混凝土是人類最大宗的建筑結構材料，砂作為混凝土主要原材料之一，包括天然砂和機制砂，而以河砂為主的天然砂越來越無法滿足日益增長的混凝土用量的需求，尤其在我國西南地區。同時，因過量的開采天然砂源，對自然環境所造成的壓力也日益增加，使用機制砂替代河砂在國內外已成為混凝土行業可持續發展的一種趨勢[1~4]。
成都地區受自然資源的限制，房建混凝土中所使用的砂幾乎全部為機制砂，市場需求量大，供不應求，加上生產工藝落后，質量相對較差，主要體現在：級配差，兩頭大中間??；粒形差，針片狀顆粒多；且石粉含量高，普遍在8%以上。在機制砂使用中，需要進行大量的研究試驗，積累經驗，為混凝土質量控制提供強有力的技術支撐。
本文以C30、C40、C50、C60四個強度等級的混凝土為對象，研究不同石粉含量對各強度等級混凝土的減水劑摻量、坍落擴展度及損失、抗壓強度的影響，為成都地區機制砂的應用提供參考依據。
1原材料及試驗方法
1.1 原材料
(1)水泥：選用P.O42.5R，各項性能符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）標準的技術要求。
表1 水泥技術指標
(2) 粉煤灰：Ⅰ級粉煤灰，細度8.5%，燒失量1.3%，需水量比92%。
(3) 機制砂：細度模數2.8~3.0，MB值1.0，石粉含量根據需要進行配制。
(4) 碎石：5～31.5mm連續級配卵碎石。
(5) 減水劑：聚羧酸高性能減水劑，固含量11.05%，減水率22.3%。
1.2 試驗方法
根據實際生產所使用的機制砂石粉含量情況（5~15%），確定0、5%、10%、15%四個石粉含量等級，進行對比試驗。機制砂經過嚴格篩分，根據石粉含量等級，由“不含石粉的機制砂”和“石粉”人工配制而成。
為了保證試驗的代表性和指導性，選取C30、C40、C50、C60四個強度等級的配合比進行試驗研究，分析不同石粉含量對各強度等級混凝土的減水劑摻量、坍落擴展度及損失、抗壓強度的影響。
表2 各強度等級混凝土配合比(kg/m3)
2 試驗結果與分析
2.1 對混凝土工作性能的影響
主要研究了機制砂石粉含量對混凝土減水劑摻量、初始坍落擴展度、2h坍落擴展度損失三個方面的影響。圖1~4中橫坐標均為C30、C40、C50、C60不同強度等級混凝土中機制砂的石粉含量。
圖1 不同石粉含量機制砂對減水劑摻量的影響
(1) 對減水劑摻量的影響
為保證試驗的對比性，各個等級的混凝土使用同一水膠比，調整減水劑的摻量，保證同強度等級混凝土初始工作性能的一致。
從圖1中可以看出，減水劑摻量隨機制砂石粉含量增加而增加，規律較為明顯。以C30為例，當初始工作性能一致時，石粉含量分別為0、5%、10%、15%時，減水劑摻量依次為1.89%、2.10%、2.43%、2.88%，這是由于等質量的石粉與機制砂相比，比表面積要大，且吸水性強，因此需水量更大，而如果要保持水膠比和用水量不變，工作性能一致，則需要提高減水劑摻量。
(2) 對混凝土初始及2h坍落擴展度的影響
從圖2中可以看出，在保持水膠比、減水劑的摻量和用水量不變的情況下，隨著機制砂石粉含量的增加，混凝土的初始擴展度呈先增后降趨勢，曲線均存在一個拐點，即存在最佳石粉含量，C30~C60的拐點值依次為：9.5%、10%、6%、5%，總體趨勢為隨著強度等級的增加，最佳石粉含量值逐漸降低。從圖3中可以看出，機制砂中石粉含量的增大會加快混凝土工作性的損失，且隨著強度等級的增大，加快損失的效果越明顯。
機制砂中石粉含量的大小對混凝土的初始工作性及損失均存在影響，影響大小隨之強度等級的不同而不同。在試驗過程中發現，機制砂中適量的石粉含量對混凝土的初始工作性有一定的改善作用，體現為混凝土的包裹性更好，粘聚性增大，因此也更加穩定性，離析泌水現象得到改善。這是由于石粉是一種惰性摻和料，具有一定的吸水性，粒徑介于膠凝材料與細骨料之間，增大固體表面積對水體積的比例，從而減少了泌水和離析，漿體更柔和，改善了顆粒搭配，使混凝土密實性也更好。
圖2 不同石粉含量機制砂對初始擴展度的影響
圖3 不同石粉含量機制砂對2h擴展度的影響
石粉對于混凝土密實性的改善有限度，中低強度等級混凝土中膠凝材料較少，密實性差，因此需要石粉填充的空間多，最佳含量較高，但高強度等級混凝土中本身膠凝材料用量大，密實性要好得多，石粉的填充改善作用就顯得有限，因此，最佳含量要低。所以，石粉含量對混凝土和易性的影響有個限度，超過了這個限度，隨著石粉含量的增加，混凝土用水量增加，拌和物顯得干稠，多余的石粉同時具有增大比表面積、吸水的效果，工作性能損失也會隨之加快。
2.2 對抗壓強度的影響
從圖4中可以看出，各強度等級曲線變化具有相同的規律，即隨著機制砂中石粉含量的提高，強度比（強度比是指含石粉機制砂配制的混凝土28d抗壓強度與不含石粉機制砂配制的混凝土28d抗壓強度之比）呈先增后減趨勢，存在“最佳值”?；诒驹囼灥脑牧虾团浜媳?，配制C30、C40、C50、C60混凝土，機制砂石粉含量最佳值分別為6.0%、5.5%、4.3%、2.2%。
圖4 不同石粉含量機制砂對混凝土28d抗壓強度的影響
圖5 機制砂石粉含量最佳值及上限
備注：最佳值——強度最高時的石粉含量，上限——超過該值后會低于石粉含量為0時混凝土的28d強度。
機制砂石粉含量超過了最佳點，強度會隨著石粉含量的繼續升高而下降，因此，存在不降低強度（強度比≥1）的最大石粉含量值，我們稱之為“上限”，即圖4中三條實線與虛線的交點。C30、C40、C50、C60上限值分別為11.0%、10.1%、6.8%、6.5%。
根據各強度等級機制砂石粉含量的最佳值和上限繪制了“強度等級——石粉含量”曲線圖，并對曲線進行了擬合，見圖5。
以強度為考察指標的擬合公式如下：機制砂石粉含量最佳值：y=-0.0013x+0.1017，R2=0.9252；機制砂石粉含量上限：y=-0.0027x+0.1988，R2=0.9569。R2均大于0.9，相關性較好。
機制砂石粉含量對混凝土強度的影響存在最佳值及上限的機理為[5~6]：
(1) 填充效應：石粉粒徑介于膠凝材料與集料之間，摻入到混凝土中可以改善固體顆粒級配，填充到混凝土中的孔隙，使混凝土的孔隙率減小，同時增加界面過渡區的密度，使界面過渡區的強度增大。
(2) 吸水效應：石粉的具有一定的吸水性，使得混凝土的實際水灰比略小于同配比不含石粉的混凝土，同時使混凝土的保水性增強，泌水率減小，減少了自由水在界面上聚集，因而有利于漿-集料界面的改善。
(3) 形態效應：石粉的粒形與機制砂類似，帶有尖銳棱角，表面粗糙，不但使得集料與漿體的咬合力得到增強，而且有利于漿-集料界面的改善。
(4) 晶核效應：在水化反應早期，石粉充當了Ca(OH)2結晶的晶核，促進了熟料中硅酸鹽的水化, 并避免了晶體的集中生長。
(5) 活性效應：是指石粉中少量的CaCO3會與水泥中的C3A反應生成碳鋁酸鹽。同時，改善了石粉顆粒的表面狀態，有利于石粉顆粒與水化產物間粘結強度的提高。
機制砂中的石粉含量在一定范圍內能夠對強度產生積極作用，但是當石粉含量超過一定的限值時，就會對混凝土造成負面影響，這是由于過多的石粉含量會造成混凝土體系中的粉體材料過多，很大一部分石粉并不能發揮它的填充作用和微集料效應，大多數石粉不能發生水化反應，一些石粉就會堆積在混凝土體系中，破壞混凝土的緊密堆積結構，使得混凝土的強度降低[5~6]。
綜述所述可以得出以下結論：
(1) 根據試驗結果分析，機制砂中石粉含量增加會顯著提高混凝土的減水劑摻量，而且會加快工作性能的損失，但是機制砂中含適當的石粉會改善混凝土的和易性。
(2) 隨著機制砂中石粉含量的增加，混凝土的抗壓強度呈先增后減的趨勢，存在最佳石粉含量，且該規律在中低強度等級混凝土中表現得較高強度等級明顯。
(3) 機制砂中石粉含量對混凝土的減水劑摻量、工作性損失、抗壓強度存在不同程度的正面、負面影響，生產過程中，應根據對比試驗，選擇合理的機制砂石粉含量范圍，以達到綜合性能較優的效果。
（中建商品混凝土成都有限公司）
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編輯：金哲
