石粉含量对C60机制砂高性能混凝土的影响解析

1工程概况

本项目坐落于上海市嘉定区和宝山区，从月罗公路北端开始，顺接S7公路Ⅰ期高架，向北延伸，穿过嘉定区徐行镇与宝山区罗店镇，宝钱公路南端终止。远期规划，S7公路还将经过嘉定区华亭镇向东北方西延伸，直至到达崇明岛。全线采用高架桥形式，与宝钱公路采用两条匝道相连通，线路全线长约6.1km。设计盖梁采用倒T盖梁形式，标准节段长15.8m，宽2.1m，盖梁全部工厂内预制生产，盖梁混凝土设计等级为C60。

2试验

2.1原材料

1）水泥：P•Ⅱ52.5型水泥选用上海南方水泥厂出产的优质水泥，检测其性能符合《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）的标准要求，材料性能稳定可靠，具体物理性能见表1。

2）粉煤灰：F类Ⅰ级粉煤灰由上海宝钢新型建材科技有限公司出产，其性能检测符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2017）的标准要求，其基本物理指标见表2。

3）矿粉：S95级矿粉选用上海宝田新型建材有限公司出产的优质矿粉，其性能指标经检测满足国标要求规定。

4）粗集料：选用湖州新开元碎石有限公司销售生产的反击破石子，表面圆润，棱角少，由5mm～10mm碎石和10mm～20mm碎石按35%和65%的比例混合使用。

5）细集料：湖州新开元碎石有限公司生产的石灰岩机制砂，其细度模数2.8，石粉含量3.2%，亚甲蓝MB值0.8,泥块含量0.4%，表观密度2681kg/m3，颗粒组成如图1所示。

6）外加剂：西盟司（上海）建筑工程材料有限公司生产的DSZ-1型外加剂，含固量20.5%,混凝土减水率25%。

7）石粉：湖州新开元碎石有限有限公司生产的石灰岩石粉，表观密度为2735kg/m3，比表面积为265.5m2/kg。

2.2试验方法

2.2.1石粉原材试验

将水泥与石粉混合样进行相互对照比对试验，检测其标准稠度用水量、安定性指标、凝结时间，并检测其抗压强度、抗折强度指标。其试验方法参照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T1346-2011）与《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T17671-2021）的相关规定。

2.2.2工作性能试验

试拌C60机制砂混凝土，调整石粉的含量，进行比对试验，检测其坍落扩展度、含气量，静置检测其保水性和粘聚性。

2.2.3力学性能试验

依据《混凝土物理性能试验方法标准》（GB/T50081-2019）与《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2019）的相关规定，在标准养护至指定龄期后，对其抗压强度、弹性模量和干缩量进行检测。

2.3混凝土基准配合比

以河砂C60高性能混凝土配合比为参照，其设计表观密度为2430kg/m3，配合比（kg/m3）为:m（水泥）：m（砂）:m（碎石）:m（水）：m（外加剂）:m（矿粉）m（粉煤灰）=400:810:940:155:5.72:60:60

3试验结果和分析

3.1机制砂中石粉含量对水泥物理性能的影响

参照水泥抗压、抗折强度检测与标准稠度、凝结时间、安定性测试等物理性能的操作流程，深入研究不同的石粉掺量对水泥物理性能产生的影响。将石粉与纯水泥以不同的质量比进行混合，检测其物理性能，试验结果见表3。

表3试验结果可以看出，机制砂中的石粉掺量在15%以内时，对水泥的标准稠度用水凉、安定性和抗压、抗折强度指标都无不良的影响，只有在当石粉含量为15%时，其抗压、抗折强度才开始显著降低。水泥的凝结时间随着石粉含量的增加呈逐渐增大的趋势。由此可以得出石粉对水泥仅起到惰性掺合料的作用。

3.2C60混凝土的工作性能和混凝土抗压性能

本试验同过对基准配合比100%机制砂取代后调整石粉量做对照比对试验，检测C60机制砂混凝土拌合物的工作性能和抗压性能，试验结果见表4。

分析表4的试验结果数据可知：

（1）石粉含量对混凝土工作性能有影响，机制砂中石粉含量逐渐增长，拌合物的坍落扩展度先增大后减小，但其保水性逐渐变好。当机制砂中石粉含量为9%时，其混凝土坍落扩展度与河砂混凝土相差不大，达到最佳状态。石粉含量超过9%后，其混凝土的粘性也增加，使混凝土变的很粘稠，工作性能不佳，不利于泵送。

（2）石粉含量对混凝土抗压强度的影响较小，随着机制砂石粉含量的逐步增加，C60机制砂混凝土的7天、28天标准养护抗压强度先增大后减小，当机制砂石粉含量达到9%时，机制砂混凝土的抗压强度达到峰值。相较于河砂混凝土，28天龄期的机制砂混凝土抗压强度略显偏小。

探究机制砂中石粉在机制砂混凝土结构中的功能机理，发现石粉对拌合物工作性能的作用呈现出两面性。石粉粉末包裹在机制砂颗粒表面，降低机制砂颗粒表面的粗糙度，使其与石子间的摩擦减小，进而机制砂混凝土拌合物的和易性得到改善，这是石粉好的一面；石粉颗粒比较小，可以作为矿物掺合料填充混凝土拌合物的内部空隙，空隙间自由水需求量减少，进而机制砂混凝土的流变性得到改善，不宜泌水离析，这也是石粉好的一面。石粉的比表面积比机制砂大几个数量级，包裹机制砂所需水量随着石粉含量的增加而快速增加，进而导致达到相同工作状态的混凝土拌合物需要更多减水剂或拌合用水，这是石粉坏的一面。由此而得，机制砂中的石粉含量不同时，对混凝土的影响有好有坏，进而混凝土的工作性便不同。

3.3C60机制砂混凝土的变形模量和干缩新能

拌制6组石粉含量不同的机制砂混凝土进行比对试验，检测机制砂混凝土的弹性模量和干缩性能，具体检测数据如表5所示。

表5可以看出：石粉含量对混凝土弹性模量有负面影响，机制砂混凝土弹性模量随着石粉含量的增加整体呈下降趋势。机制砂混凝土的弹性模量与河砂混凝土相差不大，当石粉含量为3%时，其河砂混凝土的弹性模量反而较小。根据相关文献分析：机制砂中的石粉填充混凝土自身的空隙，提高混凝土致密性，进而提高混凝土的弹性模量，但当石粉继续增多时，拌合用水增多，混凝土的浆体体积增大，密度降低，混凝土弹性模量减小。

通过表5还可以得出：当石粉在机制砂中的含量逐渐增加，机制砂混凝土的干缩量的变化趋势为先升后降，混凝土的干缩量峰值出现在石粉含量为6%时，峰值为348×10-6。分析其原因：石粉作为催化剂，催化加速了Ca（OH）2和C-S-H的化学反应，并在过程中与C3A发生水化反应，生成中间产物水化碳铝酸钙晶体，导致水化物数量的增多，进而使拌合物硬化后的干缩量变大；但机制砂中的石粉达到一定量后，石粉中的大部分不在参与中间水化反应，而是其作为微细粒子填充到拌合物的空隙中，堆积在硬化后的混凝土细部结构空隙中，从而对其收缩徐变起到了一定的抑制作用，进而引起干缩值减小。

4结论

（1）机制砂中石粉没有活性，对水泥的水化反应影响不大，当机制砂石粉含量小于15%时，部分石粉可以作为水泥惰性掺合料使用，此时水泥的各项性能不降低或者降低不大，并适当的延长水泥的凝结时间，有利于大体积混凝土的施工。

（2）随着机制砂中石粉的逐渐增多，C60机制砂混凝土坍落扩展度的变化趋势为先上升后下降。并且由于石粉的掺入，机制砂混凝土拌合物的保水性和粘聚性得到改善，混凝土不易离析泌水，可以更好的通过减水剂来调整混凝土的工作状态。当石粉含量为9%时，其坍落扩展度达到峰值，其与河砂混凝土相当。

（3）配制C60机制砂混凝土时，其混凝土弹性模量呈下降趋势，抗压性能先升后降。综合考虑，机制砂中石粉含量不可超过9%，这样拌制出的混凝土抗压强度、弹性模量均能满足设计标准要求，与河砂混凝土相当。

（4）石粉对机制砂混凝土的干缩量影响幅度很小，在配制机制砂混凝土时可以不优先考虑。

5工程应用

由此可见，采用机制砂替代河砂优化C60混凝土，应用于该工程盖梁部位是可行的。现场施工时将机制砂石粉含量控制在不超过9%的范围内，适量提高外加剂掺量，混凝土坍落扩展度可控制在650mm±20mm的范围，混凝土拌合物工作性能平稳可控，混凝土内实外美，强度满足设计要求，表面无气泡裂缝。

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