机制砂中石粉含量对混凝土性能影响研究

张丽霞 （中铁二十三局集团轨道交通工程有限公司，上海 201301）

混凝土是建筑领域中一种广泛应用的材料，其性能直接关系到工程结构的质量和耐久性。在混凝土的配比中，机制砂作为主要骨料之一，其性质对混凝土的整体性能有着重要的影响[1]。为了更好地理解和优化混凝土的性能，关注了机制砂中石粉含量对混凝土性能的研究。机制砂以其合适的密度、颗粒稳定性以及细小的颗粒特性而备受关注[2]，其在混凝土中的应用已成为研究热点，因为通过调整机制砂的含量，可以灵活地调整混凝土的密实性、重量和流动性，以满足不同工程需求[3]。因此，深入研究机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响机制，对于混凝土的工程应用具有重要的理论和实用价值[4]。在本文中，试验中关注混凝土物理性能和不同含量石粉之间的关系，通过试验和综合性分析，为混凝土配合比的优化提供更为实用的理论依据，以满足不同工程条件下对混凝土性能的需求。

本研究旨在深入分析机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响，以确定最佳石粉含量范围，为混凝土的配合比设计提供科学依据。具体目的如下。①探讨石粉在混凝土中的作用机制。综合考虑石粉的物理和化学性质，以及其对混凝土性能的影响，特别关注石粉在填充作用、化学反应等方面对混凝土强度、抗裂性、抗渗性等性能的贡献；②确定最佳石粉含量范围。通过对不同石粉含量下混凝土的工作性能和力学性能进行综合评估，确定最佳石粉含量范围。优化石粉含量，以提高混凝土的整体性能，包括但不限于坍落度、和易性、流动性、抗压强度等；③分析混凝土性能的综合效应。结合工作性能和力学性能的分析，全面评价不同石粉含量下混凝土的综合性能。考虑石粉含量对混凝土各项性能的协同影响，为工程实践中混凝土的应用提供可行的建议[5]。

1 机制砂及石粉特性

机制砂，作为混凝土的主要骨料之一，具有一系列关键的物理特性。机制砂在混凝土中的应用状况是研究的重点之一[6]，需要考虑其颗粒尺寸的分布，以确保混凝土具备优异的力学性能。通过合理的配合比，机制砂能够为混凝土提供均匀、强度适中的骨料，从而影响混凝土的整体性能。其在混凝土中的分散性和与水泥的粘附性对混凝土的工作性能、抗压强度等方面产生显著影响。综合考虑机制砂的物理和化学特性，以及其在混凝土中的应用状况，可以更全面地了解机制砂对混凝土性能的影响机制。在后续的试验和研究中，将进一步探讨机制砂中石粉含量对混凝土性能的具体影响，为混凝土配合比的优化提供实用的理论依据。

石粉是一种微细颗粒状材料，常见于机制砂中，对混凝土性能具有显著影响，其作用机制涉及填充效应、化学反应和表面效应等多个方面。石粉通过填充效应改变混凝土的骨料配合，填充骨料间的空隙，提高混凝土的致密性。这种填充效应有助于减小混凝土内部孔隙结构，提高抗渗性和抗压强度；其次，石粉参与水泥水化反应，形成水泥石、石灰石等胶凝物质，提高混凝土的强度。这种化学反应有助于形成致密的水泥基体，增强混凝土的力学性能。然而，石粉含量过高也可能导致水泥石过多，影响混凝土的工作性能。此外，石粉的表面效应对混凝土的粘聚性和流动性有一定影响。适量的石粉能够改善混凝土的流动性，提高其适应性和浇筑性能。然而，过多的石粉可能导致混凝土粘聚性增强，降低流动性。总体而言，石粉在混凝土中通过填充效应、化学反应和表面效应等多方面作用，对混凝土性能起到复杂而关键的调控作用。因此，在混凝土设计中，需合理控制石粉含量，以实现混凝土性能的优化。

2 研究方法

2.1 试验材料

本次试验的原材料主要有水泥、粉煤灰、花岗碎石、机制砂、外加剂。

（1）水泥：本试验采用P·O 42.5 级水泥，检测结果见表1。

表1 水泥物理性能试验

（2）粉煤灰：本试验所用粉煤灰为华润电厂生产的II级粉煤灰，其物理性能见表2。

表2 粉煤灰物理性能试验

（3）机制砂：采用项目内采石场毛石料进行破碎而成的人工机制砂，如图1所示。

图1 人工机制砂样品图

（4）外加剂：采用了SN-JG 聚羧酸高性能减水剂、SN-GH缓凝剂，均符合技术规范要求。

2.2 试验方案

分别采用25%、20%、15%、10%、5%石粉含量的人工机制砂的A#、B#、C#、D#、E#人工砂进行试验，见表3。试验混凝土坍落度在100mm～110mm 内，水胶比为0.48，研究石粉含量和用水量、胶材量、混凝土性能之间的关系。

表3 混凝土性能试验石粉含量对应编号

3 试验结果与讨论

3.1 工作性能分析

骨料粒径≤38mm，粉煤灰掺量33%，外加剂掺量1.5%，控制坍落度在100mm～110mm 内，用25%、20%、15%、10%、5%石粉含量的A#、B#、C#、D#、E#人工砂进行拌合试验，其工作性能见表4。

表4 混凝土工作性能数据表

根据表4的数据，可以分析不同石粉含量的人工机制砂对常态混凝土的用水量、胶材量、工作性能和力学性能之间的影响关系。

（1）用水量：用水量随着石粉含量的减少而略有减少。具体来说，A#（25%石粉含量）的用水量最多，而E#（5%石粉含量）的用水量最少。

（2）胶材量：胶材量是水泥、粉煤灰的总和。随着石粉含量的减少，胶材量呈下降趋势。A#（25%石粉含量）的胶材量最大，而E#（5%石粉含量）的胶材量最小。

（3）坍落度：所有配合比坍落度都控制在100mm～110mm内范围内，没有出现坍落度超出范围的情况。

（4）混凝土工作性能：D#（10%石粉含量）和E#（5%石粉含量）在这些方面表现较好，而A#（25%石粉含量）表现较差。

综上，低石粉含量（D#和E#）有助于降低用水量和胶材量，同时在工作性能上表现较好。A#（25%石粉含量）在用水量和胶材量上相对较高，工作性能相对较差。

3.2 力学性能分析

采用不同石粉含量的人工砂A#、B#、C#、D#、E#进行拌合试验，石粉含量分别为25%、20%、15%、10%、5%。试验中关注混凝土物理性能和不同含量石粉之间的关系，试验结果见表5。

表5 混凝土物理性能试验结果

根据表5的数据，可以总结出以下关系：

（1）抗压强度：随着石粉含量的增加，抗压强度呈现下降的趋势。即石粉含量越高，混凝土的抗压强度越低。

（2）抗拉强度：同样地，随着石粉含量的增加，抗拉强度呈现下降的趋势。即石粉含量越高，混凝土的抗拉强度越低。

（3）劈裂强度：与抗压强度和抗拉强度一样，劈裂强度随着石粉含量的增加而下降。石粉含量越高，混凝土的劈裂强度越低。

（4）抗渗性：W12 代表混凝土的抗渗性能，对石粉含量的抗渗性没有显著关联性。

综上，石粉含量的增加对混凝土的各项物理性能产生了负面影响，导致抗压强度、抗拉强度、劈裂强度普遍降低。

4 结语

通过对机制砂中石粉含量及对混凝土性能的深入研究，得出了以下结论：

（1）随着石粉含量的增加，混凝土抗压强度、抗拉强度和劈裂强度普遍呈下降趋势。这说明石粉在混凝土中的引入对混凝土力学性能有一定的负面影响。

（2）低石粉含量（E#5%石粉含量、D#10%石粉含量）的混凝土在工作性能方面表现较好，包括较低的用水量和胶材量。因此，在混凝土设计中，可以考虑控制石粉含量以优化混凝土的工作性能。

（3）需要注意到一些细微的差异。例如，在抗渗性方面，石粉含量的增加似乎没有明显的影响，这需要更多的研究来确认。

未来，可以通过更多的试验和数值模拟来验证结论，并深入探讨机制砂中石粉的微观机制。在工程实践中，可以根据研究结果提供的建议，灵活调整混凝土配合比，以满足不同工程条件下对混凝土性能的需求。