0 引言

在混凝土配置中，通常用机制砂代替天然砂，而机制砂中不可避免会产生石粉，建设用砂中规定机制砂含量应低于10％，但机制砂并非是“越干净越好”，机制砂中适量的石粉有助于提升混凝土的性能，因此找出引起混凝土强度破坏时对应的石粉掺加量的临界值，将有利于指导混凝土的生产企业进行过程控制。

1 研究背景

在现行混凝土配制方案中，一般采用机制砂代替天然砂，而机制砂中不可避免会产生石粉，即粒径<75μm的细粉颗粒，建设用砂规范中规定了机制砂含量应不得超过10％。但目前一些研究性试验表明，机制砂并非是“越干净越好”，机制砂中适量的石粉有助于提升混凝土的性能，尤其是在强度方面，只是当含量超过一定的限值后，会导致混凝土的工作性能劣化、强度降低等问题，对强度会产生一定的负面影响，因此找出引起混凝土结构强度破坏所对应的石粉掺加量的临界值，将有利于指导混凝土的生产企业进行过程控制。

纵观目前一些有关机制砂的研究成果，基本上都是从混凝土的角度，定性地分析其对混凝土性能的影响，虽然一部分研究人员也提出来一定应对措施，但基本上是粗线条的、原则性的，缺乏定量分析以及有针对性的措施；同时，也有对混凝土强度进行阐述的，但停留在表面，未深入研究。因此，对机制砂中石粉掺量与混凝土强度之间定量关系的研究具有较强的现实意义。通过研究，提出机制砂中石粉掺量引起混凝土强度破坏的临界值，从而在混凝土的生产过程中找到具体的技术措施，提高混凝土企业的经济效益，进而保证建筑工程质量。

2试验设计

本次实验研究机制砂中石粉掺量对混凝土强度的影响，分别对强度等级为C30、C35、C40三种混凝土进行探究。

(1)在每种强度的混凝土下设置石粉含量的三个梯度：15％、20％、25％，同时设置石粉掺量为0的空白对照组。

(2)按照不同石粉掺量配置150mm×150mm×150mm的标准混凝土试块，不同配比对应的混凝土分别养护3d、7d、28d。

(3)对达到规定龄期的混凝土标准试块进行压力机强度实验，观察其裂缝等发展情况，同时得到其强度值。

(4)通过数据分析找到了临界石粉掺量，同时对不同强度的混凝土进行强度的纵横向比较，得到不同强度混凝土对石粉掺量变化的敏感度。

3试验数据及分析

3.1 原料数据

本次试验采用的机制砂筛分记录表及细度模数如表1所示。

本次试验所用机制砂的细度模数为2.94，依据已有实验结论(表2)可知：当细度模数达到2.7左右时，混凝土的坍落度等基本拌和指标最大，且在这种情况下混凝土保水性、黏聚力也比较好，有利于进行施工操作，同时，混凝土的抗压强度等力学性能也易于达到最佳状态。综合而言，原料的基本性能指标对试验的顺利进行以及试验结果的准确性提供良好保障。

3.2压力试验及试验数据

通过压力机对每个试块进行压力试验(如图l～4)，记录混凝土被压碎时的强度数值，得到各个强度的抗压数值，如表3所示。

通过表3可以看出，在三种石粉掺量中，在20％掺量前后分别形成了正效应和负效应，即混凝土强度先增加后减小，作为临界点的20％掺量则产生了最高的混凝土抗压强度。

依据C30混凝土进行横向比较，探究随着石粉含量梯度的递增，混凝土的抗压强度的正负效应变化情况。C30混凝土各阶段的强度变化图如图5所示。

与空白对照组的基准混凝土强度相比较，掺人石粉量在15％左右时，其强度明显低于对照组，但此时若增加石粉掺量，混凝土强度将呈现出升高趋势，至石粉掺量达到20％时，强度基本与空白对照组的混凝土强度持平，而超过20％之后，石粉对混凝土的负效应出现，混凝土强度明显下降。之所以会产生负效应，主要在于石粉含量过高后，混凝土中密实的堆积结构将会被破坏，从而导致混凝土的胶集比出现偏差，对混凝土的强度产生极大影响。

C35混凝土和C40混凝土的强度变化均呈现出相同的趋势，如图6～7所示。

观察C40混凝土的强度变化趋势，还会发现在石粉含量达到20％的时候，混凝土强度升高至超过了空白对照组混凝土的基准强度，即掺入20％的石粉会得到更高强度的混凝土，出现这一现象的原因可从以下两个角度进行解释说明：一方面，通过已有实验经验表明2.7左右的机制砂具有最大的堆积密度，如表4。本试验所采用的机制砂的细度模数在2.9左右，本身具有良好的堆积密度，同时机制砂本身掺人的石粉含量也处于适中，石粉的掺入有助于利用充分填充机制砂颗粒之间的孔隙，于是进一步改善了机制砂颗粒的堆积密度，因此所需要的填充浆体随之减少，在前期得到了较好的流动性，同时水泥浆体硬化后在过渡界面上较好地提高了密实度，进而提高了混凝土的强度，产生了上述现象，且由此推断后期的抗渗性能以及耐久性也将会有所提高。

另一方面，石粉可在水泥发生水化反应的过程中形成品核效应，即在整个体系反应中，石粉替代水泥、矿粉等胶体材料充当晶核，使得这些混凝土中的活性物质可以充分参与水化反应，在水化反应早期对C—S—H凝胶以及氢氧化钙的形成起到重要作用，且有效推进了以硅酸三钙为代表的熟料矿物的水化反应进度，进而有效地改善了早期强度。

此外对不同强度混凝土进行纵向比较，以7d为例，研究混凝土中石粉掺量增加过程中负效应的变化情况，如表5所示。不难看出，对于高强度混凝土而言，其强度对石粉掺量变化表现得更为敏感。

4试验结论及应用

经过数据分析，可以得到如下结论：

(1)机制砂中石粉掺量在20％左右时，对混凝土的强度会起到促进作用，石粉掺量过高则会对强度产生明显负效应。

(2)相比较而言，高强混凝土的强度对于石粉掺量的变化表现得更加敏感，负效应更加明显。

本次试验所得到的结论可应用于建筑材料行业的生产，通过适当含量的石粉掺量可以有效提高混凝土的抗压强度，石粉本身的成本不高，可以代替矿粉等成本较高的混凝土掺料，同时石粉在大多数机制砂中都存在且有一定的含量，因此使用石粉不仅降低建材生产成本，而且有效利用机制砂本身所附加的石粉这种副产品，提升经济效益，也对混凝土的施工质量和受力性能有一定程度的改善作用。

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