机制砂石粉含量对泵送混凝土强度的影响

机制砂石粉含量对泵送混凝土强度的影响

王青，江满，徐港，赵娟，张斌

 

摘要：

机制砂在生产制造的过程中不可避免的会产生一定量的石粉，而石粉对机制砂混凝土性能的影响尚没有一个定论。研究了7种石粉含量对泵送机制砂混凝土拉、压强度的影响，并借助SEM和XRD等测试分析技术从原材料和不同石粉掺量混凝土微细观结构演化特征入手，探究了石粉对混凝土强度的影响机理。

分析得出，在含量适当范围内，石粉具有填充、形态、吸水、晶核和活性等效应，有利于混凝土强度的增长，且中低强度泵送机制砂混凝土其最佳石粉掺量范围为22%~25%。

关键词：机制砂；石粉；混凝土强度

0 引言

随着我国基础设施建设需求的不断增加以及对环境保护意识的增强，机制砂的使用比例越来越多。机制砂是岩石经机械破碎、筛分制成的粒径小于4.75mm的岩石颗粒，并把其中粒径小于0.16mm的细小颗粒或粉末称为石粉。石粉与河砂中的泥粉不同，泥粉对混凝土各方面性能都会产生不利的影响，而石粉对混凝土各方面的性能却具有正负两方面的影响。一般认为，与河砂相比，机制砂级配差、表面特征差，使混凝土拌制耗水量大，导致混凝土性能变差，但实际工程和试验研究表明机制砂混凝土性能常常优于天然砂混凝土，这很大程度上是石粉的作用引起的。

目前，国内外许多学者进行了大量有关机制砂中石粉对混凝土性能影响的研究，但这些研究大多停留在宏观规律性研究，且其石粉掺量范围较窄、种类较少，不能很好的从微观机理上说明石粉含量对混凝土性能的影响规律。

为此，本试验以12%~28%范围内共7种石粉含量的机制砂泵送混凝土为研究对象，就石粉含量对机制砂混凝土力学性能的影响做了进一步的探究，并通过微观分析揭示了石粉对混凝土力学性能的影响机理。为机制砂中石粉含量的控制和机制砂混凝土的应用提供参考依据。

1 试验设计

1.1原材料

（1）机制砂和石粉。试验所用机制砂为某水电站砂石加工系统生产的人工常态砂，细度模数为3.1属粗砂，其级配在二区标准级配中值附近。其主要矿物成分为方解石，且含有一定量的白云石和石英，主要物理性能均满足DL/T5151—2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》所规定的限值。本试验以15%石粉含量的机制砂作为基准砂，通过人工水洗或添加石粉配制成石粉含量12%、15%、18%、20%、22%、25%、28%共7种试验所需人工砂。

（2）水泥和粉煤灰。试验所用水泥为同一水电站建设用水泥（华新P·MH42.5中热硅酸盐水泥），其物理力学性能测试结果满足GB200—2003《中热、低热、低热矿渣硅酸水泥》的要求。试验所用粉煤灰采用曲靖F类I级粉煤灰，其性能测试和化学成分分析结果满足DL/T5055—2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》的要求。

（3）其他原材料。试验所用粗骨料为同一水电站砂石加工系统生产的粗骨料，二级配，最大骨料粒径40mm；减水剂采用江苏苏博特PCA-1缓凝型聚羧酸高性能减水剂；引气剂为江苏苏博特GYQ（I）引气剂；水为自来水。

1.2试验方法

不同石粉含量混凝土配合比依据DL/T5330—2005《水工混凝土配合比设计规程》进行试拌、调配。考虑工程泵送要求，混凝土配合比设计原则为控制坍落度在160~180mm范围内，保证水胶比、粉煤灰掺量、砂率、减水剂掺量、引气剂掺量不变，详见表1。

表1 配合比控制量

 

依据DL/T5150—2001《水工混凝土试验规程》规定的试验方法进行试验，分别测试了混凝土的立方体、轴心抗压强度和抗拉强度。

2 结果分析

2.1 石粉含量对混凝土抗压强度的影响

试验得到C20和C30混凝土各龄期立方体抗压强度与石粉含量的关系，如图1。

图1 混凝土立方体抗压强度与石粉含量的关系
 

（1）C20和C30混凝土各龄期立方体抗压强度随石粉含量的增加均呈现先增加后减小的变化趋势，且C20混凝土的最佳石粉掺量为25%、C30混凝土的最佳石粉掺量为22%。

（2）随着龄期的增长混凝土的立方体抗压强度持续增长，C30混凝土7~28d的增长幅度要大于C20混凝土，但C20混凝土28~90d的增长幅度却大于C30混凝土。进一步对同批标养28d的棱柱体试件（150mm×150mm×300mm）进行轴心抗压强度试验，发现28d轴心抗压强度与立方体抗压强度随石粉含量变化的规律性是一致的，且抗压强度最高时的石粉掺量也相同。

图2 混凝土28d轴心抗压强度随石粉含量变化关系
 

2.2 石粉含量对混凝土抗拉强度的影响

试验得到C20、C30混凝土各龄期立方体劈裂抗拉强度与石粉含量的关系见图3。

（1）各龄期混凝土立方体劈裂抗拉强度随着石粉含量的增加也呈现先增加后减小的变化趋势。且C20和C30混凝土的最佳石粉掺量均为22%。

（2）随着龄期的增长混凝土的劈裂抗拉强度持续增长，且增长规律与抗压强度类似，即C30较C20混凝土7~28d的增长幅度大，而C20较C30混凝土28~90d的增长幅度大。为充分验证混凝土抗拉强度随石粉含量变化规律性的可靠性，本研究还进行了混凝土轴心抗拉试验，所用轴心抗拉试件为“八字形”试件，具体操作见规范，试验得到轴心抗拉强度随石粉含量的变化关系见图4，可见混凝土轴心抗拉强度随石粉含量变化的规律性与立方体劈裂抗拉强度随石粉含量变化的规律性基本相同，但C20混凝土的最佳石粉掺量略有差异，约为25%，而C30混凝土的最佳石粉掺量相同。综上，独立应用多种不同试验方法所得混凝土拉、压强度随石粉含量变化规律基本稳定，表明混凝土强度随石粉含量的增加而先增加后减小的变化规律是可信的，即以C20和C30混凝土为代表的中低强度泵送机制砂混凝土的最佳石粉掺量范围为22%~25%。

图3 混凝土立方体劈裂抗拉强度与石粉含量的关系

图4 混凝土轴心抗拉强度与石粉含量的关系
 

3 强度演化机理分析

以上试验规律表明，石粉掺量对混凝土强度可能具有正负两种效应，即当正效应大于负效应时，有利于强度的提高，反之则会产生不利的影响，导致混凝土强度降低。为深入探究其影响机理，对石粉、水泥及粉煤灰等原材料和部分配合比不同龄期的混凝土进行了微观测试分析。

3.1 原材料形貌分析

为探明石粉的粒径和粒形，采用JSM-5610LV扫描电子显微镜分别对水泥、石粉及粉煤灰进行了形貌测试分析，如图5~7，可见与水泥粉体相比，石粉体的粒径更小，比表面积更大，且粒径分布更为均匀，能有效填充于混凝土内部孔隙中，使混凝土内部毛细孔细化，降低内部孔隙率，改善混凝土内部孔结构；与粉煤灰相比，石粉既没有球形外貌，也没有光滑的外观，呈现为大量的不规则体，并带有尖锐棱角，这种形态特征有利于其镶嵌于混凝土内部孔隙中固结混凝土内部颗粒，使浆体与集料间的相互作用关系更紧密，增强集料和浆体间的咬合力，改善浆-集料界面，使混凝土内部结构间的摩擦力增大；石粉比表面积大，吸水性强，使混凝土保水性增强、泌水性降低，因此适量的石粉掺量可改善浆体与集料界面的接触黏结性能。

图5 水泥SEM-2K图

图6 石粉SEM-2K图

图7 粉煤灰SEM-2K图
 

可见，石粉能在混凝土中发挥很好的填充效应、形态效应和吸水效应，使得混凝土强度提高，当然过量的石粉掺量会改变混凝土集料的级配，降低胶凝材料比例等，将对其强度产生不利影响。此外，有研究表明，石粉在水泥水化析晶的过程中可作为成核晶体，降低成核位垒，从而加速水化晶体的析出，促进水泥的水化；而且本试验所用石粉的主要成分为CaCO3，其并不是完全惰性的，可能参与C3A的水化反应生成水化碳铝酸钙，促进水泥的水化。为充分验证石粉是否具有活性效应和晶核效应，进一步对不同配合比机制砂混凝土进行了微观测试分析。

图8 C20-15混凝土水化样SEM图

图9 C20-20混凝土水化样SEM图

图10 C30-15混凝土水化样SEM图

图11 C30-20混凝土水化样SEM图
 

3.2 混凝土微观性能分析

对不同设计强度、龄期及石粉掺量的机制砂混凝土进行形貌测试，SEM测试结果如图8~11，可见：

（1）同批混凝土，随龄期增长，7、28、90d混凝土的孔隙逐渐减少，而固体材料的孔隙率与强度存在基本的反比关系，这充分揭示了前文混凝土强度随龄期的增长而增加的必然性。水泥水化程度直接影响孔隙率，而宏观力学性能测试也表明28d后混凝土强度仍有较大的增长，表明水化反应历程较长，这除与本研究采用的中热硅酸盐水泥有关外，可能与粉煤灰和石粉的掺入也有关。

（2）28d前粉煤灰圆球状形貌保持完好，大面积未反应，至90d龄期后才明显减少。这表明28d龄期内粉煤灰与Ca(OH)2发生反应并不充分，但在7、28d的SEM图中并未发现大量的Ca(OH)2晶体，据此推测应是石粉参与了水化反应消耗了部分Ca(OH)2。

（3）随龄期增加，石屑颗粒表面水化产物聚多，与周围黏结渐趋紧密，到90d时边界已模糊不清，这说明石粉颗粒有一定的晶核促进效应，而且石粉在混凝土内分布较均匀，使水泥水化产物的分布更趋均匀，有利于减小混凝土内部的孔隙率和应力集中。

（4）同龄期混凝土，石粉含量20%的混凝土均比15%的密实，这除与石粉填充效应的增强有关外，也与其晶核促进效应和水化活性效应相关。已有研究表明CaCO3微粒对铝酸盐矿物都具有水化活性作用，其水化反应产物为三碳型水化碳铝酸钙和单碳型水化碳铝酸钙，水化碳铝酸钙的形成对水泥强度的发展有促进作用。为此采用XRD对不同石粉含量、不同龄期混凝土的水化产物进行了测试，如图12，结果表明，石粉含量及水化龄期对其水化产物类型影响不明显，各配合比混凝土中水化产物主要为Ca(OH)2、AFt、C3S、CaCO3、CaMg(CO3)2、SiO2（骨料中原有成分）等，但均未发现碳铝酸盐产物，分析其原因，一方面碳铝酸盐本身生成量较少，很难得到明显的衍射峰值；另一方面碳铝酸盐化学成分复杂，本身并不稳定，会发生二次反应，所以不易得到衍射峰值。

图12 C30-15混凝土7、28、90d龄期XRD图谱
 

综上可知，由于石粉颗粒的粒径、粒形、化学活性等特点致使其在机制砂混凝土中具有填充、形态、吸水、晶核甚至活性效应，从而使得适量的石粉掺量能有效提高混凝土的抗力性能，当然如果掺量过多则会造成胶凝材料过少，机制砂级配不合理等多种不利影响，导致混凝土强度下降，正如试验结果显示当石粉掺量大于25%，混凝土强度开始下降。

4 结语

（1）石粉的微集料填充效应、形态效应、吸水效应、晶核效应和活性效应共同作用，使得混凝土的力学性能在一定范围内得到改善，适量的石粉掺量对机制砂混凝土的力学性能有很大的改善，使混凝土强度提高。

（2）随着龄期的增长，石粉在混凝土中所起的效应，特别是晶核效应和活性效应逐渐发挥，促使混凝土孔隙逐渐减少，微细观结构更为紧密，内部受力更为均匀合理。

（3）机制砂泵送混凝土抗压强度和抗拉强度随着石粉含量的增加均呈现先增大后减小的趋势。对中低强度机制砂泵送混凝土其强度最佳石粉掺量范围为22%~25%。