工程档案：陕西地区高含粉机制砂石粉特性及其工作性能和力学性能研究

  原标题：工程档案：陕西地区高含粉机制砂石粉特性及其工作性能和力学性能研究

  ［摘 要］本试验研究了陕西地区三种不同的高含粉机制砂的石粉特性及其石粉含量对不同配合比混凝土工作性能和力学性能的影响规律。根据结果得出：机制砂中的石粉能有效补充混凝土中的细颗粒含量，增加混凝土的强度，同时石粉的需水量和石粉含量对混凝土的工作性能也具有较大影响。

  近年来，由于过度开采，天然砂资源已经大为减少或接近枯竭，砂资源短缺的问题日渐突出。天然砂资源的短缺使得原料丰富、性能可调、成本低廉的机制砂以其良好的力学性能慢慢的变成为天然砂的合理替代品。但是机制砂石集料由于其生产的基本工艺的限制在生产的全部过程中不可避免的会产生大量粒径小于 75μm 的粉体颗粒[1]。现有研究多通过变化含量研究石粉对混凝土性能的影响，忽视了机制砂中石粉的性能差异，不同特性的石粉势必会对新拌及硬化混凝土的性能产生不同影响[2-3]。受限于西安区域地理特性和各制砂厂的生产水平和制砂设备，各混凝土预拌厂使用的机制砂中所含石粉的矿物成分、细度等均有所差异。基于此，本论文旨在研究陕西地区三种高含粉机制砂石粉自身的特性差异和对混凝土力学性能和工作性能的影响，旨为不同的高含粉机制砂在混凝土中的应用提供指导依据。

  （1）水泥：在本试验中，选用了铜川声威水泥有限公司的 P·O42.5普通硅酸盐水泥，其各项性能需满足国家标准 GB175—2007《通用硅酸盐水泥》。比表面积 350m 2 /kg，物理性能见表 1。

  （2）聚羧酸减水剂：本试验选用中建西部新材料有限公司生产的聚羧酸系高效减水剂，其各项性能需满足国家标准 JG/T 223—2017《聚羧酸系高性能减水剂》，主要性能指标见表 2。

  （3）粉煤灰：在本试验选取了铜川华能电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，其性能满足国家标准GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，具体指标见表3。

  由级配分布可知：三种机制砂中冀东机制砂属于Ⅱ区中砂，底粉筛余 12.4%，石粉含量适中；陕煤机制砂中 2.36mm 筛网累计筛余量大于 35%，属于过粗砂，配制混凝土时要注意调整配合比；汇金机制砂中 0.3mm 筛网累计筛余量小于 55%，大颗粒部分属于Ⅱ区中砂，但其超细砂与石粉含量较高。

  重复两次测试，三种机制砂试验后的平均质量分别为：420.80g（冀东机制砂）、421.09g（陕煤机制砂）、369.59g（汇金机制砂）。

  三种机制砂的 MB 值陕煤机制砂＞冀东机制砂＞汇金机制砂，说明陕煤机制砂中泥粉含量大于其他两种机制砂。

  陕煤、冀东和汇金机制砂石粉的 X 衍射图谱如图 1～3 所示。由图可知，陕煤石屑石粉的主要矿物是白云石；而冀东石屑石粉的主要矿物是碳酸钙，矿物组成单一，为常见的钙质岩石基石粉，且石粉组成较纯净，仅含有少量的杂质；汇金石屑石粉的主要成分为二氧化硅和三氧化二铁，其属性可能为花岗岩的一种，汇金机制砂石粉的组分见表 7。

  对中建西部建设北方有限公司秦汉厂目前所采用的粉料的粒径采取了激光粒度分析仪做多元化的分析，并对三种石粉的粒径采取了激光粒度分析仪做多元化的分析，试验结果见表 8。

  由表 8 可知，陕煤石粉、冀东石粉、汇金石粉三种石粉的粒径分布范围为 14～75μm，粉煤灰、矿粉、水泥三种粉料粒径的分布范围为 13～77μm，其中 D25、D50、D75、D90 每个阶段粒径的分布范围也具有相似性。由此初步证明冀东石粉、陕煤石粉和汇金石粉有替代胶凝材料的可能性，在混凝土配合比中有很一部分替代粉料作为填充料使用。

  3 种石粉经 45μm 水泥负压筛析仪筛析后，筛余量分别为冀东机制砂石粉（1.05g）、陕煤机制砂石粉（2.52g）、汇金机制砂石粉（3.29g）。石粉的筛余百分数按式 (3) 计算：

  分别计算 3 种机制砂石粉的筛余百分数，计算结果精确至 0.1%，结果如表 9 所示。由表 9 可知，冀东石粉在通过 45μm 水泥负压筛析仪筛析后筛余量最少，筛余百分数最小。三种机制砂石粉的细度冀东石粉＜陕煤石粉＜汇金石粉。

  图 4～6 为三种不一样的种类石粉的扫描电子显微镜照片，其中 (a) 为放大 1000倍，(b) 为放大 2000 倍，(c) 为放大 5000 倍。由图 4(c) 可知，冀东石屑石粉表面十分光滑，平整度高，但有轻微的层理结构，由图 4(a)～(c) 可知，冀东石屑石粉颗粒粒径整体分布均匀，粒型圆润、少棱角；由图 5(c) 可知，陕煤石屑石粉颗粒小坑洼较多，表面有明显的层片状结构，但整体较平整，由图 5(a)～(c) 可知陕煤石屑石粉颗粒粒径相差较大，棱角性较高，并含有一定的层片状颗粒，存在棱角性较高的大颗粒；由图 6(c) 可知，汇金石屑石粉颗粒表面十分光滑、密实，无显著的坑洼，平整度高，由图 6(a)～(c) 可知，汇金石屑石粉颗粒棱角显而易见，整体粒径分布均匀。

  参照 GB/T 1594—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，石粉的需水量比按式(4) 计算，结果保留至 1%。

  m——试验胶砂流动度达到对比胶砂流动度（L 0 ）的±2mm 时的加水量，g；

  将试验所得的三组试验胶砂的需水量带入式 (4)，试验胶砂与对比胶砂的需水量比如表 10 所示。

  试验结果验证了生产中真实的情况，冀东机制砂因石粉细度最细，需水量最小，实际拌制混凝土时，相同坍落度情况下减水剂使用最少。三种机制砂石粉的需水量比为冀东石粉＜陕煤石粉＜汇金石粉，与石粉的细度完全正相关。

  将 3 种石屑分别通过振筛机进行筛分，取筛余后石粉，石粉细度小于 0.075。细粉的活性分别通过活性指数指标作对比评价，参照 GB/T 1596—2017《用于水泥混凝土中的粉煤灰》进行测试。

  先按 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检测验证的方法（ISO 法）》测试对比胶砂的 28 天抗压强度，以二者之比确定石粉的强度活性指数，为了对比与粉煤灰活性指数之比，能否取代粉煤灰，本实验同时也做了粉煤灰胶砂试块。

  将试验样品，对比水泥和被检验石粉按质量比 7:3 混合，胶砂配合比按表 11 进行。

  将对比胶砂和试验胶砂分别按国标GB/T 17671—1999规定，采用行星式胶砂搅拌机进行搅拌，振实成型，放入恒温恒湿养护箱进行养护。养护至28天，按国标GB/T 17671—1999规定分别测定对比胶砂和石粉（粉煤灰）试验胶砂的抗压强度。

  由表 13 可知，冀东、陕煤、汇金三种石粉的强度活性指数与粉煤灰相近。均有着良好的活性取代效果。

  为探究高含粉机制砂对不同强度混凝土的工作性能和力学性能的影响，本试验将三种机制砂分别配制强度为 C30、C40、C50 三种强度的混凝土立方体试块，试验中将水洗机制砂与高含粉机制砂进行复配使用，水洗机制砂石粉含量为 3.0%。C30 混凝土砂总含粉量分别为 13.3%、13.3%、21.6%；C40 混凝土砂总含粉量分别为 11.5%、12.0%、18.4%；C50 混凝土砂总含粉量分别为 9.4%、10.1%、14.6%。试验室配合比如表 14 所示。

  冀东机制砂和陕煤机制砂虽然含粉量相同，但陕煤机制砂中含泥粉较多，并且配制过程中，由于陕煤机制砂级配中大颗粒较多，配制过程中和易性始终较差，通过增大砂率、减少粗骨料用量才可以做到良好的和易性，满足施工要求。汇金机制砂含粉量远大于冀东和陕煤机制砂，配制混凝土的过程中通过持续不断的增加减水剂的用量最终达到了相接近的工作性。

  为了探索不同机制砂对不同强度混凝土工作性能的影响，本试验按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能测试方法标准》测试混凝土坍落度、扩展度及其工作性能。三种机制砂分别配制 C30、C40、C50 三个强度的混凝土，其工作性结果如表 15 所示。

  因在实际混凝土生产中，无论选用哪种机制砂配制混凝土，其出机坍落度一定要符合要求，所以本试验为了尽可能地贴近生产，通过调整减水剂的量来控制混凝土的和易性，达到相同的工作性能时，减水剂用量反映了高含粉机制砂混凝土的工作性能。减水剂的用量变化如图7、表16所示。

  由图7可知，所配制的混凝土要达到相同工作性能时，保持水胶比一致，减水剂用量大小顺序为：汇金＞陕煤＞冀东，是因为三种机制砂石粉的需水性比汇金机制砂石粉＞陕煤机制砂石粉＞冀东机制砂石粉。由于汇金机制砂石粉含量远大于陕煤和冀东机制砂中石粉含量，所以汇金机制砂配制混凝土时减水剂用量增大得更明显。汇金机制砂石粉含量高，石粉的粒径比较均匀，拌制的混凝土粘聚性比较强，且机制砂中过多石粉会吸收较多的水分，使浆体变得粘稠，降低了混凝土的泌水率，两小时后混凝土坍落度损失小。

  将制作的混凝土立方体试块按标准养护，到规定龄期后，测其 7d、28d 抗住压力的强度。

  （1）3 种高含粉机制砂配制的 C30、C40、C50 机制砂混凝土的 7d、28d 抗压强度发展见表 17、图 8。

  由图 8 可知，汇金机制砂所配制的 C30、C40、C50 混凝土 7d 和 28d 强度都明显高于其他两种机制砂。在配制不同强度的混凝土时，汇金机制砂中较多的石粉能有效补充混凝土的细颗粒含量，增加混凝土浆体。且石粉的填充作用能弥补机制砂表面粗糙、不够圆滑的缺陷，提高混凝土的密实度，细化孔结构，增加毛细孔的曲折程度，因此不同强度的汇金机制砂混凝土的 7d 和 28d 强度最高。冀东机制砂中所含石粉含量最少，其 7d 强度最低，但由于其所含石粉的细度最细，潜在胶凝活性较强，所以 28d 强度高于陕煤机制砂混凝土，且冀东机制砂混凝土强度发展最快[4]。陕煤机制砂混凝土虽然可通过提高减水剂用量缓解高 MB 值机制砂细粉对混凝土工作性的负面影响[5]，但无法消除高 MB 值细粉对抗压强度的劣化作用[6]。故陕煤机制砂混凝土强度增长最慢。

  本试验围绕高含粉机制砂特性及对混凝土的性能影响展开试验，分别进行了 C30、C40、C50 三个强度等级的混凝土配比试验，得出了如下结论：

  （1）机制砂中的石粉有着良好的活性，细度越细，其活性越高，可替代部分混凝土矿物掺合料使用。

  （2）机制砂中石粉的需水量比和石粉含量对混凝土工作性影响较大。含粉量一定的情况下，MB 值越大，混凝土拌合物达到相同坍落度所用的减水剂越多。

  （3）机制砂中的超细砂和石粉含量与配制混凝土的保水性和粘聚性呈正相关，超细砂与石粉越多，混凝土越不容易发生离析和泌水，能够在较长时间内保持良好的工作性。

  （4）混凝土中大量的石粉能有效补充混凝土的细颗粒含量，增加混凝土浆体，石粉的填充作用能弥补机制砂表面粗糙、不够圆滑的缺陷。级配良好且含有较多石粉的机制砂适宜配制高强混凝土。

  （5）高 MB 值的机制砂细粉，配制混凝土过程中虽能通过增大减水剂的用量调节混凝土的和易性，但无法消除高 MB 值细粉对抗压强度的劣化作用。其后期强度发展明显低于低 MB 值机制砂所配制的同等级混凝土。

  [1] 余泽文，袁飞飞，周孝军，等．机制砂石粉含量对混凝土性能影响研究[J]．四川建筑，2021,41(04): 214-216．

  [2] 袁晓庭．机制砂石粉含量对混凝土性能的影响分析[J]．工程机械与维修，2021(03): 182-184．

  [3] 汤明，杨松，郭加付，等．考虑石粉对流变性影响的自密实混凝土配合比设计[J/OL]．建筑材料学报：1-12[2021-03- 05]．

  [4] 万里．石灰岩机制砂石粉含量对C50混凝土性能的影响[J]．福建建材，2021(05): 10-12．

  [5] 秦丹，孟祥杰，吴建华，等．不同黏土矿物种类和含量的泥粉对亚甲蓝值的影响[J/OL]．硅酸盐学报：1-6[2021-03- 05]．

  [6] 徐志华，邓俊双．机制砂中细粉 MB 值对混凝土性能影响规律的研究[J]．武汉理工大学学报，2021,27(5): 17-31．