高石粉含量机制沙对混凝土性能影响的试验研究

0 引言

在实际工程中，人工骨料生产系统制造的机制沙中石粉含量为17%～21%，有的甚至达到24%左右，远远超过规范规定的常态混凝土中石粉含量为6%～18%的范围［1］。一般认为，机制沙中含有适量的石粉可弥补混凝土和易性差的缺陷，对于完善混凝土特细骨料的级配、提高混凝土密实性都有好处，进而可以起到提高混凝土综合性能的作用。但是，若石粉含量过高，会对混凝土的性能产生不利的影响。近年来，国内在机制沙混凝土性能及应用方面开展了一些研究［2～7］，但大多集中在中低石粉含量，而对高石粉含量机制沙对混凝土性能影响的研究还比较少。为合理利用石粉，笔者探讨了高石粉含量机制沙对混凝土性能的影响，以期为机制沙中石粉的利用提供理论参考。

1 试验设计

1.1 试验材料

水泥采用盾石牌普通硅酸盐42.5R型水泥，执行标准为GB175－2007。该水泥技术指标如表1所示。细骨料采用陕西省永寿县店头镇北山碎石场机制沙，视密度为2.74 g／cm3，细度模数为3.0。粗骨料采用渭河卵石，视密度为2.63 g／cm3，经过筛分测定卵石为20～40 mm单粒级。骨料呈干燥状态。拌和用水为自来水。

 

表1 盾石牌P·O 42.5R水泥技术指标Tab.1 Cement technical index of Dunshi P·O 42.5R

  

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1.2 试验方案

借鉴已有的研究成果，试验在限定坍落度（30～50 mm）的情况下，采用了3种水灰比（0.45、0.55、0.65），每种水灰比都考虑了5%、10%、15%、20%、25%、30%（石粉在细骨料中所占质量分数）6种石粉含量，制作混凝土试块。通过对比混凝土试块28 d龄期的抗压强度和抗渗性能，探讨水灰比和石粉含量二者耦合对混凝土性能的影响。

1.3 混凝土配合比设计

采用假定表观密度法进行混凝土配合比设计，结果如表2所示。

1.4 混凝土强度和抗渗性能的测试方法

试验利用YAW4206微机控制全自动压力试验机测定混凝土试块28 d龄期的抗压强度。利用HS－40型混凝土渗透仪测定混凝土试块28 d龄期的抗渗性能。抗渗试模上口内径为175 mm、下口内径为185 mm、高为150 mm。密封材料为水泥加黄油。混凝土抗渗性试验采用（平均）渗水高度法。即，在混凝土试件上施加1.2 MPa的水压力，并持续8 h。然后，测量试件的渗水高度，计算相对渗透系数。

 

表2 混凝土配合比设计表Tab.2 Concrete mix proportion design

  

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2 试验结果分析

2.1 抗压强度

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式中：Dmj为第i个试件第j个测点处的渗水高度，mm；Dmi为第i个试件的平均渗水高度，mm。

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综上所述，机制沙中石粉的含量对混凝土的抗压强度和抗渗性能均有一定的影响。随着石粉含量的增加，混凝土的抗压强度先增加，达到峰值后，开始下降；随着石粉含量的增加，混凝土的抗渗性能先增加，达到峰值后，开始下降，然后，又上升，达到第二个峰值。混凝土的相对渗透系数出现第二峰值时，由于石粉含量过大，不利于其抗压，故采用第一个峰值所对应的石粉含量为兼顾混凝土最优抗压强度和抗渗性能的最佳含量。对于中低强度机制沙混凝土，水灰比为0.45，0.55和0.65时，石粉含量应分别控制在9%，14%和10%左右。

  

图1 石粉含量与抗压强度关系曲线Fig.1 Relations of stone powder content and compressive strength

2.2 抗渗性能

由图2可知，在水灰比一定的情况下，随着机制沙中石粉含量的增加，混凝土的抗渗性能先提高，后下降，再提高，关系曲线呈双峰型。蔡基伟［8］认为，机制沙中的石粉既可以作为微集料，发挥填充效应，减少毛细孔，减弱或阻止渗透通道的形成，又能减少界面泌水，使过渡区密实化。因此，石粉改善了混凝土次中心质区过渡层的结构，增加了混凝土密实度，从而提高了混凝土的抗渗性能。对于不同水灰比的混凝土，第一个峰值所对应的石粉含量不同，即每种水灰比的混凝土都有一个石粉最佳掺量。当水灰比为0.45、0.55和0.65时，所对应的石粉最佳掺量分别约为9%，14%和10%。当石粉含量高于此值时，混凝土的抗渗性能开始减弱，出现峰谷，而后又开始增强。这是什么原因造成的，还有待进一步研究。

依据试验结果，绘制在不同水灰比情况下不同石粉含量与抗压强度的关系曲线，如图1所示。

 

由图1可知，在水灰比一定的情况下，随着机制沙中石粉含量的增加，混凝土抗压强度先增大，后减小。这是由于石粉在水泥水化反应过程中起晶核作用，对水泥水化起到促进作用均化作用。此外，石粉含量的增加使细颗粒的含量逐渐增加，大量的细颗粒填充在水泥颗粒的空隙和集料边缘的空隙中，将能提高材料的堆积密度，使材料更加密实，从而提高了混凝土的抗压强度。随着石粉含量的继续增加，过多的石粉使得颗粒级配不合理，从而使混凝土密实性降低，工作性变差。同时，粗颗粒偏少，也减弱了骨架作用，从而使混凝土的抗压强度降低。

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式中：Dm为一组3个试件的平均渗水高度（mm）。以一组3个试件渗水高度的平均值作为该组试件渗水高度的测定值。

 

式中：Kr为相对渗透系数，cm／h；Dm为平均渗水高度，cm；H为水压力，用水柱高度表示，cm（1 MPa水压力以水柱高度表示为10 200 cm）；T为恒压时间，h；A为混凝土的吸水率，一般为0.03。

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图2 石粉含量与相对渗透系数关系曲线Fig.2 Relations of stone powder content and relative permeability coefficient

单个试件的渗水高度可采用式（1）进行计算，一组试件的平均渗水高度采用式（2）计算。试件的相对渗透系数采用式（3）计算。

综合考虑混凝土的抗压强度和抗渗性能，水灰比为0.45、0.55和0.65时，石粉含量应分别控制在9%，14%和10%左右。这与蔡基伟关于中低强度机制沙混凝土的石粉最佳含量为10%～15%这一结论基本一致［7］。

根据试验结果绘制不同水灰比情况下渗透系数随石粉含量变化的关系曲线，如图2所示。为了直观地比较抗渗性能的大小，图2纵坐标采用相对渗透系数的倒数，即值越大，抗渗性能越好。

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3 结语

由图1还可以看出，水灰比不同时，混凝土最高抗压强度所对应的石粉含量也不相同。当水灰比为0.45、0.55和0.65时，混凝土最高强度所对应的石粉含量分别为19.5%、21%和25%。在保证混凝土的抗压强度最高的情况下，机制沙中的石粉含量随水灰比的增大而增大。当机制沙中的石粉含量低于这个含量时，混凝土强度会随石粉含量的增加而增大，超过此含量后，混凝土的强度将会有所下降。

参考文献：

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［1］ 国家能源局.DL／T 5144－2001， 水工混凝土施工规范［S］.北京：中国电力出版社，2002.

［2］ 吴明威，付兆岗，李铁翔，等.机制砂中石粉含量对混凝土性能影响的试验研究［J］.铁道建筑技术，2000（4）：46－49.

［3］ 路文典.人工砂石粉含量超标对常态强混凝土性能的影响试验研究［J］.山西水利科技，2000（4）：63－67.

［4］ TAHIR C，KNALED M.Effects of crushed stone dust on some properties of concrete ［J］.Cement and Concrete Rearch，1996，26（7）：1 121－1 130.

［5］ 王稷良，牛开民，刘英，等.机制砂中石粉对混凝土性能影响的研究现状［J］.公路交通科技：应用技术版，2008，25（9）：302－307.

［6］ 李兴贵.高石粉含量人工砂在混凝土中的应用研究［J］.建筑材料学报，2004，7（1）：66－71.

［7］ 蔡基伟.石粉对机制砂混凝土性能的影响及机理研究［D］.武汉：武汉理工大学，2006.