石粉含量掺量多少才使得机制砂混凝土抗裂性能最优？

石粉含量掺量多少才使得机制砂混凝土抗裂性能最优？

石粉含量对机制砂混凝土抗裂性能的影响

余尚和、周孝军、范碧琨、孙才志等

摘要：通过试验研究，探讨了石粉含量对C40机制砂混凝土工作性能、力学性能与早期抗裂性能的影响，以为机制砂生产过程中合理控制石粉含量提供技术支撑。结果表明，石粉含量不超过10%时，可改善混凝土工作性能，提高强度，同时混凝土开裂敏感性下降，裂缝细而短，开裂总面积小。当石粉含量超过15%后，混凝土工作性能劣化明显，强度下降，且开裂时间显著缩短，裂缝宽度加大。

关键词：机制砂，石粉，抗裂性能

0 引言

我国近30年土木工程大规模建设，导致了混凝土的高消耗，制备混凝土的天然砂石用量十分惊人，尤其是我国西南山区山多砂少，天然砂资源匮乏，储量有限的天然砂已几乎消耗殆尽，不能满足工程建设持续发展需求。采用机制砂替代天然砂配制混凝土是工程发展的必然趋势。然而在机制砂生产过程中不可避免的要产生石粉（粒径小于75μm的细粉颗粒），一般通过水洗、风吸等方法来降低石粉含量以满足规范要求（GB/T14684—2011建设用砂中规定机制砂石粉含量应低于10%，但根据使用地区和用途，在试验验证的基础上，允许供需双方协商确定机制砂中的石粉含量），不仅增加生产成本还造成环境污染。

因此，如何合理控制机制砂中的石粉含量一直是工程界十分关注的焦点。科研工作者们在这方面做了大量的研究工作。结果表明，机制砂并非“越干净越好”，机制砂中适量的石粉有助于提升混凝土的性能，只是当其含量超过一定限值后，会导致混凝土的工作性能劣化，强度降低，收缩、徐变增加等问题。总体来看，目前有关石粉含量对机制砂混凝土早期抗裂性能的研究较少。为此，本文以叙古高速公路桥梁工程为依托，采用工程现场原材料，通过试验研究，探讨石粉含量对C40机制砂混凝土物理力学性能与早期抗裂性能的影响，为机制砂生产过程中合理控制石粉含量提供参考。

1 原材料

1）水泥：拉法基P.O42.5水泥，主要技术指标见表1。

表1 水泥主要技术指标

2）粉煤灰：习水Ⅱ级粉煤灰，烧失量7.3%，需水量比100%，28d活性指数74.0%。

3）机制砂：泸州石板滩石灰岩机制砂，石粉含量9.8%，细度模数3.2，亚甲蓝MBV值0.5g/kg。

4）石：泸州石板滩碎石，粒径5mm～25mm，压碎值7.4%，针片状含量4.5%。

5）石粉：由石板滩机制砂生产过程中风选而得，其成分与机制砂一致。

6）外加剂：聚羧酸高性能减水剂

7）水：自来水。

2 配合比与物理力学性能

为研究石粉含量对机制砂混凝土抗裂性能的影响，通过水洗、掺配石粉的方法，调整机制砂中石粉含量为0%，5%，10%，15%和20%。按照DB51/T1995—2015机制砂桥梁高性能混凝土技术规程进行配合比设计，调整用水量与外加剂掺量，以保持混凝土的坍落度基本一致，各组配合比与物理力学性能如表2所示。可见，适量石粉能提升混凝土工作性能与力学性能。机制砂不含石粉时，制备的混凝土拌合物较松散、包裹性差，出现泌水离析。当石粉含量增加至10%时，其填充效应明显，混凝土拌合物粘聚性与保水性提高，包裹性与泌水性能有所改善，增强了混凝土密实度;另外，其对水化产物的形成起到晶核作用，加速水泥的水化，从而提高混凝土强度。但石粉含量超过15%后，过多的粉体材料使吸附用水量增加，且混凝土拌合物过于粘稠，扩展度减小，工作性能劣化，导致混凝土强度下降。

表2 混凝土配合比与物理力学性能

3 抗裂性测试分析与讨论

3.1 试验方法

早期抗裂性能采用平板法，按照GB/T50082—2009普通混凝土长期性和耐久性能试验方法标准进行测定，每个配合比制作2个试件。平板尺寸为800mm×600mm×100mm，混凝土浇筑入模后，采用振捣棒插捣，随后将表面磨平，并用风扇对试件表面进行吹风（见图1），风向平行于试件表面与裂缝诱导器，试件表面中心处风速控制在5m/s左右。

3.2 结果分析与讨论

表3为不同石粉含量机制砂混凝土早期抗裂性能试验测试结果（取2个试件的平均值），按照JGJ/T193—2009混凝土耐久性检验评定标准规定的评价方法，各组混凝土试件的早期抗裂等级均达到Ⅳ级，抗裂性能较好。同时也可以看到，石粉含量对机制砂混凝土早期裂缝的形成与发展、裂缝宽度等特征影响较明显。

图1 早期抗裂性测试模型
 

表3 早期抗裂性能测试结果

3.2.1初裂时间

由表3可知，随石粉含量增加，机制砂混凝土的初裂时间先增加后减小，其变化趋势如图2所示。石粉含量从0%增加到5%时，混凝土的初裂时间由365min延长到405min，开裂敏感性降低。石粉含量增加到10%时，初裂时间提前至380min，但仍较机制砂不含石粉时的混凝土初裂时间延迟。而当石粉含量上升至15%后，在296min混凝土即出现裂缝，初裂时间急剧缩短，开裂敏感性增强。随后石粉含量达到20%时，混凝土初裂时间进一步缩短为220min。可见，石粉含量不超过10%时对降低混凝土开裂敏感性有贡献。这主要在于石粉和混凝土拌合物的保水性，改善了粉体材料的颗粒级配，增强混凝土的密实性，降低开裂风险。但石粉含量过高后，混凝土浆体增加较多，吸附水量加大，粘稠度增加，自由水迁移困难，以至塑性收缩量大而增加开裂几率。因此，高石粉含量机制砂混凝土应注意早期洒水保湿养护，减少塑性开裂。

图2 石粉含量对开裂时间的影响
 

3.2.2裂缝形态

浇筑24h时观测的裂缝形态如图3所示，最大裂缝宽度测试结果见表3。当石粉含量不超过5%时，裂缝短而细小且分布较分散，无方向性。而石粉含量超过10%后，裂缝逐渐趋于顺裂缝诱导器的刀口方向发展，且最大裂缝宽度明显增加、长度变长。主要在于石粉含量过高后，浆体多且较粘稠，混凝土内部可迁移水量减少且迁移速率慢，且裂缝诱导器刀口处混凝土层较薄，收缩导致的拉应力集中，因而易出现顺刀口方向的宽裂缝。

3.2.3裂缝数量与开裂面积

随石粉含量增加，机制砂混凝土的裂缝数量与开裂面积变化趋势如图4所示。总体来看，石粉含量为5%时，混凝土的抗裂性能最好，虽然裂缝数最多，但由图3可以看到早期主要为细而短的小裂缝，平均开裂面积最小，单位面积的总开裂面积最小。而石粉含量增加到10%后，裂缝的形成逐渐沿顺诱导器刀口方向发展，此时单位面积裂缝数量有明显减小，但裂缝宽度和长度增加，使得平均开裂面积显著增加，其开裂总面积最大。石粉含量增加到15%时，裂缝数量稍许增加，但裂缝宽度与平均开裂面积减小，因而开裂总面积下降。而当石粉含量到达20%时，虽然其裂缝宽度与平均开裂面积较大，但裂缝数量最少，总开裂面积呈下降趋势。值得注意的是，虽然各组试件的单位面积的总开裂面积都小于400平方毫米/平方米，抗裂等级均达到Ⅳ级，但石粉含量达到10%时，最大裂缝宽度与平均开裂面积增加，不利于混凝土的耐久性。因此，采用10%以上的机制砂来制备C40混凝土时，宜采取相应措施，限制宽裂纹的形成与扩展，加强混凝土抗裂性，保证耐久性。

图3 石粉含量对机制砂混凝土裂缝特征的影响

图4 石粉含量对裂缝特征的影响
 

4 结语

1）机制砂中石粉含量不超过10%时，可有效提高混凝土拌合物的粘聚性与保水性，改善泌水离析状况，从而提高混凝土强度;石粉含量超过15%后，混凝土拌合物粘度大，工作性能劣化，混凝土强度逐渐下降。

2）机制砂中适量石粉可延缓混凝土初裂时间，降低混凝土的开裂敏感性，但石粉含量超过10%后，初裂时间急剧缩短，开裂敏感性增加。

3）机制砂中石粉含量不超过20%时，C40混凝土具有较好的早期抗裂性能。尤其是石粉含量较低时（≤5%），混凝土裂缝细而短，总开裂面积小。但石粉含量增加到一定程度（≥10%）后，裂缝宽度和长度都明显增加，对混凝土后期耐久性不利。

因此，建议制备C40混凝土的机制砂，其石粉含量可控制在10%～15%，但应加强早期养护，并采取相关措施，限制宽裂缝的形成与扩展，保证混凝土耐久性。