机制砂石粉含量对混凝土体积稳定性影响

张梓鑫，顾瑞，缪凯

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武汉 430070）

机制砂石粉含量对混凝土体积稳定性影响

张梓鑫，顾瑞，缪凯

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武汉 430070）

通过水洗机制砂与石粉复配得到不同石粉含量的机制砂，并与天然河砂对比研究石粉含量对机制砂混凝土工作性能、力学性能以及体积稳定性（弹性模量、干燥收缩、受压徐变）的影响。结果表明，机制砂混凝土的和易性较河砂差，适量的石粉（10%～15%）可以改善机制砂混凝土的和易性，并提高混凝土强度；机制砂混凝土的弹性模量随着石粉含量的增加呈降低趋势；相对于天然河砂，用含石粉的机制砂拌制的混凝土在早期干燥收缩较大（当石粉含量为 10% 时，收缩值最大）；且徐变系数随着石粉含量的增加而增加。

机制砂；石粉；混凝土；体积稳定性

0 引言

砂作为混凝土主要原材料之一，对混凝土性能影响显著。由于天然河砂的过度开采，导致自然环境遭到严重破坏。采用废石破碎而成的机制砂替代天然砂生产混凝土已成必然趋势。由于机制砂颗粒表面粗糙、形状不规则、级配不良且在生产过程中不可避免引入了石粉（＜75μm），石粉改变了传统胶凝体系，势必引起机制砂混凝土的收缩及徐变规律发生改变。在工程结构中，混凝土体积稳定性对耐久性及结构变形、开裂有重要影响。

为了掌握机制砂性能对混凝土性能影响规律，国内外学者开展了广泛的研究[3-6]，但主要研究范围局限于混凝土工作性及强度。机制砂主要性能指标——石粉含量，对混凝土体积稳定性影响研究少有涉及。

开展石粉对机制砂混凝土体积稳定性影响研究，有助于揭示机制砂中石粉含量对混凝土收缩、弹性模量及徐变影响规律，为解决机制砂混凝土开裂问题提供理论与试验依据。

1 试验概况

1.1 原材料

（1）采用湖北华新水泥厂生产的 P·O 42.5 水泥，其物理力学性能指标见表 1。

（2）细集料采用岳阳砂和嘉鱼县胡秋阳采石场所供石灰岩质机制砂，细度模数为 3.6，其级配曲线如图 1 所示。

表 1 水泥物理性能指标

图 1 细集料（机制砂、天然砂）级配曲线

（3）石粉来自机制砂生产厂家所提供。

（4）外加剂来自中建新型建材厂所配制的 ZJSS-Ⅳ 型聚羧酸减水剂。

1.2 配合比

采用典型 C40 强度混凝土配比，通过不同石粉与水洗机制砂复配得到石粉含量不同的机制砂。基准混凝土采用细度模数为 2.8 的天然黄砂配制。试验配合比如表2所示。

表 2 混凝土配合比 kg/m3

1.3 试验方法

根据表 2 配制混凝土，并分别按以下标准成型试件及养护：（1）混凝土抗压强度及静弹性模量试验参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》。抗压强度试件采用 150mm×150mm×150mm 的立方体试件，标养 7d、28d 后测量强度。静弹性模量采用150mm×150mm×300mm 的棱柱型试件，标养 28d 后测量。（2）混凝土干燥收缩试验参照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。干燥收缩试验采用 100 mm×100 mm×515 mm 的棱柱体试件，试件成型后带模养护 1d，拆模后立即放入温度为 (20±2)℃，湿度（60±5）%的恒温干燥室内。预置 4h 后开始采集初始值，并按以下指定时间间隔读取变形值：1d、3d、7d、14d、28d、60d、90d、180d（从移入恒温干燥室内计时）。（3）混凝土徐变试验参照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。试件采用100mm×100mm×400mm 的棱柱体试件。试件养护流程及条件保持与干燥收缩试验一致，到达 28d 龄期时开始加载并读取初始值。之后按以下指定时间间隔读取变形值：1d、3d、7d、14d、28d、60d、90d、150d（从加载后开始计时）。读取受压徐变试件变形值的同时，应读取同条件试件收缩变形值。

干燥收缩及徐变试验相关照片如图 2 所示。

图 2 干燥收缩及徐变试验照片

2 试验结果与分析

2.1 石粉对混凝土工作性及抗压强度影响

混凝土工作性能及抗压强度如表 3 所示，当石粉含量较小时（＜15%）机制砂混凝土流动性较差，随着石粉含量的提高，混凝土的粘聚性及保水性得到明显改善，且石粉含量为 10% 的机制砂混凝土工作性能最佳。结果说明，适量的石粉引入可以增加浆体含量、填充空隙，弥补机制砂级配差、颗粒形状粗糙导致混凝土和易性差的缺点。但过多的石粉会增加比表面积，吸附更多的自由水，导致浆体流动性变差。

表 3 混凝土工作性能及抗压强度

由表 3 的强度结果可看出，机制砂混凝土强度高于普通河砂。随着石粉含量的增加，机制砂混凝土强度不断增加，石粉含量为 15% 时上升至最高。继续增加石粉含量，强度降低。石粉对混凝土强度的影响，主要原因是石粉的填充效应提高了混凝土的密实度，但石粉进一步增加（＞15%）会导致浆体强度降低，削弱混凝土强度。

2.2 石粉对机制砂混凝土弹性模量影响

弹性模量是混凝土的一项重要指标，由于混凝土的非匀质性特点，其弹模大小受到集料特性、过渡区特性、浆体孔隙率等因素影响。石粉含量对机制砂混凝土的弹性模量影响如表 4 所示。

表 4 石粉含量对混凝土弹性模量影响

由表 4 可知，机制砂混凝土的弹性模量随着石粉含量的增加呈降低趋势，石粉含量为 10%～15% 的机制砂混凝土的弹性模量与普通河砂混凝土接近。机制砂对混凝土的弹性模量影响有以下两点：第一，颗粒粗大且多棱角的机制砂在混凝土中起到骨架作用，限制了骨料的相对滑动和砂浆的变形，提高了混凝土弹模；第二，石粉丰富了浆体含量，使得机制砂的骨架作用被削弱，弹模降低。

2.3 石粉对机制砂混凝土干燥收缩影响

干燥收缩经时规律如图 3 所示。结果显示，所有混凝土试件在 90d 龄期后干燥收缩逐渐趋于稳定。相对于天然河砂，用含石粉的机制砂拌制的混凝土在早期干燥收缩较大。主要原因是石粉在高碱环境中起到了晶核作用，加速了水化反应进程，另一方面微量的石粉能与水化产物发生反应[9]，两种效应的共同作用使得早期干缩较大。当石粉含量为 10%时，混凝土试件的收缩值最大。这是由于当石粉含量较低时浆体量偏少，颗粒较大的机制砂能起到骨架作用抑制收缩，当石粉掺量较高时，混凝土浆体量增加，密实度更好，混凝土抵制收缩能力变强。

图 3 不同石粉含量对混凝土干燥收缩影响

2.4 石粉对机制砂混凝土徐变影响

由于徐变应变值受到荷载大小影响，为准确对比分析石粉含量对混凝土徐变影响，采用徐变系数分析试验结果，徐变系数由公式 1 计算获得。选取石粉含量为 0%、10%、20%的配合比 JS1、JS3、JS5 以及天然河砂混凝土进行对比研究，结果如图 4 所示。

式中：

φt——为徐变系数；

εtt——为总受荷应变；

εe——为加载瞬时应变；εsh——为对比收缩应变。

图 4 试件的徐变系数时程图

由图 4 可以看出，机制砂及普通河砂混凝土的徐变系数与持荷时间成对数关系，即早期徐变快，后期变缓。机制砂混凝土的徐变系数与石粉含量密切相关，机制砂混凝土徐变系数随着石粉含量的增加而增加。

当石粉含量较少时，粗大的机制砂颗粒相互摩擦力较大，对载荷下的变形有一定限制作用。随着石粉含量的增加，混凝土浆体量增加，发生徐变的可能性增大。

3 结论

（1）机制砂混凝土的和易性较河砂差，适量的石粉（10%～15%）可以改善机制砂混凝土的和易性，并提高混凝土强度。

（2）机制砂混凝土的弹性模量随着石粉含量的增加呈降低趋势，石粉含量为 10%～15% 的机制砂混凝土的弹性模量与普通河砂混凝土接近。

（3）相对于天然河砂，用含石粉的机制砂拌制的混凝土在早期干燥收缩较大。当石粉含量为 10% 时，混凝土试件的收缩值最大。

（4）机制砂及普通河砂混凝土的徐变系数与持荷时间成对数关系，机制砂混凝土徐变系数随着石粉含量的增加而增加。

[1] 王稷良．机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究[D].武汉：武汉理工大学， 2008．

[2] 赵华耕，彭劲，周明凯．粉煤灰、矿粉对高性能混凝土体积稳定性的影响[J]．武汉理工大学学报，2005(07)：36-38.

[3] Hiroshi Uchikawa, Shunsuke Hanehra, Hiroshi Hirao. Inf l unce of Microstructure on the Physical Properties of Concrete Pre-pared by Substituting Mineral Powder for Part of Fine Aggregate[J]．Cement and Concrete Research, 1996，26(1)：101-111.

[4] 胡兵，刘加平，刘建忠，崔巩．砂泥粉含量及 MB 值与砂浆干燥收缩关系的研究[J]．混凝土， 2010(04):107-109.

[5] 陈家珑．合理利用人工砂中的石粉[J]．新型建筑材料，2004, (5)：48-50.

[6] Zhou Mingkai, Peng Shaoming, Xu Jian, et al. Effect of Stone Powder on Stone Chippings Concrete[J]．Journal of Wuhan University of Technology (Materials Sciences Edition), 1996，11(4)：29-34.

[9] 王稷良，周明凯，朱立德，贺图生．机制砂对高强混凝土体积稳定性的影响[J]．武汉理工大学学报， 2007(10)：20-24.

［通讯地址］湖北省武汉市东湖新技术开发区高科大厦 13 楼（430074）

Effects of crushed dust content on volume stability of manufactured sand concrete

Zhang Zixin, Gu Rui, Miao Kai
(China State Construction Ready Mix Concrete Co., Ltd, Wuhan 430070, China)

Inf l uence of the crushed dust content difference on the workability, mechanical properties and volume stability (elastic modulus, drying shrinkage, compressive creep) of concrete was studied in this paper, different dust content was formed in the manufactured sand by mix washed manufactured sand and crushed dust. Results indicated that the workability of concrete which made by manufactured sand was worse than natural sand, appropriate amount of dust (10% to 15%) can improve the workability and compressive strength of manufactured sand concrete. The elastic modulus of manufactured sand concrete decreased with the increase of dust content. The shrinkage rate of manufactured sand concrete with dust was larger than natural sand (there was maximum shrinkage rate of manufactured sand concrete with 10% dust), and the creep coeff i cient increased with dust content.

manufactured sand; crushed dust; concrete; volume stability

张梓鑫（1986—），男，助理工程师，中建商品混凝土有限公司。