本文选自《商品混凝土》杂志2021年第9期
作者：袁桂先，汪意
［摘 要］通过制备获得不同含粉量的机制砂并研究了含粉量对混凝土性能的影响。结果表明，外加剂掺量和水胶比不变时，随着机制砂含粉量降低，混凝土工作性能和保坍能力变差，混凝土凝结时间缩短，含气量先增加后降低；水胶比不变时，达到相同工作性能时的混凝土外加剂用量升高，且出现外加剂释放缓慢现象；当机制砂石粉含量 12% 时有利于混凝土强度增长。机制砂中适量的石粉能降低混凝土碳化深度、混凝土电通量减小、体积收缩减低，有利于提高混凝土耐久性。
0 前言
目前随着国家对天然砂资源开采的严格管控，机制砂已经逐渐成为混凝土生产的主要砂源，并在生产中低强度等级混凝土中得以全部应用，优质机制砂也被应用于生产高强、高性能或者超高性能混凝土（UHPC）等高附加值产品[1]。机制砂与天然砂不同，机制砂细度可调节性强、颗粒多棱角且含有一定含量的石粉[2]，在混凝土中应用可以改善混凝土保水性，且适量石粉的存在有助于提高混凝土界面过渡区，使得混凝土强度增加，但研究人员对石粉含量并没有界定[3]，这跟所采用的配合比及机制砂特点有关。在机制砂实际生产中，会带入较多的石粉，有些含量甚至达到 20% 以上，如此高的石粉含量，常规配合比设计已不适合，需要考虑石粉含量对混凝土浆骨比、抗碳化及混凝土强度等的影响。
本项目针对高含粉机制砂对混凝土性能影响进行了研究，以期为机制砂在混凝土中的应用提供理论和实际参考。
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
（1）水泥采用海螺 P·O42.5 普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用Ⅱ级灰，需水比 99%，45μm 方孔筛余 19%。矿粉采用 S95，比表面积 416m2/kg，含水率 0.3%，烧失量 0.9%。水泥的主要性能指标见表 1。
（2）原装机制砂采用市售石灰石质机制砂，细度模数 2.8，MB 值 0.8，含粉量 12%。
（3）不同含粉量机制砂的制备：通过对机制砂含粉进行筛分，过 75μm 方孔筛获得所需的石粉，将石粉按质量比例添加，使得机制砂石粉含量为 8%、12%、16%、20% 和 24%，备用。
（4）粗集料由粒径 5～10mm 的小石和 10～25mm 的大石按照一定比例组合而成。小石压碎值 9.0%，大石压碎值 9.0%。
（5）外加剂采用缓凝型聚羧酸高效减水剂，含固量 15.3%，推荐掺量 1.0%～3.0%。（1）参照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》称取相应的原材料，按照设定的水胶比和外加剂掺量，进行混凝土坍落度、扩展度、凝结时间及含气量等性能指标的测试。（2）按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》成型 100mm×100mm×100mm 混凝土试件，标准养护后测定混凝土相应龄期的抗压强度。（3）混凝土体积收缩值、碳化深度以及混凝土电通量测试参照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。其中混凝土体积收缩采用接触法，成型 100mm×100mm×515mm 的棱柱体试件，带模养护 24h 后脱模，采用标准养护，温度 (20±2)℃、相对湿度≥95%，测试混凝土收缩率，计算公式如下：Lt——试件在试验期 t(d) 时测得的长度读数，mm本项目以 C30 混凝土为研究对象，保持混凝土用水量和外加剂用量不变，探究机制砂中石粉变化对混凝土工作性能的影响。试验混凝土配合比见表 2。按照表 2 所示混凝土配比进行搅拌，测得的混凝土工作性能结果见表 3。表 3 结果可以看出，相同外加剂用量和水胶比下，机制砂含粉增加，混凝土初始流动性下降，对应的混凝土坍落度保持能力下降。这是因为机制砂中石粉含量增多，对聚羧酸分子在水泥颗粒的吸附形成阻碍，使得聚羧酸的作用效果减弱，保坍能力下降，当石粉含量从 8% 提高至 24%，混凝土坍落度降低 21%，很快失去流动性。在水和外加剂用量不变的情况下，高含粉机制砂使得混凝土初凝和终凝时间均有所缩短，这是因为自由水的减少，使得水泥水化产物之间的键合能力增强，混凝土失去塑性的时间缩短，同时石粉的存在影响了水泥第二放热峰[4]，促进水泥水化进程，加速了水泥的硬化。高石粉机制砂不仅使混凝土凝结时间缩短，同时也使得混凝土含气量先增加后降低，这是因为石粉含量在一定范围内升高，混凝土粘度增加，机械搅拌过程中更容易引入空气使得混凝土含气量有所上升，随着机制砂含粉量进一步提高，混凝土流动性差，引入气泡的能力降低。以表 2 配合比为基础，改变混凝土中外加剂用量，使得混凝土初始坍落度在 (230±5)mm，测试相同混凝土出机状态下的外加剂掺量、经时保坍性能，以及混凝土 7d 和 28d 抗压强度，结果见表 4。表 4 结果显示，机制砂中含粉量增加，达到相同流动性时外加剂用量随之提高，当石粉含量为 24%，石粉增加 16%，外加剂增加 0.7%，但混凝土保坍性能逐渐改善甚至出现后滞返大现象。当外加剂供给充分时，石粉裹入较多的聚羧酸分子，随着水泥反应过程中与聚羧酸分子接触，混凝土流变性能得到释放，使得混凝土出现后滞甚至返大现象。通过对混凝土 7d 和 28d 抗压强度测试结果分析可知，随机制砂中石粉含量增加，混凝土抗压强度先增加后降低，在石粉含量 12% 时混凝土 7d 和 28d 抗压强度均最高。适量的石粉可以提高混凝土的填充性能[5]，使得硬化后的混凝土密实度提高，但随着机制砂石粉含量进一步增多，单位面积生成的水化产物数量降低，排列较散，硬化后的混凝土内部缺陷较多，强度下降。按照 2.2 所用外加剂和水的用量，测试了混凝土碳化深度、电通量值及混凝土体积收缩值，结果见表 5。从表 5结果可以看出，当石粉含量 12% 时，混凝土 28d 碳化深度最低，电通量最小且混凝土 7d 和 28d 体积收缩也最低，这说明适量的石粉提高了混凝土密实度，使得混凝土抵抗氯离子和体积变形能力提高。当石粉含量进一步增加，混凝土碱度降低，碳化深度增加，也更容易受到周围环境有害离子的侵蚀，由于单位面积分布的水化产物数量减小，混凝土体积变形也相对增大。（1）在外加剂掺量和水胶比不变的情况下，机制砂含粉量增加，混凝土流动性降低、坍损增大，混凝土凝结时间缩短，含气量先升高后降低。（2）水胶比不变，混凝土达到相同流动性状态时，高石粉机制砂使得外加剂用量增加，但会引起外加剂缓慢释放甚至产生滞后返大现象；混凝土抗压强度随石粉含量增加先增加后降低，当机制砂石粉含量 12% 时混凝土强度最高。（3）适量的石粉可以降低机制砂混凝土碳化深度、降低混凝土电通量、减小体积收缩，从而有利于混凝土耐久性提高。
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