业高速发展，建筑用砂需求逐渐增大，天然河砂大量开采，国内大部分地区资源匮乏，生态遭到严重破坏，受到国家高度重视，为杜绝该类问题产生，《森林法》第十三条规定，禁止采天然砂等毁坏生态行为，所以市面上天然砂资源匮乏。国家在两会上也明确指出，倡导发展机制砂产业，进行生态文明建设，大力推进机制砂代替河砂，为响应国家号召，机制砂取代河沙已经逐渐应用在工程实践中。

机制砂是由石头破碎而成的直径小于4.75mm的岩石颗粒。它具有多棱角、级配不良等特点。在混凝土中，它可以增加彼此之间的咬合力，提高混凝土强度[1]，机械破碎而成的机制砂还含有一定量的石粉（粒径小于75？滋m的颗粒），国内外大量试验研究表明，石粉可以改善混凝土的颗粒级配，促进水泥的水化反应，填充内部孔隙等，但也会对混凝土结构造成永久性损伤，对不同体系的混凝土也会产生不同影响。所以，实际情况下，石粉含量需要根据不同配合比和不同掺合料另行讨论[2]。

从上述研究进展可看出，原材料状态及含量等对机制砂混凝土影响还不是很清晰，因此本文主要研究机制砂、粉煤灰和石粉对混凝土性能的影响，从而为推动机制砂在混凝土中的应用以及工程实践提供理论依据。

2 试验

2.1 原材料

（1）胶凝材料：采用兰州京兰水厂普通硅酸盐水泥P·O42.5水泥，性能见表1。

（2）粉煤灰：汇丰新材料二级粉煤灰，2.6μm方孔筛余量为16%，密度为2.55g/cm3，堆积密度为1.12g/cm3，含水量0.85%，烧失量6.5%。

（3）细集料：采用兰州砂石厂精品机制砂和天然河沙，细骨料物理化学性能如表2所示。

试验过程中，以20%为梯度不断用机制砂取代河砂，并根据不同试验阶段所需石粉调整含量。

（4）粗集料：采用粒径大小为5～22mm的连续级配碎石。

（5）减水剂：陕西秦奋建材聚羧酸高效减水剂（减水率为20%）。

（6）水：普通自来水。

2.2 实验配合比

本实验依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）、《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2005）分别设计了以下不同情况混凝土配合比。

（1）采用不同掺量（20%、40%、60%、80%、100%）的机制砂取代河砂，配合比设计如表3所示，对混凝土物理性能、工作性能进行研究。通过观测混凝土的狀态和坍落度，以及不同掺量的3d、7d、 28d抗压强度及28d抗折强度，以此来研究机制砂掺量对混凝土性能的影响。

（2）固定机制砂掺量，采用不同掺量（0%、10%、20%、30%）的粉煤灰取代水泥，配合比如表4所示，对混凝土物理性能、工作性能进行研究。通过观测混凝土的状态和坍落度，以及不同掺量的3d、7d、28d抗压强度及28d抗折强度，从而研究粉煤灰含量对混凝土性能的影响。

（3）固定机制砂掺量和粉煤灰掺量，采用不同掺量（3%、8%、13%、18%）的石粉，进行混凝土物理性能、工作性能的研究，配合比如表5所示。通过观测混凝土的状态和坍落度，以及不同掺量的3d、7d、28d抗压强度及28d抗折强度，从而研究石粉含量对混凝土性能的影响。

2.3 试验方法

混凝土坍落度参照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试[3];混凝土抗压、抗折强度参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行[4]，配制成标准试块，拆模之后自然养护到规定龄期进行性能测试。

2.4 试验结果分析

2.4.1 不同机制砂掺量对混凝土性能影响

不同含量机制砂取代河砂的混凝土性能变化见表6，从表中可以看出，随着机制砂含量的增加，新拌混凝土的坍落度逐渐减小，当掺量超过80%时，坍落度超出了设计要求，这是由于机制砂本身吸水率较高，当水胶比不变，随着机制砂的增多，混凝土的坍落度下降。

从表6中可以看出，随着机制砂掺量的增加，新拌混凝土的坍落度逐渐降低，这是因为机制砂掺量的增加导致石粉含量增多，所以石粉需要的用水量增加，但水胶比不变，所以混凝土的坍落度下降，而且机制砂颗粒粗糙，有棱角，导致混凝土内部形成较多孔隙，所以需要更多的浆体材料来包裹，导致混凝土胶凝材料和用水量不足，从而降低新拌混凝土的流动性。

随着机制砂含量的增加，混凝土3d、7d和28d抗压强度都呈现为先增加后减小的趋势，当含量为40%时，抗压强值最大。因为机制砂多棱角、级配不均匀，但具有较好的机械咬合力，而河沙呈圆形颗粒，级配均匀，但咬合力不足，二者混合正好弥补了相互之间的不足，混合砂级配得到了提高，进而增强了混凝土的密实度，提高了混凝土抗压强度。但当机制砂含量超过40%之后各龄期强度均呈减少的趋势，一方面因为机制砂含量的增加，导致细骨料级配不良，混凝土内部空隙增加，内部空间结构不稳定，降低混凝土抗压强度;另一方面因为坍落度过小造成拌合物流动性较差，水化程度降低，内部形成裂纹，导致混凝土抗压强度降低。

随着机制砂含量的增加，28d抗折强度呈现先增大后减小的趋势，这是因为机制砂颗粒虽然级配不良，但是它们相互之间各棱角的机械咬合力程度高，从而提高了混凝土的整体稳定性，而河砂正好填充了机制砂之间的空隙，机制砂量的增多，反而会使混凝土内部结构空隙增多，降低抗折强度。

2.4.2 不同粉煤灰掺量对机制砂混凝土性能影响

不同粉煤灰掺量40%机制砂混凝土性能分析，结果见表7。

从表7中可以看出，粉煤灰替代量的增多可以增大混凝土的坍落度，这是因为适量的粉煤灰可以加速水泥水化，改善了混凝土的流动性，由于粉煤灰大多为微圆形颗粒，表面光滑，在混凝土中起到了滚轴的作用，因而具有减水作用。

随着粉煤灰含量的增加，混凝土的3d、7d抗压强度有所下降，28d抗压强度则呈现出先增加后减小的趋势，当粉煤灰含量为20%时，混凝土28d抗压强度达到最高。这是因为粉煤灰的颗粒正好填补了细骨料和水泥之间微小孔隙，使得细颗粒的级配趋向合理;并在混凝土中发生水化反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，产物为胶凝状，填充了内部孔隙，使混凝土更加致密，提高混凝土后期强度[5]。当含量达到30%后强度反而降低，这是由于随着粉煤灰含量的增多，超过水化所需的水，在混凝土中形成较大空隙，降低混凝土强度，并且由于水泥胶凝材料逐渐减少，导致混凝土的粘结强度不够，混凝土整体密实性降低，抗压强度下降。3d、7d早期强度降低，是因为粉煤灰取代水泥后与水泥一同发生水化反应，粉煤灰水化速度小于水泥，所以粉煤灰含量越多，早期强度反而呈现降低的趋势。

随着粉煤灰含量的增加，28d抗压强度先增大后减小，这是由于混凝土中的微小孔隙被粉煤灰填充，改善了胶凝材料的流动性，使水化更加充分，提高了混凝土的抗折强度[5]，但粉煤灰含量超过20%后，导致水泥胶凝材料减少，粘结强度不够，抗折强度反而下降。

2.4.3 不同石粉含量对机制砂混凝土性能影响

表8是不同石粉含量40%机制砂、20%粉煤灰取代水泥胶凝材料混凝土性能分析，石粉含量过大时，导致坍落度过小，这是由于混凝土水灰比不变，石粉含量增多导致用水量不足，进而导致混凝土坍落度降低。

根据表8中数据可知，坍落度与机制砂含量呈现反比例关系，这一方面是因为石粉具有吸水性，石粉含量的增加会加大混凝土的需水量[6]，另一方面是由于石粉比表面积较大，随着石粉的增多，细集料比表面增大，导致了用水量不足，因此当水胶比和胶凝材料不变的条件下，坍落度会随着石粉含量增加而降低[7];

随着石粉含量的增加，混凝土的3d、7d、28d抗压强度先增强后减弱，当含量在13%时抗压强度达到最大，这一方面是因为石粉活性低，颗粒比水泥颗粒更小，所以对材料之间的微小孔隙起到了填充作用，石粉的加入正好能弥补机制砂表面粗糙、孔隙率较大问题，把混凝土内部悬空骨架结构转化为密实结构，可以提高混凝土的密实性和耐久性能;另一方面是因为在水化过程中具有晶核效应，可以加速水化产物的产生，提高水泥浆体的粘结强度[8]。而过多的石粉会导致混凝土粗细骨料级配不合理，对混凝土内部骨架造成影响，反而使密实度降低，进而降低抗压强度[9]。

随着石粉含量的增加，28d抗折强度先增大后降低，因为适量的石粉可以使拌合物具有一定的稠度，增大混凝土的粘聚性，可以使其强度提高，但石粉含量不能过多，否则会削弱混凝土的粘结性，进而降低它的抗折强度。

综上所述，当选用机制砂取代河砂时，可采用机制砂取代河砂量40%、粉煤灰含量为水泥胶凝材料的20%及机制砂石粉含量13%，此掺量下的C30机制砂混凝土的性能发展较好。

3 结论

（1）随着机制砂含量的增加，新拌混凝土的坍落度逐渐降低，需水量随之增大;抗压强度呈现为先增加后减小，当含量为40%时，混凝土的抗压强度最大。

（2）随着粉煤灰含量的增加，改善了新拌混凝土坍落度，抗压强度先增加后降低，含量达到20%时，抗压强度最好，说明粉煤灰提高流动性，填充内部空隙，混凝土更加致密，提高强度。

（3）适量的石粉可以在一定程度上改善混凝土的工作性能，增大其抗压强度，当石粉含量在大约13%时，混凝土抗压和抗折强度达到最好;当石粉含量高于13%，降低混凝土工作性能和抗压强度。因此，当机制砂掺入为40%，粉煤灰为20%和石粉含量为13%时，C30混凝土的抗压强度最高。

参考文献：

[1]韩栋宇.机制砂在混凝土中的应用技术研究[J].四川建材，2019，45（10）：1-2.

[2]林基泳，蒋勇，吴兴颜，等.石粉对混凝土性能影响的研究现状[J].硅酸盐通报，2018，37（12）：3842-3848.

[3]中华人民共和国国家标准.普通混凝土拌合物性能试验方法标准（GB/T50080-2016）[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[4]中华人民共和国国家标准.普通混凝土力學性能试验方法标准（CB/T50081-2002）[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[5]马艳平，朱卫华.粉煤灰掺量对混凝土抗折强度的影响[J].城市建设理论研究（电子版），2012（21）.

[6]邓文明.机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响[J].四川水泥，2018（09）：327-328.

[7]张仰源.机制砂石粉含量对混凝土性能的影响[J].住宅与房地产，2018（22）：88-89.

[8]李家和，张保生，王云东，等.石灰岩高石粉含量机制砂混凝土配合比设计及性能研究[J].硅酸盐通报，2018，37（11）：3641-3645+3651.

[9]何小清.石粉含量对机制砂混凝土性能影响的研究[J].江西建材，2018（06）：19-20.