中低强度机制砂混凝土石粉含量确定的研究

随着中国基础设施建设的迅猛发展和对环境保护的日益重视，现有的天然砂已经不能满足工程建设的需要，使用机制砂配制混凝土已成为今后的发展趋势。但机制砂与河砂相比，其颗粒表面粗糙、多棱角，且机制砂大多数级配不良，0.630～0.315 mm级颗粒偏少，并含有大量粒径小于0.075 mm的石粉。这些石粉与母岩的化学成分完全一样，且大量的研究表明，适量的石粉对机制砂混凝土的工作性和强度无不利的影响，甚至还可以改善混凝土的性能。
《建筑用砂》(GB／T 14684—2001)规定：混凝土用机制砂的石粉含量分别为小于3％(大于等于C60)，5％(介于C30～C60)，7％(小于等于C30)，但没有给出相应的理论依据。而机制砂在生产过程中产生的石粉一般占到10％～20％，这远高于国标中石粉含量的限值。
为此，许多人进行了石粉含量对机制砂混凝土工作性能、强度、耐久性能影响的研究^[4-13]，且各自得到了相应的观点。有的认为石粉会增加用水量^[14-15]，从而对混凝土性能造成不利的影响；有的认为石粉会填充骨料空隙，不会增大用水量^[16]，从而对混凝土性能改善有利；有的则认为有一个度^[17-18]，不超过这个度，则对混凝土性能有利。这些观点的差异，可能是由于采用原材料的不同造成的，也可能配合比设计不同造成的。因此，如何合理有效地确定机制砂的石粉含量，将成为机制砂配合比设计中的一个关键环节。
1 原材料及试验方法

　　1.1 原材料

试验中采用华新P．C32．5和P．O42．5等水泥，水泥的各项性能指标均符合GB 175一1999标准，其主要性能指标见表1；粗集料采用湖北阳新5～25 mm和5～31.5 mm连续级配碎石；机制砂为福刚石灰岩机制砂，其相关性能指标见表2，其级配曲线见图1。外加剂为武钢浩源FDN-1高效减水剂。

　　
1.2 试验方法
按《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》(GB／T50080 2002)测试新拌混凝土的坍落度。成型150 mm×150 mm×150 mm的立方体混凝土试件，标准养护7、28 d，测试其抗压强度。 2 试验结果与分析
　　2.1 试验设计及结果
　　1) C40泵送混凝土
固定原材料用量分别为：水泥370 kg／m³，水178 kg／m³，机制砂800 kg／m³，碎石1102 kg／m³。调整机制砂的石粉含量分别为7％、10％、15％、20％。测试其对混凝土工作性能和抗压强度的影响。混凝土配合比和测试结果见表3。

　　
从表3可以看出，随着机制砂的石粉含量从7％增大到20％，混凝土的坍落度先增大，后又减小，在石粉含量为10％时，混凝土的坍落度最大；混凝土7、28 d的抗压强度也有类似的规律。因此，当石粉含量为10％、水粉比为0.40时，混凝土的工作性、抗压强度最优。
2) C30塑性混凝土
采用P．C32．5水泥，混凝土原材料用量为：水泥330 kg／m³，水165 kg／m³，石灰岩机制砂743 kg／m³，碎石1212 kg／m³。石粉含量分别为0％、5％、10％、15％、20％。测试混凝土坍落度、抗压强度，混凝土配合比和试验结果见表4。

　　
从表4可以看出，机制砂的石粉含量从0％增大到20％，混凝土的坍落度先是增加，后又减小，在石粉含量为10％时，混凝土的坍落度最大；石粉含量对抗压强度影响的变化规律一致。因此，当石粉含量为10％，水粉比为0.41时，混凝土的坍落度和抗压强度最大。
采用P．O42．5水泥配制C30混凝土，其原材料用量为：水泥254 kg／m³，水165 kg／m³，机制砂802kg／m³，碎石1129 kg／m³，石粉含量为0％～25％，测试混凝土坍落度和抗压强度，混凝土配合比及结果见表5。

　　
从表5可以看出，在石粉含量为20％、水粉比为40％时，混凝土的坍落度和抗压强度最佳。
3) C40的路面混凝土
C40混凝土原材料用量为：水泥360 kg／m³，水160 kg／m³，机制砂790 kg／m³，碎石1140 kg／m³，其中石粉含量为1.3％、5％、7％、10％、15％。石粉含量对混凝土坍落度和抗压强度的影响见表6。

　　
从表6可以看出，在石粉含量为5％、水粉比为0.40，混凝土的坍落度和抗压强度最佳。
2.2 讨论
从以上石粉含量对中低强度等级机制砂混凝土工作性能和抗压强度的影响可以得出：无论是流态混凝土还是塑性混凝土，即使其水泥等级、水灰比不同。混凝土要获得最佳工作性和抗压强度，混凝土的水粉比均为0.40。
由此，在进行机制砂混凝土配合比设计时，可以通过水粉比0.4来预测机制砂的最佳石粉含量，以此为基础上，通过试验进一步验证与调整。其大体步骤如下：
1)参考行业标准《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2000)进行配合比的初步计算，确定水灰比、砂率，各种原材料的用量等；
2)通过公式(1)来估算机制砂的石粉含量，即采用水粉比0.40来预测机制砂的最佳石粉含量；
3)通过试配来验证与确定机制砂的最佳石粉含量。

　　　　　　　　　（1）

　　
式中：m_w为用水量；m_c为水泥用量；m_s为砂用量；x为代表石粉最佳含量的推测值。
3 结论
以中低强度等级石灰岩机制砂混凝土为研究对象，对比研究了石粉含量对混凝土工作性能和抗压强度的影响。试验结果表明．混凝土的类型不同，采用的原材料不同，可能会造成机制砂的最佳石粉不同，但对应的水粉比均为0.40。因此，结合行业标准《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2000)，通过水粉比0.4来估测机制砂的最佳石粉含量。