吳爭兵，李建強

（運城市水利工程建設(shè)局有限公司，山西 運城 044000）

混凝土具有可塑性良好、抗壓強度高、耐久性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于水利工程建設(shè)中。砂作為混凝土中的細(xì)骨料，用量非常大?；炷僚渲浦屑?xì)骨料（砂）主要來源是天然砂和機制砂，隨著生態(tài)環(huán)境保護的不斷加強，機制砂在水工混凝土中的應(yīng)用將會不斷增加。機制砂在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一定量的石粉，石粉含量是機制砂區(qū)別于天然砂的顯著質(zhì)量指標(biāo)，在實際生產(chǎn)過程中，基于生產(chǎn)工藝因素，機制砂的石粉含量變化范圍也比較大（一般在5%～22%），并且不同石粉含量的機制砂配制成的混凝土性能差異也比較明顯[1]。按照C30混凝土的配合比，用不同石粉含量的機制砂進行試拌配制，選擇合理的配合比進行C30混凝土試塊拌和，通過對7d和28d混凝土試塊進行各項性能指標(biāo)檢測，并對結(jié)果進行分析研究，得出不同石粉含量機制砂對水工C30混凝土性能的影響，為機制砂水工混凝土在水利工程建設(shè)中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗概況

為了分析不同石粉含量對水工混凝土的水膠比、抗壓強度、軸心抗拉、劈裂拉伸強度、極限拉伸強度及干縮性等性能的影響，結(jié)合山西省運城市地方材料的實際情況，在運城市潤海工程檢測有限公司混凝土性能檢測實驗室，對不同石粉含量（8.9%、14.2%、20.5%）機制砂制成的水工混凝土進行了立方體試塊配制、養(yǎng)護，每組試塊的數(shù)量、尺寸（150mm×150mm×150mm）、養(yǎng)護時間均符合相關(guān)規(guī)范要求。對不同石粉含量的混凝土試塊進行了抗壓強度試驗、彈性模量試驗、劈裂抗拉強度試驗、軸向拉伸試驗、干縮試驗、抗?jié)B性試驗、抗凍性試驗、抗氯離子滲透性試驗。試驗過程嚴(yán)格按照《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL/T352-2020）及《水工混凝土施工規(guī)范》（SL677-2014）規(guī)范進行。

1.2 原材料參數(shù)

（1）細(xì)骨料。試驗所用機制砂（細(xì)骨料）采用山西省運城市三路里鎮(zhèn)生產(chǎn)的人工砂Ⅱ區(qū)級配砂，細(xì)度模數(shù)為3.0～2.3，經(jīng)人工調(diào)配，制成石粉含量為6%～12%（9%左右）、12%～18%（15%左右）及18%～22%（20%左右）三種不同石粉含量的細(xì)骨料，檢測機制砂主要性能指標(biāo)見表1。

表1 機制砂（細(xì)骨料）主要性能指標(biāo)

由于在市場上采購不到水利工程用的20～40mm粗骨料，故粗骨料選用運城市三路里鎮(zhèn)生產(chǎn)的粒徑5～31.5mm的連續(xù)級配石灰?guī)r碎石，檢測其主要性能指標(biāo)見表2。

表2 粗骨料主要性能指標(biāo)

（2）水泥。水泥是混凝土中最重要的組成材料，水泥的選擇直接關(guān)系到混凝土的耐久性和經(jīng)濟性。本次混凝土試塊選用威頓水泥集團有限責(zé)任公司運城分公司生產(chǎn)的P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，經(jīng)過檢驗合格，試驗所用水泥主要性能指標(biāo)見表3。

表3 水泥的主要性能指標(biāo)

（3）外加劑。粉煤灰選用伊敏電廠C類Ⅰ級粉煤灰，并經(jīng)檢測合格，粉煤灰主要性能見表4。外加劑選用中電建產(chǎn)“聚砼”牌聚羧酸高性能減水劑與引氣劑，并經(jīng)檢測合格。水為自來水。

表4 粉煤灰的主要性能指標(biāo)

1.3 配合比試拌方案

為了比對分析不同石粉含量的機制砂，對水工混凝土C30W6F200的抗壓強度、抗?jié)B強度、抗凍強度的影響，在排除其他因素的影響進行混凝土拌和時，將不同石粉含量混凝土拌合物坍落度控制在90～110mm，粉煤灰摻量控制在20%，摻減水劑、引氣劑，將含氣量控制在5.5%±1.0%，抗?jié)B、抗凍均達到標(biāo)準(zhǔn)要求。按絕對體積法計算各組成材料用量，按照水膠比為0.40、0.45、0.50、0.55設(shè)計四組試驗，每組進行抗壓強度、抗?jié)B強度、抗凍強度3個指標(biāo)測試。

1.4 配合比選擇

根據(jù)表5列的參數(shù)進行試驗試配，得出不同石粉含量條件下的石灰石機制砂水工混凝土7d和28d抗壓強度與水膠比關(guān)系見圖1。

圖1 不同石粉含量下的混凝土抗壓強度與水膠比的關(guān)系

在分析試配試驗成果的基礎(chǔ)上，選擇出的不同石粉含量C30W6F200混凝土配合比見表5。

表5 C30W6F200混凝土配合比表

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 石粉含量對水工混凝土抗壓強度和軸心抗拉強度的影響

圖2為不同水膠比條件下石粉含量對石灰石機制砂水工混凝土28d抗壓強度的影響。由圖中可看出，（1）對于不同水膠比的機制砂水工混凝土，隨石粉含量的增加，立方體混凝土抗壓強度均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢；當(dāng)石粉含量約為14.2%時，混凝土抗壓強度達到最大值。其主要原因是由于石粉粒徑≤0.075mm，可以對水工混凝土骨料間的空隙起到有效的填充作用，從而完善細(xì)骨料的級配，提高混凝土的密實性[2]；同時因為石粉的粒徑較小，會在混凝土泥漿內(nèi)產(chǎn)生微集料效應(yīng)，使得其結(jié)構(gòu)變?yōu)闈{—集料界面結(jié)構(gòu)，其晶核效應(yīng)會促進水泥的水化過程，從而提高混凝土的強度。雖然適量的石粉含量能夠增加機制砂的比表面積，改善混凝土的和易性，能吸附拌合物中的自由水，減少泌水。但是當(dāng)石粉含量超過一定值后，游離態(tài)的石粉含量增多，在水泥石或界面過渡區(qū)存在過多石粉，將不利于集料與水泥石的粘結(jié)[3]，會降低混凝土的強度。（2）對于同一種石粉含量，混凝土立方體的抗壓強度隨著水膠比的增加而降低。

圖2 不同水膠比條件下石粉含量與石灰石機制砂水工混凝土抗壓強度的關(guān)系

圖3為不同石粉含量對石灰石機制砂水工混凝土軸心抗拉強度的影響。由圖中可以看出，石粉含量在8.9%～14.2%時，混凝土軸心抗拉強度隨著石粉含量的增加而呈增長趨勢；石粉含量在14.2%～20.5%時，混凝土軸心抗拉強度隨著石粉含量的增加，呈降低趨勢。其主要原因是石粉顆粒粒徑較小，比表面積遠(yuǎn)大于機制砂顆粒，漿體的粘滯性會隨石粉含量增多而增加[4]，從而增加混凝土整體的粘聚性，增加水工混凝土軸心抗拉強度。但是當(dāng)石粉含量增加到某一臨界值時，由于游離態(tài)惰性石粉過多，降低凝膠材料的反應(yīng)活性，對混凝土的抗拉強度發(fā)展有限制作用。

圖3 石粉含量與石灰石機制砂水工混凝土軸心抗拉強度的關(guān)系

2.2 石粉含量對水工混凝土劈裂抗拉強度和極限拉伸值的影響

圖4為不同石粉含量對石灰石機制砂C30水工混凝土劈裂抗拉強度的影響。由圖中可知，混凝土劈裂抗拉強度隨著石粉含量的增加而降低。由于超量的石粉并未參與水泥的水化反應(yīng)，只是起到填充作用，而混凝土橫向剪切力在石粉填充部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得混凝土劈裂抗拉強度出現(xiàn)加速降低現(xiàn)象。圖5中石灰石機制砂C30水工混凝土的極限拉伸值隨著石粉含量的增加而降低，石粉含量從8.9%到20.5%，由于應(yīng)力集中導(dǎo)致極限拉伸值呈降低趨勢。

圖4 石粉含量與石灰石機制砂水工混凝土劈裂抗拉強度的關(guān)系

圖5 石粉含量與石灰石機制砂水工混凝土極限拉伸值的關(guān)系

2.3 石粉含量對水工混凝土抗氯離子滲透的影響

圖6為不同石粉含量對石灰石機制砂水工混凝土抗氯離子滲透的影響。由圖中可知，機制砂石粉含量在8%～20%時，石灰石機制砂水工混凝土抗氯離子滲透性隨著石粉含量的增加呈增加趨勢。當(dāng)石粉適量加入時，混凝土的抗氯離子滲透能力增強。抗氯離子滲透性變化主要原因是一定量的石粉能夠?qū)炷凉橇祥g的空隙起到填充作用，使得混凝土結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，混凝土均勻性得以改善。

圖6 石粉含量與石灰石機制砂水工混凝土抗氯離子滲透的關(guān)系

2.4 石粉含量對水工混凝土干縮率的影響

圖7為不同石粉含量對石灰石機制砂水工混凝土干縮率的影響。從圖中可以看出：（1）對于同一齡期的混凝土試塊，石灰石機制砂水工混凝土干縮率隨著石粉含量的增加而增加。混凝土收縮率變化主要原因是石粉比表面積較大，石粉摻入越多，對水泥漿的收縮約束就越小，從而導(dǎo)致混凝土的干縮率變大。（2）對于同一石粉含量條件下，隨著石灰石機制砂水工混凝土齡期延長，石灰石機制砂水工混凝土齡期干縮率增大。

圖7 干縮率與石粉含量的關(guān)系

3 試驗結(jié)論

試驗結(jié)果分析表明，機制砂中石粉含量對石灰石機制砂水工混凝土性能有著明顯的影響：

（1）對于不同水膠比的石灰石機制砂水工混凝土，隨石粉含量的增加，立方體混凝土抗壓強度均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢；當(dāng)石粉含量約為14.2%時，混凝土抗壓強度達到最大值。

（2）石灰石機制砂水工混凝土劈裂抗拉強度和極限拉伸值隨著石粉含量的增加呈降低趨勢。

（3）當(dāng)石粉含量在8.9%～14.2%時，石灰石機制砂混凝土軸心抗拉強度隨著石粉含量的增加而呈增長趨勢；當(dāng)石粉含量在14.2%～20.5%時，混凝土軸心抗拉強度隨著石粉含量的增加，呈降低趨勢。

（4）石灰石機制砂水工混凝土抗氯離子滲透性、干縮性能隨著石粉含量的增加呈增大趨勢。

（5）三種石粉含量配制的石灰石機制砂水工混凝土抗凍、抗?jié)B性能均能滿足要求。

4 結(jié)語

通過對不同石粉含量下石灰石機制砂水工混凝土試塊性能影響的試驗數(shù)據(jù)，分析了石粉含量對石灰石機制砂水工混凝土性能的影響與機理，總結(jié)石粉含量對石灰石機制砂水工混凝土性能影響規(guī)律，為水利工程建設(shè)中提高混凝土質(zhì)量提供了技術(shù)參考，為緩解傳統(tǒng)天然砂不足的供需矛盾、保護自然生態(tài)環(huán)境，更廣泛地推廣好、應(yīng)用好機制砂起到積極的促進意義，具有一定的經(jīng)濟、社會與生態(tài)環(huán)境效益。