干法机制砂石粉含量对混凝土 工作性能和力学性能的影响研究*

丁路静，高建，陈全滨，张凯峰，伍娟，王建鹏，高鹏，王双喜，马金蕾，李微

（1. 中建西部建设北方有限公司，陕西 西安 710100；2. 中建西部建设（天津）有限公司，天津 300450；3. 西安高新技术产业开发区房地产开发有限公司，陕西 西安 710000）

0 引言

随着建筑业的不断发展，混凝土材料的消耗量越来越大，鉴于国家对河道的强化管理，天然砂资源短缺，机制砂替代天然砂配制混凝土已成为行业发展的必然趋 势[1-7]。与湿法制砂获得的机制砂相比，干法制砂得到的机制砂石粉含量和含泥量均较高，且颗粒级配较差。机制砂颗粒岩性为石灰岩时，石粉具有一定的活性。鉴于此，本文对 3 种厂家生产的干法机制砂进行研究，研究不同石粉含量对 C30 和 C50 两种强度等级混凝土工作性能和力学性能的影响规律，为干法机制砂在混凝中的研究与应用提供一些参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥采用山水 P·O42.5 低热水泥，3d 抗压强度 28.2MPa，28d 抗压强度 53.5MPa，烧失量 1.58%，比表面积 370m2/kg。

（2）矿粉采用鑫征 S95 级矿粉，7d 活性指数 78%，28d 活性指数 97%，比表面积 410m2/kg，流动度比 105%。

（3）粉煤灰采用北疆Ⅱ级粉煤灰，细度 45μm 方孔筛筛余 26.1%，需水量比 99%，烧失量 2.7%。

（4）粗骨料采用河北迁安 5～25mm 连续级配的尾矿石，针片状 3%，压碎指标 8%。

（5）外加剂采用中建聚羧酸高性能外加剂，减水率 20%，含固量 10%。

（6）拌和用水采用洁净的自来水。

（7）细骨料采用河北迁安湿法尾矿砂搭配干法机制砂复合使用，其中尾矿砂细度模数 1.7，MB 值 1.3。干法机制砂性能指标见表 1。三种干法机制砂的 SEM 扫描图见图 1。

表1 干法机制砂性能指标

图1 石粉砂 SEM 检测图

从图 1 可以看出，三种石粉砂石粉在 40μm 倍数下颗粒形貌相似，均为不规则形状颗粒，颗粒粒径相差不大。

1.2 试验方案

本试验研究干法机制砂石粉含量对 C30 和 C50 两种强度等级混凝土工作性能和 7d、28d 抗压强度的影响。将干法机制砂烘干并筛分出石粉，按照 500kg/m3干法机制砂用量的百分比掺入，其中石粉含量控制为0%、9%、12%、15%、18%、21%。混凝土基准配合比如表 2 所示。

表2 试验混凝土基准配合比 kg/m3

2 试验结果与分析

2.1 不同石粉含量干法机制砂混凝土的工作性能

不同石粉含量对干法机制砂混凝土工作性能的影响试验结果见表 3 和图 2。

表3 不同石粉含量干法机制砂混凝土的工作性能

由表 3 所示，C30-0 和 C50-0 配合比中干法机制砂石粉含量为 0%，从图 2 中能够明显地看出石粉含量为 0% 时，不同厂家生产的干法机制砂配制的混凝土坍落度和扩展度均最小，且 1.5h 后的损失最大。这是因为混凝土中缺少了一部分 75μm 以下的石粉颗粒，组成混凝土的颗粒级配变差，造成混凝土拌合物包裹性能差、和易性差，混凝土较分散，易产生泌水泌浆的现象。

从图 2-a) 中可以看出，盛泰干法机制砂混凝土在石粉含量为 15% 时，坍落度达到最大值，1.5h 经时损失 15mm；土润祥和干法机制砂在石粉含量为 12% 时坍落度达到最大值，1.5h 经时损失 10mm；卧龙干法机制砂在 15% 和 18% 石粉含量时，坍落度值相同，达到最大值，1.5h 经时损失 10mm。虽然三种厂家干法机制砂混凝土坍落度最大值不同，最大值对应的石粉含量也不同，但随石粉含量变化的趋势一致，均是随石粉含量的增长先增加后降低。

从图 2-b) 中可以看出，三种干法机制砂均在石粉含量为 15% 时，扩展度达到最大值，且混凝土扩展度随石粉含量的增长先增加后降低，呈现出的变化趋势与坍落度一致。

图2-c) 和图 2-d) 中干法机制砂混凝土的坍落度和扩展度随石粉含量的变化趋势与图 2-a) 和图 2-b) 一致。

图2 不同石粉含量对混凝土工作性能影响

当石粉含量为 21% 时，C30 和 C50 混凝土的坍落度值和扩展度值均减小，且 1.5h 后的经时损失值增大，表明混凝土在石粉含量 21% 时，工作性能变差，且易损失。这说明当干法机制砂中的石粉含量过高时将对混凝土的工作性能产生不利影响。

因此，当干法机制砂中石粉含量在 12%～18% 时，混凝土工作性能最优。

干法机制砂中石粉含量对混凝土工作性能影响规律为随石粉含量的逐渐增加，工作性能先逐渐变好后又劣化，这是因为当石粉含量为 0% 时，混凝土整体级配因缺少部分 75μm 以下的颗粒变差，混凝土中粉料量相对减少，混凝土的包裹性变差，工作性能变差。随着石粉含量的逐渐提高，混凝土中的粉料体系相对增加，浆体量逐渐增多，整体颗粒级配逐渐趋于更加合理，粉料与骨料颗粒之间的空隙能够更好的被填充，从而使混凝土的工作性能得到改善，逐渐优化，达到最优。但在相同用水量下，当石粉含量超过某一临界值时，多余的石粉颗粒会吸附水和外加剂，这会造成混凝土粘度增大，外加剂用量增多，从而使混凝土工作性能劣化变差，不利于工作性能的保持。

2.2 不同石粉含量干法机制砂混凝土的力学性能

C30 和 C50 混凝土的力学性能试验结果见表 4 和图 3、图 4 所示。

表4 不同石粉含量干法机制砂混凝土 28d 抗压强度

图3 C30 干法机制砂混凝土力学性能

图4 C50 干法机制砂混凝土力学性能

从图 3 可以看出，在石粉含量为 0% 时，三种干法机制砂配制的混凝土 28d 抗压强度均小于 30MPa，为满足混凝土强度等级设计要求。随石粉含量的逐渐增加，混凝土抗压强度均得到了一定的提升，且呈现出先增长后降低的趋势，不同厂家干法机制砂配制的混凝土 28d 抗压强度有所不同，但变化趋势一致。盛泰干法机制砂混凝土抗压强度最高，在石粉含量 12% 达到最高值，为 51.6MPa；卧龙干法机制砂混凝土的抗压强度同样在石粉含量 12% 时达到最高值，为 42.4MPa；土润祥和干法机制砂混凝土抗压强度最大值为 45.9MPa，此时的石粉含量为 18%。当石粉含量为 21% 时，盛泰干法机制砂混凝土强度为 47.7MPa，土润祥和干法机制砂混凝土抗压强度为 36.7MPa，卧龙干法机制砂混凝土强度为 41.4MPa，与最大值相比均有所降低，但同时也都满足强度等级设计要求。

由图 4 可知，石粉含量为 0% 时，三种干法机制砂混凝土 28d 抗压强度值最低，分别为盛泰干法机制砂 58.9MPa，土润祥和干法机制砂 56.3MPa，卧龙干法机制砂 53.4MPa，均满足强度等级设计要求。C50 混凝土受石粉含量变化的影响规律同 C30 混凝土一致，均为先增加后降低。三种干法机制砂混凝土抗压强度均在石粉含量 15% 时达到最大值。

干法机制砂中石粉含量对混凝土抗压强度影响规律与工作性能影响规律一致，均为随石粉含量的逐渐增加，抗压强度先增长后降低。这是由于石粉含量的增加能够改善混凝土整体颗粒级配，使混凝土结构更为致密，抗压强度更高；试验采用的三种干法机制砂的岩性均为石灰岩，这也使得石粉具有一定的活性，能够发生水化反应，为混凝土提供一定的强度，使混凝土强度有所增长。但是当石粉含量过高时，混凝土抗压强度降低，这是因为过量的石粉会在混凝土拌合过程中吸附水和外加剂，致使胶凝材料体系中活性更高的水泥和矿物掺合料能够用于水化反应的水量减少，限制了水化进程，导致混凝土强度降低；且过量的石粉会导致混凝土整体颗粒级配失衡，结构致密性降低，混凝土强度降低。

3 结论

（1）干法机制砂中的石粉能够改善混凝土的工作性能和力学性能，随石粉含量的增加，混凝土工作性能逐渐改善，力学性能逐渐增强，但存在某一临界值，当石粉含量超过临界值时，工作性能和力学性能均会出现劣化现象。

（2）试验中三种厂家的干法机制砂石粉含量对混凝土工作性能和力学性能影响规律一致。当石粉含量为12%～18% 时，混凝土的工作性能和力学性能最优。当石粉含量大于 18% 后，混凝土的工作性能和力学性能会出现劣化现象。