不同石粉含量对C35低强度等级机制砂水工混凝土性能的影响研究

徐 飞

（葫芦岛市水利事务服务中心，辽宁 葫芦岛 125000）

近年来，为满足水利工程快速建设与发展需求，人们开采利用砂石资源所引起的“生态破坏”问题日趋突出，其中最典型的破坏形式就是河砂的过度浪费和无限开采。为限制河砂的过度开发，各地政府相继出台了一系列的限采、禁采有关规定[1]。因此，机制砂的兴起既有效缓解了河砂严重短缺矛盾，还具有较高的生态和经济效益，并逐渐成为经济绿色替代品被广泛应用于混凝土行业[2-4]。随着水利事业的快速发展，市场对机制砂的需求量迅速增加，研究应用机制砂水工混凝土性能已成为领域内学者关注的焦点。例如，有学者提出一定量的石粉能够改善混凝土的和易性及机制砂堆积性，而石粉含量过高则不利于拌合物和易性；有学者认为石粉发挥着孔隙填充效应，有利于提高微观界面强度；也有研究表明，一定量的石粉可以改善混凝土抗渗性、保水性和粘聚性，而混凝土强度等级与石粉的最佳含量有关，强度等级越低其最佳含量应越小[5-7]。总体而言，一定量的石粉可以改善水工混凝土耐久性和力学性能，而过量的石粉会带来不利影响。

目前，关于最佳石粉含量的相关研究主要集中于C90、C80、C60等高强度等级混凝土，对其作用机理和影响规律的研究不够深入，并且较少考虑对低强度等级混凝土的影响。此外，现有研究仅局限于砂浆和混凝土的部分耐久性、工作性和力学性能，仍需进一步探讨石粉对微观结构的影响机理[10]。因此，本文选用0%、10%、20%、30%四种不同石粉含量的机制砂配制C35低强度等级水工混凝土，通过室内试验探讨了水工混凝土的抗氯离子渗透性、抗压强度、劈裂抗拉强度、抗裂性能及其和易性，并利用NMR核磁共振揭示了微观孔结构特征，旨在为研究低强度等级机制砂水工混凝土受不同石粉含量的影响规律提供一定支持[8-10]。

1 试验研究

1.1 原材料准备

水泥选用禹州P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，经检测水泥样品的各性能指标均符合现行规范要求，如表1。细骨料选用花岗岩机制砂，细度模数2.6，MB值1.0，经颗粒级配调整，试验用机制砂符合Ⅱ区中砂要求；粗骨料选用天然碎石，粒径连续级配5～30mm，密度2.68g/cm3；外加剂选用XK-540P型聚羧酸高效减水剂，减水率达到28%；拌合水选用当地自来水。

表1 水泥的性能指标

1.2 配合比设计

机制砂中的石粉含量利用添加石粉和清洗原状机制砂的方式合理控制，制作0%、10%、20%、30%四种不同石粉含量的机制砂制备水工混凝土。设计C35低强度等级混凝土，控制减水剂用量维持拌合物坍落度处于(200±20)mm之间，配合比设计如表2所示。

表2 水工混凝土配合比 单位kg/m3

1.3 试验方法

1）工作性能试验。依据拌合物性能试验方法测试水工混凝土的扩展度和坍落度，拌合过程中及时观测和记录拌合物的保水性、粘聚性和流动性。

2）平板开裂试验。采用规范推荐的平板法测试水工混凝土的早期抗裂性能，平板试验主要测试混凝土裂缝宽度、长度和裂缝数量等指标，计算单位面积上的开裂面积、开裂条数和平均开裂面积[11-12]。

3）力学性能试验。水工混凝土的7d、28d劈裂抗拉强度和抗压强度严格执行《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试。

4）抗氯离子渗透试验。水工混凝土的抗氯离子渗透性能利用规范推荐的电通量法测试，通过测定28d电通量值反映不同石粉含量机制砂混凝土的抗氯离子渗透性。

5）微观孔结构试验。水工混凝土的微观孔结构利用NMR多功能成像分析系统来测试，通过测定28d的T2谱分布反映内部孔结构特征。

2 结果与分析

2.1 工作性能

经试验检测，水工混凝土的工作性能如表3。由表3可知，对于坍落度要求相近的水工混凝土，随机制砂中石粉含量的增加混凝土所用减水剂用量逐渐增多。试验表明，在坍落度调整相差不大的条件下，石粉含量不超过10%时拌合物出现明显离析泌水现象，虽然具有较好的流动性，但机制砂混凝土的粘聚性和保水性较差。石粉含量超过10%时，机制砂混凝土具有良好的工作性。

表3 水工混凝土工作性能

总体而言，适量的石粉可以改善水工混凝土工作性能，而过量的石粉会增大减水剂用量。究其原因，机制砂中石粉含量越高则混凝土体系中的细微颗粒越多，随石粉含量增加细骨料的总比表面积逐渐增大，从而提高了水与骨料的接触面积，在一定程度上优化了混凝土泌水现象，并且石粉能够填充粗、细骨料之间的孔隙，优化内部颗粒级配，从而有效改善拌合物的粘聚性；此外，混凝土拌合物需水量会随着机制砂总比表面积的增加而增大，并致使石粉含量越高则减水剂用量越多。

2.2 开裂性能

经试验检测，水工混凝土的开裂性能如表4所示。

表4 水工混凝土开裂性能

由表4可知，A组水工混凝土单位面积的开裂面积、开裂条数和总开裂面积均最高，较其它组而言其抗裂性能最差。究其原因，A组拌合物和易性较差致使平板成型时骨料下沉、浆体上浮，早期抗拉强度较低极易引起开裂。B、C、D组具有相同的裂缝数目，随石粉含量的增加裂缝宽度不断增大，即石粉含量越达则混凝土总开裂面积越高。

综上分析，少量石粉对混凝土和易性具有改善作用，能够有效防止混凝土成型时的泌水、离析现象，有利于改善混凝土密实度和颗粒级配，降低早期开裂风险。此外，混凝土的塑性收缩性能随石粉含量的增加而增大，当石粉含量超过某一界限值时就会对抗裂性能造成不利影响，如D组试件的抗裂性能最差。

对于坍落度要求相近的水工混凝土，随机制砂中石粉含量的增加混凝土所用减水剂用量逐渐增多。试验表明，在坍落度调整相差不大的条件下，石粉含量不超过10%时拌合物出现明显离析泌水现象，虽然具有较好的流动性，但机制砂混凝土的粘聚性和保水性较差。石粉含量超过10%时，机制砂混凝土具有良好的工作性。

2.3 力学性能

经试验检测，水工混凝土的7d、28d劈裂抗拉强度和抗压强度如图1所示。

从图1可以看出，10%、20%、30%石粉含量组的7d劈裂抗拉强度较0%基准对照组提高了3.8%、10.5%、10.5%，28d劈裂抗拉强度较10%基准对照组提高了16.0%、24.1%、14.8%；10%、20%、30%石粉含量组的7d抗压强度较0%基准对照组提高了14.0%、18.1%、11.2%，28d抗压强度较10%基准对照组提高了10.0%、23.2%、5.5%。因此，水工混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度均随着石粉含量的增加呈先上升后下降的变化趋势，20%石粉含量组的力学性能最优。

总体而言，水工混凝土力学性能随石粉含量的增加表现出先上升后下降的变化特征。究其原因，石粉含量≤20%时，加入的石粉有利于改善机制砂级配的缺陷和混凝土内部孔隙，从而提高了其力学性能；石粉含量大于20%时，机制砂体系中的石粉含量占比较高，而颗粒含量占比减小，机制砂的骨料填充效应下降，从而降低了混凝土劈裂抗拉强度和抗压强度，所以过高的石粉含量会降低混凝土力学性能。

2.4 电通量

经试验检测，水工混凝土的28d电通量值如图2所示。从图1可以看出，0%、10%、20%、30%石粉含量组的28d电通量依次为1850C、1546C、1365C、1340C。石粉含量≤20%时，混凝土电通量随石粉含量的增加而减小，相应的抗氯离子渗透性能越好；石粉含量＞20%时，随石粉含量的增加电通量趋于稳定，表明石粉对改善机制砂级配的作用达到饱和，继续增大石粉含量对改善混凝土抗氯离子渗透性能的作用减弱。

图2 水工混凝土电通量

2.5 微观孔结构

NMR核磁共振是一种发生于角动量原子核和磁矩系统中的现象，在热运动和其它核相互作用下激励磁性核可以释放、吸收能量[13-14]。随着时间常数指数的衰减是与能量释放有关的磁信号，沿外加磁场方向整个系统的磁化强度衰减与这些时间常数有关，故本文利用下式表示孔隙水的横向弛豫时间t2，即：

式中：V、S代表孔隙的体积和表面积。

经试验检测，水工混凝土的T2谱分布如图3所示，计算确定总峰面积和不同特征峰峰面积如表5所示。

表5 特征峰峰面积

图3 T2谱分布

结果表明，各组混凝土的第一、第二、第三峰值弛豫时间相差不大，但各峰值面积具有明显差异。B、C、D组的第一峰面积较A组依次减小了28.3%、57.5%、55.8%，第二峰面积较A组依次减小了24.3%、54.4%、61.7%，第三峰面积较A组依次减小了9.0%、58.5%、67.6%，总峰面积依次减小了24.8%、53.6%、54.9%。

总体而言，水工混凝土T2谱特征峰总峰面积随石粉含量的增加不断减小，石粉含量越高则拌合物中的自由水越少，内部孔隙率也就越低[15-16]。

3 结 论

1）机制砂水工混凝土保水性、粘聚性和需水量水石粉含量的增加而增大，相应的减水剂用量也就越高。

2）适量石粉可以改善混凝土的颗粒级配、和易性以及密实度，对有效控制早期开裂风险具有积极作用，而过高的石粉含量不利于抗裂性能的提升。混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度均随着石粉含量的增加表现出先上升后下降的变化趋势，20%石粉含量组的力学性能最好。

3）随石粉含量增加混凝土孔隙率逐渐减小，当达到一定值后期改善孔隙结构的作用趋于平稳，混凝土抗氯离子渗透性能随石粉含量的不断增加先增大后趋于稳定。在低强度等级混凝土配制时控制机制砂石粉含量不宜超过20%。