在混凝土材料當(dāng)中，砂石料又稱“骨料”，是混凝土不可缺少的材料。一直以來，砂石料被譽為建材的“大米”，足以體現(xiàn)砂石對混凝土材料的重要性。近兩年，隨著環(huán)保工作的深入治理，天然砂石資源越來越有限，一石難求，出現(xiàn)了供不應(yīng)求的現(xiàn)象，多地砂石告急。
砂石骨料在混凝土中占據(jù)了70%~80%的比例，骨料品質(zhì)的好壞在很大程度上決定著混凝土的品質(zhì)和工程質(zhì)量的好壞。天然砂石供不應(yīng)求，因此，機制砂開始被越來越多地推廣應(yīng)用。機制砂在生產(chǎn)制造過程中不可避免會產(chǎn)生一定量的石粉，而石粉對機制砂混凝土性能的影響需要通過實驗得以分析與驗證。
下文作者研究了7種石粉含量對泵送機制砂混凝土拉、壓強度的影響，并借助SEM和XRD等測試分析技術(shù)從原材料和不同石粉摻量混凝土微細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征入手，探究了石粉對混凝土強度的影響機理。分析得出，在含量適當(dāng)范圍內(nèi)，石粉具有填充、形態(tài)、吸水、晶核和活性等效應(yīng)，有利于混凝土強度的增長，且中低強度泵送機制砂混凝土其最佳石粉摻量范圍為22%～25%。
引言
隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求的不斷增加以及對環(huán)境保護(hù)意識的增強，機制砂的使用比例越來越多。機制砂是巖石經(jīng)機械破碎、篩分制成的粒徑小于4.75mm的巖石顆粒，并把其中粒徑小于0.16mm的細(xì)小顆粒或粉末稱為石粉[1]。石粉與河砂中的泥粉不同，泥粉對混凝土各方面性能都會產(chǎn)生不利的影響[2]，而石粉對混凝土各方面的性能卻具有正負(fù)兩方面的影響[3]。一般認(rèn)為，與河砂相比，機制砂級配差、表面特征差，使混凝土拌制耗水量大，導(dǎo)致混凝土性能變差[4]，但實際工程和試驗研究表明機制砂混凝土性能常常優(yōu)于天然砂混凝土，這很大程度上是石粉的作用引起的。
目前，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量有關(guān)機制砂中石粉對混凝土性能影響的研究[2-11]，但這些研究大多停留在宏觀規(guī)律性研究，且其石粉摻量范圍較窄、種類較少，不能很好的從微觀機理上說明石粉含量對混凝土性能的影響規(guī)律。為此，本文以12%～28%范圍內(nèi)共7種石粉含量的機制砂泵送混凝土為研究對象，就石粉含量對機制砂混凝土力學(xué)性能的影響做了進(jìn)一步的探究，并通過微觀分析揭示了石粉對混凝土力學(xué)性能的影響機理。為機制砂中石粉含量的控制和機制砂混凝土的應(yīng)用提供參考依據(jù)。
1實驗設(shè)計
1.1原材料
1）機制砂和石粉
實驗所用機制砂為某水電站砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)的人工常態(tài)砂，細(xì)度模數(shù)為3.1屬粗砂，其級配在2區(qū)標(biāo)準(zhǔn)級配中值附近。其主要礦物成分為方解石，且含有一定量的白云石和石英，主要物理性能均滿足DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》所規(guī)定的限值。本文以15%石粉含量的機制砂作為基準(zhǔn)砂，通過人工水洗或添加石粉配置成石粉含量12%，15%，18%，20%，22%，25%，28%共7種試驗所需人工砂。
2）水泥和粉煤灰
實驗所用水泥為同一水電站建設(shè)用水泥（華新P.MH42.5中熱硅酸鹽水泥），其物理力學(xué)性能測試結(jié)果滿足GB200-2003《中熱、低熱、低熱礦渣硅酸水泥》的要求。實驗所用粉煤灰采用曲靖F類Ⅰ級粉煤灰，其性能測試和化學(xué)成分分析結(jié)果滿足DL/T 5055-2007《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》的要求。
3）其他原材料
實驗所用粗骨料為同一水電站砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)的粗骨料，二級配，最大骨料粒徑40mm；減水劑采用江蘇蘇博特PCA-1緩凝型聚羧酸高性能減水劑；引氣劑為江蘇蘇博特GYQ(Ⅰ)引氣劑；水為自來水。
1.2 試驗方法
不同石粉含量混凝土配合比依據(jù)DL/T5330-2005《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》進(jìn)行試拌、調(diào)配。考慮工程泵送要求，混凝土配合比設(shè)計原則為控制坍落度在160mm～180mm范圍內(nèi)，保證水膠比、粉煤灰摻量、砂率、減水劑摻量、引氣劑摻量不變，詳見表1。
２.結(jié)果分析
2.1石粉含量對混凝土強度的影響
試驗得到C20和C30混凝土各齡期立方體抗壓強度與石粉含量的關(guān)系，如圖1，可見
可見，石粉能在混凝土中發(fā)揮很好的填充效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和吸水效應(yīng)，使得混凝土強度提高，當(dāng)然過量的石粉摻量會改變混凝土集料的級配，降低膠凝材料比例等，將對其強度產(chǎn)生不利影響[13]。
此外，有研究表明，石粉在水泥水化析晶的過程中可作為成核晶體，降低成核位壘，從而加速水化晶體的析出，促進(jìn)水泥的水化[14]；而且本文所用石粉的主要成分為CaCO3，其并不是完全惰性的，可能參與C3A的水化反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣，促進(jìn)水泥的水化[14-18]。為充分驗證石粉是否具有活性效應(yīng)和晶核效應(yīng)，進(jìn)一步對不同配比機制砂混凝土進(jìn)行了微觀測試分析。
3.2混凝土微觀性能分析
對不同設(shè)計強度、齡期及石粉摻量的機制砂混凝土進(jìn)行形貌測試，SEM測試結(jié)果如圖8～11，可見：
（1）同批混凝土，隨齡期增長，7d、28d、90d混凝土的孔隙逐漸減少，而固體材料的孔隙率與強度存在基本的反比關(guān)系[20]，這充分揭示了前文混凝土強度隨齡期的增長而增加的必然性。水泥水化程度直接影響孔隙率，而宏觀力學(xué)性能測試也表明28d后混凝土強度仍有較大的增長，表明水化反應(yīng)歷程較長，這除與本文采用的中熱硅酸鹽水泥有關(guān)外，可能與粉煤灰和石粉的摻入也有關(guān)；
（2）28d前粉煤灰圓球狀形貌保持完好，大面積未反應(yīng)，至90d齡期后才明顯減少。這表明28d齡期內(nèi)粉煤灰與Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)并不充分，但在7d和28d的SEM圖中并未發(fā)現(xiàn)大量的Ca(OH)2晶體，據(jù)此推測應(yīng)是石粉參與了水化反應(yīng)消耗了部分Ca(OH)2；
（3）隨齡期增加，石屑顆粒表面水化產(chǎn)物聚多，與周圍粘結(jié)漸趨緊密，到90d時邊界已模糊不清，這說明石粉顆粒有一定的晶核促進(jìn)效應(yīng)，而且石粉在混凝土內(nèi)分布較均勻，使水泥水化產(chǎn)物的分布更趨均勻，有利于減小混凝土內(nèi)部的孔隙率和應(yīng)力集中；
（4）同齡期混凝土，石粉含量20%的混凝土均比15%的密實，這除與石粉填充效應(yīng)的增強有關(guān)外，也與其晶核促進(jìn)效應(yīng)和水化活性效應(yīng)相關(guān)。
已有研究表明CaCO3微粒對鋁酸鹽礦物都具有水化活性作用，其水化反應(yīng)產(chǎn)物為三碳型水化碳鋁酸鈣和單碳型水化碳鋁酸鈣，水化碳鋁酸鈣的形成對水泥強度的發(fā)展有促進(jìn)作用[14-15]。為此采用XRD對不同石粉含量、不同齡期混凝土的水化產(chǎn)物進(jìn)行了測試，如圖12，結(jié)果表明，石粉含量及水化齡期對其水化產(chǎn)物類型影響不明顯，各配比混凝土中水化產(chǎn)物主要為Ca(OH)2、AFt、C3S，CaCO3、CaMg(CO3)2及SiO2（骨料中原有成分）等，但均未發(fā)現(xiàn)碳鋁酸鹽產(chǎn)物，分析其原因，一方面碳鋁酸鹽本身生成量較少，很難得到明顯的衍射峰值；另一方面碳鋁酸鹽化學(xué)成分復(fù)雜，本身并不穩(wěn)定，會發(fā)生二次反應(yīng)，所以不易得到衍射峰值[18]。
綜上可知，由于石粉顆粒的粒徑、粒形、化學(xué)活性等特點致使其在機制砂混凝土中具有填充、形態(tài)、吸水、晶核甚至活性效應(yīng)，從而使得適量的石粉摻量能有效提高混凝土的抗力性能，當(dāng)然如果摻量過多則會造成膠凝材料過少，機制砂級配不合理等多種不利影響，導(dǎo)致混凝土強度下降，正如試驗結(jié)果顯示當(dāng)石粉摻量大于25%，混凝土強度開始下降。
4 結(jié)語
（1）石粉的微集料填充效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)、吸水效應(yīng)、晶核效應(yīng)和活性效應(yīng)共同作用，使得混凝土的力學(xué)性能在一定范圍內(nèi)得到改善，適量的石粉摻量對機制砂混凝土的力學(xué)性能有很大的改善，使混凝土強度提高；
（2）隨著齡期的增長，石粉在混凝土中所起的效應(yīng)，特別是晶核效應(yīng)和活性效應(yīng)逐漸發(fā)揮，促使混凝土孔隙逐漸減少，微細(xì)觀結(jié)構(gòu)更為緊密，內(nèi)部受力更為均勻合理；
（3）機制砂泵送混凝土抗壓強度和抗拉強度隨著石粉含量的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。對中低強度機制砂泵送混凝土其強度最佳石粉摻量范圍為22%～25%。
王青，江滿1，徐港1，趙娟1，張斌2
（1.防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點實驗室，三峽大學(xué)宜昌 443002; 2.中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都610081）
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