機制砂石粉含量對混凝土體積穩定性影響

張梓鑫，顧瑞，繆凱

(中建商品混凝土有限公司，湖北武漢430070)

摘要：通過水洗機制砂與石粉復配得到不同石粉含量的機制砂，并與天然河砂對比研究石粉含量對機制砂混凝土工作性能、力學性能以及體積穩定性（彈性模量、干燥收縮、受壓徐變）的影響。結果表明，機制砂混凝土的和易性較河砂差，適量的石粉（10%~15%）可以改善機制砂混凝土的和易性，并提高混凝土強度。機制砂混凝土的彈性模量隨著石粉含量的增加呈降低趨勢。相對于天然河砂，用含石粉的機制砂拌制的混凝土在早期干燥收縮較。且徐變系數隨著石粉含量的增加而增加。

關鍵詞：機制砂；石粉；混凝土；體積穩定性。

0  引言

砂作為混凝土主要原材料之一，對混凝土性能影響顯著。由于天然河砂的過度開采，導致自然環境遭到嚴重破壞。采用廢石破碎而成的機制砂替代天然砂生產混凝土已成必然趨勢。由于機制砂顆粒表面粗糙、形狀不規則、級配不良且在生產過程中不可避免引入了石粉（＜75μm）。石粉改變了傳統膠凝體系，勢必引起機制砂混凝土的收縮及徐變規律發生改變。在工程結構中，混凝土體積穩定性對耐久性及結構變形、開裂有重要影響。

為了挖掘機制砂潛在應用范圍，掌握機制砂性能對混凝土性能影響規律，國內外學者開展了廣泛的研究，但主要研究范圍局限于混凝土工作性及強度。機制砂主要性能指標石粉含量，對混凝土體積穩定性影響研究少有涉及。

開展石粉對機制砂混凝土體積穩定性影響研究，有助于揭示機制砂中石粉含量對混凝土收縮、彈性模量及徐變影響規律，為解決機制砂混凝土開裂問題提供理論與試驗依據。

1  試驗概況

1.1  原材料

（1）采用湖北華新水泥廠生產的P ?O 42.5水泥，其物理力學性能指標見表1。

（2）細集料采用岳陽砂和嘉魚縣胡秋陽采石場所供石灰巖質機制砂，細度模數為3.6，其級配曲線如圖1所示。

（3）石粉來自機制砂生產廠家所提供。

（4）外加劑來自中建新型建材廠所配制的ZJSS-Ⅳ型高效聚羧酸減水劑。

1.2  配合比

采用典型C40強度混凝土配比，通過不同石粉與水洗機制砂復配得到石粉含量不同的機制砂?；鶞驶炷敛捎眉毝饶禐?.8的天然黃砂配制。試驗配合比如表2所示。

1.3  試驗方法

根據表2配制混凝土，并分別按以下標準成型試件及養護：

（1）混凝土抗壓強度及靜彈性模量試驗參照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》?？箟簭姸仍嚰捎?50mm×150mm×150mm的立方體試件，標養7天、28天后測量強度。靜彈性模量采用150mm×150mm×300mm的棱柱型試件，標養28天后測量。

（2）混凝土干燥收縮試驗參照GB-T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》。干燥收縮試驗采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，試件成型后帶模養護1天，拆模后立即放入溫度為20±2℃，濕度60±5%的恒溫干燥室內。預置4小時候后開始采集初始值，并按以下指定時間間隔讀取變形值：1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、180 d（從移入恒溫干燥室內計時）。

（3）混凝土徐變試驗參照GB-T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》。試件采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件。試件養護流程及條件保持與干燥收縮試驗一致，到達28天齡期時開始加載并讀取初始值。之后按以下指定時間間隔讀取變形值：1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、150 d（從加載后開始計時）。讀取受壓徐變試件變形值的同時，應讀取同條件試件收縮變形值。

干燥收縮及徐變試驗相關照片如圖2所示。

2 試驗結果與分析

2.1 石粉對混凝土工作性及抗壓強度影響

混凝土工作性能及抗壓強度如表3所示，當石粉含量較小時（＜15%）機制砂混凝土流動性較差，隨著石粉含量的提高，混凝土的粘聚性及保水性得到明顯改善，且石粉含量為10%的機制砂混凝土工作性能較佳。結果說明，適量的石粉引入可以增加漿體含量、填充空隙，彌補機制砂級配差、顆粒形狀粗糙導致混凝土和易性差的缺點。但過多的石粉會增加比表面積，吸附更多的自由水，導致漿體流動性變差。

由表3的強度結果可看出，機制砂混凝土強度高于普通河砂。隨著石粉含量的增加，機制砂混凝土強度不斷增加，石粉含量為15%時升高。繼續增加石粉含量，強度降低。石粉對混凝土強度的影響，主要原因是石粉的填充效應提高了混凝土的密實度，但石粉進一步增加（＞15%）會導致漿體強度降低，削弱混凝土強度。

2.2  石粉對機制砂混凝土彈性模量影響

彈性模量是混凝土的一項重要指標，由于混凝土的非勻質性特點，其彈模大小受到集料特性、過渡區特性、漿體孔隙率等因素影響。石粉含量對機制砂混凝土的彈性模量影響如表4所示。

由表4可知，機制砂混凝土的彈性模量隨著石粉含量的增加呈降低趨勢，石粉含量為10%~15%的機制砂混凝土的彈性模量與普通河砂混凝土接近。機制砂對混凝土的彈性模量影響有以下兩點：首先，顆粒粗大且多棱角的機制砂在混凝土中起到骨架作用，限制了骨料的相對滑動和砂漿的變形，提高了混凝土彈模；第二，石粉豐富了漿體含量，使得機制砂的骨架作用被削弱，使得彈模降低。

2.3  石粉對機制砂混凝土干燥收縮影響

干燥收縮經時規律如圖3所示。結果顯示，所有混凝土試件在90天齡期后干燥收縮逐漸趨于穩定。相對于天然河砂，用含石粉的機制砂拌制的混凝土在早期干燥收縮較大。主要原因是石粉在高堿環境中起到了晶核作用，加速了水化反應進程，另一方面微量的石粉能與水化產物發生反應，兩種效應的共同作用使得早期干縮較大。當石粉含量為10%時，混凝土試件的收縮值較大。這是由于當石粉含量較低時漿體量偏少，顆粒較大的機制砂能起到骨架作用抑制收縮，當石粉摻量較高時，混凝土漿體量增加，密實度更好，混凝土抵制收縮能力變強。

2.4  石粉對機制砂混凝土徐變影響

由于徐變應變值受到荷載大小影響，為準確對比分析石粉含量對混凝土徐變影響，采用徐變系數分析實驗結果，徐變系數由公式1計算獲得。選取石粉含量為0%、10%、20%的配合比JS1、JS3、JS5以及天然河砂混凝土進行對比研究，結果如圖4所示。

由圖4可以看出，機制砂及普通河砂混凝土的徐變系數與持荷時間成對數關系，即早期徐變快，后期變緩。機制砂混凝土的徐變系數與石粉含量密切相關，機制砂混凝土徐變系數隨著石粉含量的增加而增加。

當石粉含量較少時，粗大的機制砂顆粒相互摩擦力較大，對載荷下的變形有一定限制作用。隨著石粉含量的增加，混凝土漿體量增加，發生徐變的可能性增大。

3  結論

（1）機制砂混凝土的和易性較河砂差，適量的石粉（10%~15%）可以改善機制砂混凝土的和易性，并提高混凝土強度。

（2）機制砂混凝土的彈性模量隨著石粉含量的增加呈降低趨勢，石粉含量為10%~15%的機制砂混凝土的彈性模量與普通河砂混凝土接近。

（3）相對于天然河砂，用含石粉的機制砂拌制的混凝土在早期干燥收縮較大。當石粉含量為10%時，混凝土試件的收縮值較大。

（4）機制砂及普通河砂混凝土的徐變系數與持荷時間成對數關系，機制砂混凝土徐變系數隨著石粉含量的增加而增加。

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