花岗岩机制砂石粉含量对混凝土性能的影响*

李 林 张学峰 徐 斌 李 龙 李北星

(1.江西省交通工程集团有限公司 南昌 330000; 2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

天然砂资源的日趋匮乏，我国混凝土用机制砂逐步替代河砂是大势所趋[1]。机制砂是由岩石经机械破碎、筛分制成，其区别于天然砂最显著特点是其破碎生产中会产生15%～20%的粒径小于75μm的石粉[2]。正因如此，国内外学者针对石粉含量对新拌机制砂混凝土工作性、外加剂效能和硬化混凝土力学性能、体积稳定性和耐久性影响进行了大量研究[3-5]，但不同研究者所得出的机制砂最佳石粉含量或提出的石粉含量限值并不一致，甚至存在争议。鉴于机制砂中的石粉，尤其是石粉中有黏土存在时，会对机制砂混凝土的某一性能或综合性能产生显著影响，机制砂相关标准均对石粉含量进行了限定。对于机制砂石粉含量限值，不同国家的标准规定存在较大差异，如印、英、澳和欧盟等国家及地区容许机制砂中石粉含量有更高的限值，而中、日、美等国的标准规定限值较低。我国不同行业或地方标准的规定也不尽相同。许多研究表明[6-8]，机制砂中不含黏土的石粉是无害甚至是有益的，使用高石粉含量(10%～15%)机制砂也可以配制优质混凝土。因此，目前尚无一个广泛认可或可接受的最佳石粉含量，造成石粉含量限值存在争议或分歧的根本原因是不同的研究者采用的机制砂或石粉品质不一样，包括机制砂母岩岩性、级配或粒形，石粉中的有害性黏土含量或石粉吸附性、石粉的活性或细度等。因此，针对不同地区、不同工程用的机制砂，其最佳石粉含量需要结合该地区母岩所加工的机制砂特性和工程用混凝土通过具体试验研究确定。

浙江景宁至文成高速公路第JWTJ-02标段位于浙江省景宁县内山岭重丘区，周边碎石和天然河砂资源匮乏，但工程建设中隧道开挖又产生大量花岗岩洞渣。按照“因地制宜、就地取材”的原则，该标段C20～C50所有混凝土均采用隧道洞渣加工的机制砂和碎石集料配制。鉴于目前工程建设中常用的机制砂多为石灰岩，对花岗岩机制砂的研究与应用较少[9]。本文以隧道洞渣自制的花岗岩机制砂石为集料配制C20～C50混凝土，着重研究花岗岩机制砂石粉含量对不同强度等级混凝土的工作性能、强度和抗氯离子渗透性能的影响，以获得该花岗岩机制砂混凝土适宜的石粉含量。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1) 水泥。采用衢州南方水泥有限公司生产的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，其主要性能指标见表1。

表1 水泥的主要性能指标

2) 粉煤灰。采用浙江海科工程材料有限公司生产的F类II级粉煤灰，其主要性能指标表见表2。

表2 粉煤灰的主要性能指标

3) 碎石。由景文高速公路二标隧道开挖的花岗岩洞渣自加工所得。工艺流程为：洞渣块石→带筛形条振动给料机→鄂破→圆锥破→整形机→筛分→级配碎石。试验用碎石分为3个粒级：4.75～9.5 mm(小石)、9.5～19 mm(中石)和16～31.5 mm(大石)，三级配合成质量比为：小石∶中石∶大石=2∶4∶4，用于C50以下混凝土配制；二级配合成质量比为：小石∶中石=2∶8，用于C50混凝土配制；3种粒级碎石主要技术指标表见表3。

表3 碎石的主要性能指标

由表3可见，该花岗岩洞渣碎石符合JTG/T 3650-2020《公路桥涵施工技术规范》II类碎石规定。

4) 机制砂。由100 t/h楼式机制砂生产线自加工所得，其中制砂机为石打石立轴冲击式破碎制砂机，入机原料为上述9.5～19 mm花岗岩碎石。试验用机制砂的级配曲线图见图1，其主要技术指标表见表4。

图1 机制砂级配曲线

表4 机制砂主要性能指标

由图1和表4可见，该机制砂属于2区级配，各项指标均符合JTG/T 3650-2020《公路桥涵施工技术规范》II类砂规定。

5) 石粉。来源于制砂系统废石粉处理系统，为除尘器回收的石粉。石粉的主要化学组成见表5，实测比表面积为326.3 m2/kg。按T/CECS 645-2019《石粉在混凝土中应用技术规程》对石粉进行检验，主要性能指标见表6。

表5 石粉的化学组成

表6 石粉的主要性能指标

6) 外加剂。采用江西某公司生产的TS-HPC缓凝型聚羧酸高性能减水剂，其含固量为16.5%，减水率为27%。

1.2 试验方法

混凝土坍落度、扩展度按GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行试验；抗压强度按GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行试验，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm；抗氯离子渗透性能按GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的电通量法进行测试，试件直径为(100±1) mm、高度为(50±2) mm，养护龄期为56 d。

1.3 试验方案及配合比

选用在高速公路工程建设中常用的C20、C25、C30、C40、C50 5个强度等级混凝土进行试验，对应水胶比为0.58，0.51，0.44，0.38，0.32。机制砂石粉含量设定为5%，7%，10%，14%，通过将石粉与原状机制砂进行复配制得。经过试拌调整后的机制砂混凝土配合比见表7。

表7 机制砂混凝土配合比及工作性能

为了凸显机制砂中石粉含量变化对混凝土性能的影响，试验采用单因素变量法，同一强度等级机制砂混凝土配合比中胶凝材料用量及粉煤灰掺量、单方用水量和砂率等配合比参数均不变，而石粉含量增加引起的混凝土流动性变化通过外加剂用量的调整，以使所有混凝土流动性基本保持一致，即坍落度达到200～220 mm，扩展度达到500～530 mm。

2 结果与分析

2.1 石粉含量对混凝土工作性的影响

由表7可以看出，在5%～7%的石粉含量范围内，混凝土达到相同或相近的坍落度和扩展度所需要的减水剂用量保持不变；在7%～14%的石粉含量范围内，随着石粉含量的增加，混凝土达到相同或相近的坍落度和扩展度所需要的减水剂用量也逐渐增多，对于C20、C25、C30、C40混凝土，石粉含量14%较石粉含量7%机制砂配制的混凝土其减水剂掺量提高了0.2%，对于C50混凝土，石粉含量14%较石粉含量7%机制砂配制的混凝土其减水剂掺量提高了0.15%。

在机制砂混凝土中，石粉含量从5%提高到7%，并未降低混凝土的工作性，其原因主要有：①石粉的细度与水泥的细度相差不大，此时石粉弥补了机制砂混凝土中胶凝材料不足的缺点，这点在低强度混凝土中作用更加明显；②机制砂表面较为粗糙，而石粉在混凝土中形成粉体浆体可以起到润滑作用，有利于减少机制砂与粗集料之间的摩擦，改善机制砂混凝土拌合物的和易性；③石粉填充于骨料搭接产生的空隙中，将混凝土体系中原本起填充作用的填充水置换出来成为自由水，自由水增加，拌合物浆体的流动性能变大[10]。上述是石粉的正作用，然而，随着机制砂中石粉含量的提高，导致包裹其所需的用水量愈多，同时，石粉对减水剂存在一定的吸附作用[11]，这是石粉的副作用。当正作用大于副作用时，宏观上混凝土的工作性有所提升，反之，则需要额外加入更多减水剂来达到相同的工作性。

2.2 石粉含量对混凝土抗压强度的影响

石粉含量对C20～C50机制砂混凝土的7 d抗压强度和28 d抗压强度的影响结果见图2。

图2 机制砂石粉含量对不同强度等级混凝土7 d和28 d抗压强度的影响

由图2可见，随着石粉含量的增加，C20、C25、C30混凝土的7 d和28 d抗压强度均呈现增大的趋势，7 d时其石粉含量为14%较石粉含量为5%的抗压强度分别提高了14.3%，12.5%，10.1%，28d时其石粉含量为14%较石粉含量为5%的抗压强度分别提高了10.6%，11.6%，12.4%；C40、C50混凝土的7 d和28 d抗压强度则随着石粉含量的增加而呈现先增大后减小的趋势，且在石粉含量为10%时达到最大值，7 d时C40、C50混凝土抗压强度的最大值分别为45.9，55.2 MPa，较石粉含量为5%时分别提高了16.8%，11.3%，28 d时C40、C50混凝土抗压强度的最大值分别为53.8，66.2 MPa，较石粉含量为5%时分别提高了10.2%，8.9%。

在机制砂混凝土中，石粉对混凝土强度的影响主要有：①合理的掺量可以加速水泥水化的作用，有利于混凝土早期强度的改进；②石粉通过微集料填充效应来填补混凝土中的有害空隙，使混凝土更加密实，强度增加[12]，因此，C20～C50混凝土在石粉含量为5%～10%时，随着石粉含量的增加其抗压强度增大。但当混凝土强度等级较高时，混凝土体系中胶凝材料较多，为提高其强度，已将体系中胶凝材料进行了充分设计，使混凝土具有良好的密实堆积结构，此时过量石粉的引入会破坏这种密实堆积结构，使混凝土强度降低[13]，所以C40、C50混凝土在石粉含量为10%～14%时，随着石粉含量的增加其抗压强度降低。

2.3 石粉含量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

石粉含量对C20～C50机制砂混凝土56 d电通量影响的试验结果见图3。电通量用于评价混凝土抵抗水、腐蚀离子等介质向内渗透的能力，一定程度上反映了混凝土密实性的高低。图3结果表明，混凝土强度等级越高，电通量越低，混凝土密实性越高，抗渗透能力越强。随着机制砂石粉含量的增加，C20、C25、C30混凝土的电通量逐步减小，分别从石粉含量为5%时的3 096，2 516，1 980减少到石粉含量为14%时的2 686，2 186，1 702；而C40、C50混凝土的电通量呈先减小后增大趋势，当石粉含量为10%时，混凝土电通量最小，分别为1 186，780 C。可见，对于胶凝材料用量较低的C20～C30混凝土，机制砂中石粉含量的增大，增强了混凝土的抗渗透性，而对于胶凝材料用量较高的C40～C50混凝土，石粉含量不宜过高，本试验最佳值为10%。

图3 机制砂石粉含量对不同强度等级混凝土56 d电通量影响

究其原因，主要是石粉通过微集料填充效应来填补混凝土中的有害空隙，使混凝土更加密实，从而阻塞氯离子扩散通道，其电通量降低，抗氯离子渗透能力增强；但对于C40、C50混凝土而言，混凝土中胶凝材料用量较高，水胶比较低，混凝土本身具有良好的密实堆积结构，此时过量石粉的加入，则在一定程度上破坏了这种堆积效果，降低混凝土的密实性，导致混凝土的电通量提高，抗氯离子渗透能力减弱。

3 结论

1) 机制砂石粉含量在5%～7%的范围内，石粉含量的增加对C20～C50混凝土的工作性能没有明显影响；当石粉含量在7%～14%的范围内，随着石粉含量的增加，C20～C50混凝土达到相同工作性所需减水剂掺量增加。

2) 机制砂石粉含量对混凝土强度有显著影响。在石粉含量为5%～14%的范围内，C20、C25、C30混凝土的7 d和28 d抗压强度随着石粉含量的增加随之增大，而C40、C50混凝土的7 d和28 d抗压强度则随着石粉含量的增加呈现先增大后减小的趋势，当石粉含量为10%时强度达到最大值。

3) 混凝土强度等级越高，电通量越低，抗氯离子渗透能力越强。相同强度等级的混凝土，电通量随机制砂石粉含量的增加而变化，在石粉含量为5%～14%的范围内，随石粉含量增加，C20、C25、C30混凝土的电通量逐步减小，而C40、C50混凝土的电通量呈先减小后增大趋势，且当石粉含量为10%时，混凝土电通量最小。

4) 综合考量石粉含量对C20～C50混凝土各项性能的影响，在景文高速公路二标建设中，C20、C25、C30机制砂混凝土中适宜石粉含量为10%～14%，而C40、C50混凝土为10%。