石粉对机制砂砂浆干缩性能的影响

付二全，路竣杰，任中杰，王稷良

(1.内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司，呼和浩特 010020;2.交通运输部公路科学研究所，北京 100088)

随着河砂资源量减少，机制砂被越发广泛地应用到建筑领域。机制砂通常是由岩石通过机械破碎而制成，相较于河砂，机制砂外表为多棱角结构，颗粒圆粒度极差。同时，在机制砂生产过程中会产生大量石粉。国标《建筑用砂》(GB 14684—2011)中规定机制砂中石粉含量应不大于10%。机制砂中的石粉会改变砂浆或混凝土中浆体体积，从而影响砂浆或混凝土的体积稳定性，进而对砂浆或混凝土的耐久性产生影响。范德科[1]等研究发现机制砂混凝土14 d龄期以前收缩比河砂大，后期收缩两者相差不大，机制砂收缩甚至更低。郑怡[2]等研究表明机制砂配制的混凝土徐变及干缩均高于天然砂混凝土。李银斌[3]等发现机制砂混凝土抗裂性能不如天然砂混凝土并且随着强度等级的提高机制砂混凝土抗开裂性能也随之提高。Shanmugavadivu[4]等以机制砂取代天然砂作为细骨料配制混凝土，发现机制砂中含有石粉填充了骨料之间的空隙使配制的混凝土更加密实，从而使混凝土的耐久性得到提高，但随着机制砂的逐步取代，石粉含量的增多导致混凝土的强度逐渐降低及干缩的增大。王稷良[5]等研究了机制砂以及河砂对高强混凝土性能的影响，发现当石粉含量﹤7%时机制砂混凝土的弹性模量接近天然河砂配制的混凝土，含石粉的机制砂混凝土的前期(≤7 d)的干缩比河砂混凝土大，后期与河砂混凝土干缩基本无差别，7%石粉含量的机制砂混凝土的徐变以及徐变系数与天然河砂混凝土最为接近。Joudi-Bahri[6]发现在不加入任何减水剂的情况下，在配制石灰石机制砂混凝土中加入100～130 kg/m3的石灰石粉能够提高拌合物的密度以及力学性能，减少混凝土的泌水且对工作性以及收缩并不产生影响。Li[7]发现在石粉的掺量不超过20%时，混凝土动态弹性模量最大降幅仅为2.9%，石粉的加入可以减少混凝土14 d前的干缩，当掺量超过30%混凝土的长期收缩增大。

综上所述，石粉对机制砂砂浆或混凝土体积稳定性的影响还存在一定不确定性，为了更好地探究石粉含量对不同配合比机制砂砂浆干缩性能的影响规律，将测试不同配合比砂浆的干缩率及失水率，并对其机理进行分析。

1 试 验

1.1 原材料

水泥采用PO42.5普通硅酸盐水泥，其化学组成及物理性能，分别见表1、表2。机制砂采用石灰岩机制砂，其性能指标见表3。石粉为石灰石粉。减水剂为高性能聚羧酸减水剂。水为纯净自来水。

表1 水泥化学组成

表2 水泥的物理性能

表3 机制砂的物理性能

1.2 方法

砂浆干缩性能，利用25 mm×25 mm×280 mm模具成型，试件成型后置于温度为(20±3)℃，相对湿度为90%的养护室中，24 h后脱模。测量试件的初始长度及质量(l0、M0)，置于标准干燥条件下(温度为(20±2)℃，相对湿度为(60±5)%)分别养护1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d后测量试件的长度及质量(lt、Mt)。分别按式(1)计算水泥砂浆在t龄期的干缩率(Lt)

(1)

式中，Lt为试件的干燥收缩率；l0为试件的初始长度；lt为不同养护龄期试件长度。试件长度通过比长仪测定，精确度为0.001 mm。

试件的干燥失水率按式(2)计算。

(2)

式中，Si为试件干燥失水率；M0为试件的初始质量；Mt为不同干燥龄期的试件质量。

2 结果与分析

2.1 石粉对砂浆干缩性能的影响

为了探究石粉对砂浆干缩性能的影响，在不同水灰比(0.4、0.5、0.6)和不同砂灰比(1∶1、1.5∶1、2∶1、2.5∶1、3∶1)时，进行了不同石粉含量(0、5%、10%、15%、20%)对上述性能影响的测试。

2.1.1 石粉对不同砂灰比砂浆干缩的影响

石粉对不同砂灰比砂浆干缩的影响，见图1。砂浆水灰比为0.5，砂灰比的变化取1∶1、1.5∶1、2∶1、2.5∶1和3∶1。由图1(a)可以看出，砂浆砂灰比为1∶1时，干缩随石粉含量的增大而增大，当石粉含量为5%、10%、15%、20%时，砂浆90 d干缩率分别为0.141%、0.143%、0.146%、0.148%，均大于空白样的0.139%。由图1(b)可以看出，砂浆砂灰比为1.5∶1时，干缩随石粉含量增多逐步增大，在各个龄期均表现显著。由图1(c)可以发现，砂浆砂灰比为2∶1，90 d干缩率在石粉含量为5%、10%时，分别为0.097%和0.091%，低于不含石粉时的0.098%，但降幅不大；石粉含量继续增大，干缩增大。由图1(d)可见，砂浆砂灰比为2.5∶1，石粉含量为5%时，90 d干缩为0.084%略低于不含石粉时的0.086%，随后干缩逐步增大。图1(e)中，砂浆砂灰比为3∶1，石粉含量对90d干缩影响不大，但依然呈现随石粉含量增多而增大的规律。

可以发现，砂浆干缩整体表现为随石粉含量增多而增大。一方面，石粉含量的增多导致单位体积内骨料量减少，浆体体积增多，浆骨比随石粉含量增多而增大，进而干缩增大；另一方面，石粉由于自身较大的比表面积，在含量较少时能够优化骨料的颗粒级配，但过多的石粉又吸附较多的游离水，导致需水量不足，拌合物中孔径增大，干缩增大。

2.1.2 石粉对不同水灰比砂浆干缩的影响

由图2(a)可以看出，砂浆在水灰比为0.4时，干缩率随石粉含量增多呈现先减小后增加的趋势。砂浆90 d干缩率在石粉含量为5%时为0.092%，低于石粉含量为0时的0.095%，石粉含量继续增多，干缩率逐步增大且大于空白样。由图2(b)可以看出，砂浆在水灰比为0.5时，干缩率随石粉含量增多也呈现先减小后增大的规律。砂浆90 d干缩率在石粉含量为5%、10%时，分别为0.097%、0.092%，较石粉含量为0时0.098%有所降低。石粉含量进一步增多，干缩率增大且高于不含石粉时，90 d干缩率在石粉含量为10%时最小。由图2(c)中可以看出，砂浆在水灰比为0.6时，干缩率随石粉含量增加同样呈现出先减小后增大的变化趋势。砂浆在石粉含量为5%、10%、15%时，90 d干缩率分别为0.130%、0.126%、0.129%，而石粉含量为0时为0.131%，石粉的引入使砂浆干缩率减小，石粉含量继续增多，干缩率增大。

综上，可以看出砂浆干缩整体随石粉含量增多呈现先减小后增大的规律，这是由于石粉颗粒能有效优化砂浆中细骨料的颗粒级配，适量的石粉能够提高砂浆拌合物的堆积密实度，填充砂浆空隙充分发挥“填充效应”，从而细化砂浆的孔径尺寸，抑制收缩；可以看出在水灰比为0.4、0.5、0.6时，干缩率最低时石粉含量分别为5%、10%、10%，这也说明石粉对于砂浆收缩存在一个最佳含量。

2.2 配合比对砂浆干缩性能的影响

水灰比对砂浆干缩的影响如图3所示。砂浆中石粉含量为5%，砂灰比为2∶1。可以看出，砂浆干缩整体随水灰比增大而增大，且砂浆早期(≤14 d)干缩增幅较快，后期(>14 d)干缩继续增大，但趋于平缓。水灰比为0.6时，砂浆在3 d时砂浆干缩率与其他两组相差不大，7 d以后随着龄期增长干缩明显较0.4、0.5水灰比时要增长迅速。90 d时，砂浆水灰比为0.4，干缩率为0.092%；砂浆水灰比为0.5，干缩率为0.096%；砂浆水灰比为0.6，干缩率为0.130%。

不同水灰比砂浆失水率，如图4所示。砂浆砂灰比为2∶1，石粉含量为5%。能够看出，当砂灰比一定时，砂浆失水率随水灰比增大而增大，在高水灰比时这一现象表现得更为明显。原因是，在固定砂灰比时，水灰比增大导致单位体积用水量增多，水粉比增大，使得砂浆毛细孔含量增多，导致孔内水分增多从而使失水率进一步增大。

砂浆干缩随水灰比增大而增大的原因，主要为两个方面：一方面随着水灰比增大，单位体积水泥水化用水量增加，从而造成水化物填充程度降低，砂浆中毛细孔含量增多且孔间连通性增强。而砂浆干缩主要由于毛细孔中水分蒸发引起的毛细孔应力从而引起的干燥，所以水灰比增大促使毛细孔间连通性增加从而引起砂浆干缩增大。另一方面，单位用水量的增多使得单位体积内浆体量增多，同时单位体积内起支撑作用的骨料量相对减少从而导致砂浆干缩增大。

图5中所示为砂灰比对砂浆干缩性能的影响。可见，随着砂灰比增大，砂浆干缩越来越小；同时，在高砂灰比时，砂浆干缩随龄期呈现渐变的过程，早期同龄期砂浆干缩远小于低砂灰比时，后随龄期逐渐增大；而低砂灰比砂浆，在1～14 d期间干缩增幅最大。原因是低砂灰比时浆体体积大，导致早期干缩幅度较大且趋于稳定；高砂灰比时骨料体积增大，浆体体积减少，干缩率在早期减弱，随龄期变化而变化。

3 结 论

为研究石粉含量对不同配合比砂浆体积稳定性的影响规律，以不同水灰比和不同砂灰比砂浆为研究基础，分析了不同石粉含量对砂浆干缩率、失水率等的影响，得到以下结论：

a.不同砂灰比砂浆的干缩，随石粉含量增多逐步增大。不同水灰比砂浆的干缩，随石粉含量增多呈现先减小后增大的规律。

b.砂浆在水灰比为0.4、0.5、0.6，干缩达到最小时石粉含量分别为5%、10%、10%。

c.在石粉含量一定时，砂浆干缩随水灰比增大而增大，随砂灰比增大而减小。

d.砂浆受水灰比影响时，在14 d之前龄期干缩较大，后期收缩放缓；砂浆受砂灰比影响时，干缩随龄期处于渐变过程。