混凝土是人类最大宗的建筑结构材料，砂作为混凝土主要原材料之一，包括天然砂和机制砂，而以河砂为主的天然砂越来越无法满足日益增长的混凝土用量的需求，尤其在我国西南地区。同时，因过量的开采天然砂源，对自然环境所造成的压力也日益增加，使用机制砂替代河砂在国内外已成为混凝土行业可持续发展的一种趋势[1~4]。
成都地区受自然资源的限制，房建混凝土中所使用的砂几乎全部为机制砂，市场需求量大，供不应求，加上生产工艺落后，质量相对较差，主要体现在：级配差，两头大中间小；粒形差，针片状颗粒多；且石粉含量高，普遍在8%以上。在机制砂使用中，需要进行大量的研究试验，积累经验，为混凝土质量控制提供强有力的技术支撑。
本文以C30、C40、C50、C60四个强度等级的混凝土为对象，研究不同石粉含量对各强度等级混凝土的减水剂掺量、坍落扩展度及损失、抗压强度的影响，为成都地区机制砂的应用提供参考依据。
1原材料及试验方法
1.1 原材料
(1)水泥：选用P.O42.5R，各项性能符合《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）标准的技术要求。
表1 水泥技术指标
(2) 粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰，细度8.5%，烧失量1.3%，需水量比92%。
(3) 机制砂：细度模数2.8~3.0，MB值1.0，石粉含量根据需要进行配制。
(4) 碎石：5～31.5mm连续级配卵碎石。
(5) 减水剂：聚羧酸高性能减水剂，固含量11.05%，减水率22.3%。
1.2 试验方法
根据实际生产所使用的机制砂石粉含量情况（5~15%），确定0、5%、10%、15%四个石粉含量等级，进行对比试验。机制砂经过严格筛分，根据石粉含量等级，由“不含石粉的机制砂”和“石粉”人工配制而成。
为了保证试验的代表性和指导性，选取C30、C40、C50、C60四个强度等级的配合比进行试验研究，分析不同石粉含量对各强度等级混凝土的减水剂掺量、坍落扩展度及损失、抗压强度的影响。
表2 各强度等级混凝土配合比(kg/m3)
2 试验结果与分析
2.1 对混凝土工作性能的影响
主要研究了机制砂石粉含量对混凝土减水剂掺量、初始坍落扩展度、2h坍落扩展度损失三个方面的影响。图1~4中横坐标均为C30、C40、C50、C60不同强度等级混凝土中机制砂的石粉含量。
图1 不同石粉含量机制砂对减水剂掺量的影响
(1) 对减水剂掺量的影响
为保证试验的对比性，各个等级的混凝土使用同一水胶比，调整减水剂的掺量，保证同强度等级混凝土初始工作性能的一致。
从图1中可以看出，减水剂掺量随机制砂石粉含量增加而增加，规律较为明显。以C30为例，当初始工作性能一致时，石粉含量分别为0、5%、10%、15%时，减水剂掺量依次为1.89%、2.10%、2.43%、2.88%，这是由于等质量的石粉与机制砂相比，比表面积要大，且吸水性强，因此需水量更大，而如果要保持水胶比和用水量不变，工作性能一致，则需要提高减水剂掺量。
(2) 对混凝土初始及2h坍落扩展度的影响
从图2中可以看出，在保持水胶比、减水剂的掺量和用水量不变的情况下，随着机制砂石粉含量的增加，混凝土的初始扩展度呈先增后降趋势，曲线均存在一个拐点，即存在最佳石粉含量，C30~C60的拐点值依次为：9.5%、10%、6%、5%，总体趋势为随着强度等级的增加，最佳石粉含量值逐渐降低。从图3中可以看出，机制砂中石粉含量的增大会加快混凝土工作性的损失，且随着强度等级的增大，加快损失的效果越明显。
机制砂中石粉含量的大小对混凝土的初始工作性及损失均存在影响，影响大小随之强度等级的不同而不同。在试验过程中发现，机制砂中适量的石粉含量对混凝土的初始工作性有一定的改善作用，体现为混凝土的包裹性更好，粘聚性增大，因此也更加稳定性，离析泌水现象得到改善。这是由于石粉是一种惰性掺和料，具有一定的吸水性，粒径介于胶凝材料与细骨料之间，增大固体表面积对水体积的比例，从而减少了泌水和离析，浆体更柔和，改善了颗粒搭配，使混凝土密实性也更好。
图2 不同石粉含量机制砂对初始扩展度的影响
图3 不同石粉含量机制砂对2h扩展度的影响
石粉对于混凝土密实性的改善有限度，中低强度等级混凝土中胶凝材料较少，密实性差，因此需要石粉填充的空间多，最佳含量较高，但高强度等级混凝土中本身胶凝材料用量大，密实性要好得多，石粉的填充改善作用就显得有限，因此，最佳含量要低。所以，石粉含量对混凝土和易性的影响有个限度，超过了这个限度，随着石粉含量的增加，混凝土用水量增加，拌和物显得干稠，多余的石粉同时具有增大比表面积、吸水的效果，工作性能损失也会随之加快。
2.2 对抗压强度的影响
从图4中可以看出，各强度等级曲线变化具有相同的规律，即随着机制砂中石粉含量的提高，强度比（强度比是指含石粉机制砂配制的混凝土28d抗压强度与不含石粉机制砂配制的混凝土28d抗压强度之比）呈先增后减趋势，存在“最佳值”。基于本试验的原材料和配合比，配制C30、C40、C50、C60混凝土，机制砂石粉含量最佳值分别为6.0%、5.5%、4.3%、2.2%。
图4 不同石粉含量机制砂对混凝土28d抗压强度的影响
图5 机制砂石粉含量最佳值及上限
备注：最佳值——强度最高时的石粉含量，上限——超过该值后会低于石粉含量为0时混凝土的28d强度。
机制砂石粉含量超过了最佳点，强度会随着石粉含量的继续升高而下降，因此，存在不降低强度（强度比≥1）的最大石粉含量值，我们称之为“上限”，即图4中三条实线与虚线的交点。C30、C40、C50、C60上限值分别为11.0%、10.1%、6.8%、6.5%。
根据各强度等级机制砂石粉含量的最佳值和上限绘制了“强度等级——石粉含量”曲线图，并对曲线进行了拟合，见图5。
以强度为考察指标的拟合公式如下：机制砂石粉含量最佳值：y=-0.0013x+0.1017，R2=0.9252；机制砂石粉含量上限：y=-0.0027x+0.1988，R2=0.9569。R2均大于0.9，相关性较好。
机制砂石粉含量对混凝土强度的影响存在最佳值及上限的机理为[5~6]：
(1) 填充效应：石粉粒径介于胶凝材料与集料之间，掺入到混凝土中可以改善固体颗粒级配，填充到混凝土中的孔隙，使混凝土的孔隙率减小，同时增加界面过渡区的密度，使界面过渡区的强度增大。
(2) 吸水效应：石粉的具有一定的吸水性，使得混凝土的实际水灰比略小于同配比不含石粉的混凝土，同时使混凝土的保水性增强，泌水率减小，减少了自由水在界面上聚集，因而有利于浆-集料界面的改善。
(3) 形态效应：石粉的粒形与机制砂类似，带有尖锐棱角，表面粗糙，不但使得集料与浆体的咬合力得到增强，而且有利于浆-集料界面的改善。
(4) 晶核效应：在水化反应早期，石粉充当了Ca(OH)2结晶的晶核，促进了熟料中硅酸盐的水化, 并避免了晶体的集中生长。
(5) 活性效应：是指石粉中少量的CaCO3会与水泥中的C3A反应生成碳铝酸盐。同时，改善了石粉颗粒的表面状态，有利于石粉颗粒与水化产物间粘结强度的提高。
机制砂中的石粉含量在一定范围内能够对强度产生积极作用，但是当石粉含量超过一定的限值时，就会对混凝土造成负面影响，这是由于过多的石粉含量会造成混凝土体系中的粉体材料过多，很大一部分石粉并不能发挥它的填充作用和微集料效应，大多数石粉不能发生水化反应，一些石粉就会堆积在混凝土体系中，破坏混凝土的紧密堆积结构，使得混凝土的强度降低[5~6]。
综述所述可以得出以下结论：
(1) 根据试验结果分析，机制砂中石粉含量增加会显著提高混凝土的减水剂掺量，而且会加快工作性能的损失，但是机制砂中含适当的石粉会改善混凝土的和易性。
(2) 随着机制砂中石粉含量的增加，混凝土的抗压强度呈先增后减的趋势，存在最佳石粉含量，且该规律在中低强度等级混凝土中表现得较高强度等级明显。
(3) 机制砂中石粉含量对混凝土的减水剂掺量、工作性损失、抗压强度存在不同程度的正面、负面影响，生产过程中，应根据对比试验，选择合理的机制砂石粉含量范围，以达到综合性能较优的效果。
（中建商品混凝土成都有限公司）
更多详细资料请点击下载：成都地区机制砂石粉含量对混凝土性能影响的试验研究
编辑：金哲
