0引言
我国基础设施建设对砂资源的需求量巨大，年消耗量高达60亿t以上。由于生态环境保护、优质天然砂资源逐渐短缺和建设工程需求量持续增加等原因，近年来机制砂迅速成为建设用砂的主要来源。机制砂是岩石经除土、多段破碎加整形后筛分制得的，其区别于天然砂的最大特点是颗粒表面粗糙，粒形不够圆滑，尖锐有棱角，且细碎过程中会产生15%～20%的粒径小于75μm的石粉。
机制砂的石粉含量允许限值，不仅影响其使用性能，更牵涉机制砂的生产工艺选择、制砂成本和产能、环保等经济性指标。正因如此，国内外学者针对石粉含量对机制砂混凝土工作性和硬化混凝土的力学性能、耐久性进行了大量研究，大多研究肯定了石粉减轻内泌水和微集料填充效应对混凝土强度的提高作用，但对于强度的最佳石粉含量意见不一，对于不同方面性能的最佳或适宜石粉含量更是莫衷一是。
鉴于机制砂中的石粉，尤其是当石粉中混杂有膨胀性黏土时，会显著影响外加剂的效能并增大混凝土的收缩变形、降低混凝土的抗冻性，国内外相关标准均对机制砂石粉含量作出了限定，但不同国家的标准，甚至我国不同地方、不同行业的标准，对石粉含量限值的规定差别也很大，目前尚无一个广泛认可的石粉含量限值或最佳石粉含量。造成石粉含量限值存在分歧的根本原因在于不同研究者采用的机制砂或石粉的品质不一样，包括机制砂母岩岩性、石粉的吸附性、石粉活性等。
本研究依托江西省某新建山区高速公路项目，针对隧道开挖的片麻岩洞渣自制的机制砂在预制T梁、现浇箱梁、桥面铺装层等桥梁上部结构C50混凝土中的应用，着重开展片麻岩机制砂石粉含量对C50混凝土力学性能和耐久性的影响研究，旨在优化机制砂的适宜石粉含量，为该工程片麻岩机制砂的生产质量控制与混凝土应用提供技术依据。
1原材料及试验方法
1.1原材料
(1)水泥：P·042.5级普通硅酸盐水泥，3、28d抗压强度值分别为27.3、49.7MPa。
（2)矿渣粉：S95级粒化高炉矿渣粉，比表面积434m²/kg，流动度比96.8%，7、28d活性指数分别为83.2%、97.8%。
（3）碎石：5～20mm连续级配片麻岩碎石，由4.75～9.5mm小石和9.5～19mm中石按质量比2：8配制而成。碎石压碎值为12.8%，针片状颗粒含量4.0%，含泥量为0.72%
（5）石粉：系制砂楼收尘器回收至废石粉的片麻岩石粉，试验中用于调整机制砂石粉含量。石粉的75μm方孔筛筛余23.4%，45μm方孔筛筛余为42.5%，比表面积为267m²/kg，流动度比为89.1%，含水量1.3%，28d抗压强度比为63.3%。石粉的主要化学成分见表2。图3的矿相X-射线衍射（XRD)分析结果显示，片麻岩机制砂石粉矿物相组成主要为石英、钾长石、钠长石，少量绿泥石、白云母等。
(6)外加剂：某高新材料有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，含固量为18.5%，减水率为20%
1.2试验方法
1.3混凝土配合比
本文设计了石粉含量分别为3%、5.3%、7%和10%的四组机制砂混凝土配合比，如表3所示。其中，石粉含量为3%的机制砂用0.075mm方孔筛从占石粉含量5.3%的原砂中筛出部分石粉制得，石粉含量7.5%、10%的机制砂，从石粉含量5.3%的原砂中添加制砂楼收尘器回收的石粉制得。试验中，仅人工调整机制砂中石粉含量至设计值，其他配合比参数不变。石粉含量改变引起混凝土工作性变化，通过调整外加剂掺量，使不同石粉含量的混凝土工作性相同或相近，即落度达到（200±10）mm或扩展度达到（500±20）mm。
2结果与讨论
2.1石粉含量对片麻岩机制砂混凝土工作性能的影响
以混凝土达到相同或相近工作性能所需要的减水剂掺量为指标，评价机制砂石粉含量不同时的混凝土工作性能，水胶比和用水量等配比参数一定的情况下，减水剂需用量越大，混凝土工作性能越差。由不同石粉含量的机制砂混凝土的减水剂掺量结果可知，单方用水量不变情况下，随着机制砂中石粉含量增加，混凝土达到同等落度或扩展度所需的减水剂用量随之增加；石粉含量7.5%、10%的机制砂混凝土配比的减水剂用量较石粉含量3%的配比分别提高0.10%、0.15%，其中石粉含量7.5%的机制砂混凝土和易性最优，而石粉含量10%时混凝土拌和物黏滞性较大，扩散较慢，不利于混凝土的泵送和振捣排气。石粉对机制砂混凝土工作性能的影响主要有以下几方面。
（1）机制砂颗粒表面较为粗糙，棱角性较强，石粉代机制砂后，可以增加混凝土中的浆体含量，有利于减少混凝土拌和物流动时机制砂颗粒之间的摩阻力并改善机制砂混凝土的和易性，起到润滑作用。
（2）石粉的比表面积远大于机制砂颗粒，包裹等质量的石粉颗粒所需用水量较机制砂颗粒多，混凝土体系中水粉比（水的质量与水泥、矿渣粉和石粉质量之和的比值）的降低，导致浆体黏度随之提高，从而使混凝土黏聚性增强，表现为增黏效应。另外，片麻岩石粉中存在的云母和绿泥石等层状铝硅酸盐矿物对减水剂具有一定的吸附作用，随着石粉含量的增加，对减水剂的吸附量也在增大[16]。试验结果显示，片麻岩机制砂石粉的增黏和吸附效应大于其润滑作用，在用水量不变情况下，需要更多的外加剂满足工作性能要求。
2.2石粉含量对混凝土力学性能的影响
图4展示了不同石粉含量机制砂混凝土的力学性能。由图4可知，随着石粉含量的增加，混凝土抗压、劈拉强度和弹性模量均呈逐步增加趋势，且增长速率在石粉含量低于7.5%时较快，石粉含量超过7.5%后减缓。与机制砂石粉含量3%的配比相比，石粉含量10%配比的机制砂混凝土28d龄期抗压强度、劈拉强度和弹性模量分别增加10%、13.5%和5.1%。从受石粉影响程度来看，劈裂抗拉强度最大，其次是抗压强度，最小的是弹性模量。
机制砂石粉含量对混凝土强度存在正负两方面的影响：（1）石粉的微集料填充效应有助于填补混凝土中砂颗粒间隙，减少混凝土毛细孔隙，使混凝土结构更为密实，从而增加其强度，这是石粉的正作用；（2）石粉含量增加引起机制砂中的中粗砂粒减少而损害砂石骨料的紧密堆积，并削弱中粗砂粒的骨架作用，当石粉含量过量后界面过渡区内还可能出现游离态石粉，这将不利于骨料和水泥石的黏结，这是石粉的负作用。
在相同配合比参数下，石粉含量对混凝土弹性模量的影响主要取决于两方面：（1)石粉对混凝土的增强作用有助于提高其弹性模量；(2)石粉含量增加使得机制砂混凝土浆体体积增大，提高了浆骨体积比，降低混凝土的弹性模量。本试验中，当石粉含量在10%以内变化时，混凝土强度和弹性模量随石粉含量的增加而提升，说明机制砂中10%以内的石粉对混凝土强度和刚度的正作用大于负作用。
2.3石粉含量对混凝土干缩的影响
由图5不同石粉含量的机制砂混凝土干缩性能结果可以看出，机制砂石粉含量对混凝土干缩有一定的影响，且随干缩龄期不同而呈现不同的规律。机制砂混凝土在1～3d的干缩率随石粉含量的增加而逐渐增大，在7d龄期及以后的干缩率则随着石粉含量增加呈现先增而后减的趋势，当石粉含量为7.5%时，该组混凝土后期干缩最大，其120d龄期干缩率为501×10-6，较石粉含量3%机制砂混凝土的干缩率提高4.4%，但最大与最小干缩率差别并不大，说明不同石粉含量机制砂混凝土最终干缩的差别不甚明显。
石粉影响混凝土的干缩率主要取决于两方面：（1)石粉增加混凝土的浆体体积，降低了浆骨体积比，从而增大混凝土的收缩值，这是石粉对干缩的负作用；（2)石粉微集料效应能填充混凝土中的孔隙，增加混凝土结构的密实度，使得混凝土内部孔结构细化，在一定程度上抑制混凝土的收缩，这是正作用。当石粉对混凝土的收缩负作用大于正作用时，混凝土的干缩率增大，反之减小。因此，对于机制砂混凝土而言，其收缩值随石粉含量变化存在一个最大值，本试验取值为7.5%。
2.4石粉含量对机制砂混凝土耐久性能的影响
电通量是评价混凝土抵抗水和离子等介质向内渗透能力的重要指标。由图6电通量试验结果可以看出：（1）随养护龄期延长，四组不同石粉含量机制砂混凝土电通量得到改善，56d龄期电通量值较28d降低10.5%～13.6%；（2）随着石粉含量的增加，混凝土的电通量不断降低，石粉含量10%较石粉含量3%的混凝土56d电通量降低15%。上述10%以内的石粉能改善机制砂混凝土的抗氯离子渗透性，主要原因在于石粉的“微集料填充效应”有助于提高混凝土的密实度，阻塞氯离子扩散通道，使其电通量降低，抗氯离子渗透能力增强。另外，石粉含量7.5%、10%的混凝土28d电通量均小于1000C，抗氯离子渗透耐久性达到“好级”（Q-IV级）。
图7是石粉含量对机制砂混凝土抗冻性能影响结果。可以看出，冻融循环300次后，四组机制砂混凝土的相对动弹性模量还维持在90.6%～92%的高值，即抗冻耐久性指数（DF）超过90%，说明该片麻岩机制砂配制的C50混凝土具有优异的抗冻性，能服役于严寒环境和高度饱水环境。这主要是因为C50混凝土本身具有较低的水胶比，硬化混凝土毛细孔数量少且孔径小，密实性很高，难以形成饱水状态，且片麻岩机制砂石骨料品质高、自身抗冰胀能力强，因此混凝土的抗冻性很高。另外，随着石粉含量增大，机制砂混凝土经受相同次数冻融作用后的相对动弹性模量总体呈微升趋势，但不同石粉含量的混凝土相互间的差别很小，说明机制砂中含3%～10%的石粉量对C50混凝土抗冻性的影响基本可以忽略不计。
3结论
(1)片麻岩机制砂石粉含量在3%～10%区间变化时，随着石粉含量的增大，C50混凝土达到同等工作性能所需的减水剂用量随之增加，抗压强度、劈拉强度和弹性模量逐渐增大。
(2)片麻岩机制砂石粉含量对混凝土的干缩影响较为复杂，早期干缩随石粉含量增大而增大，后期干缩随石粉含量增加呈先增后降趋势，在石粉含量为7.5%时后期干缩最大，但不同石粉含量的机制砂混凝土的最终干缩值差别并不明显。
（3）随着片麻岩机制砂石粉含量增大，C50混凝土电通量逐步降低，抗氯离子渗透性增强，石粉含量7.5%和10%的两组混凝土抗氯离子渗透性能达到“好级”；片麻岩机制砂石粉含量对C50混凝土抗冻性影响不大，四组石粉含量介于3%～10%的机制砂混凝土经300次冻融循环后的抗冻耐久性指数均超过90%，抗冻性优异。
综合考量片麻岩机制砂石粉含量对混凝土工作性、力学性能和耐久性的影响，配制C50混凝土用机制砂石粉含量宜为5%～7.5%。（来源：《江西建材》2024.06）返回搜狐，查看更多
责任编辑：