目前随着国家对天然砂资源开采的严格管控，机制砂已经逐渐成为混凝土生产的主要砂源，并在生产中低强度等级混凝土中得以全部应用，优质机制砂也被应用于生产高强、高性能或者超高性能混凝土（UHPC）等高附加值产品^[1]。机制砂与天然砂不同，机制砂细度可调节性强、颗粒多棱角且含有一定含量的石粉^[2]，在混凝土中应用可以改善混凝土保水性，且适量石粉的存在有助于提高混凝土界面过渡区，使得混凝土强度增加，但研究人员对石粉含量并没有界定^[3]，这跟所采用的配合比及机制砂特点有关。在机制砂实际生产中，会带入较多的石粉，有些含量甚至达到 20% 以上，如此高的石粉含量，常规配合比设计已不适合，需要考虑石粉含量对混凝土浆骨比、抗碳化及混凝土强度等的影响。

本项目针对高含粉机制砂对混凝土性能影响进行了研究，以期为机制砂在混凝土中的应用提供理论和实际参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）水泥采用海螺 P·O42.5 普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用Ⅱ级灰，需水比 99%，45μm 方孔筛余 19%。矿粉采用 S95，比表面积 416m²/kg，含水率 0.3%，烧失量 0.9%。水泥的主要性能指标见表 1。

（2）原装机制砂采用市售石灰石质机制砂，细度模数 2.8，MB 值 0.8，含粉量 12%。

（3）不同含粉量机制砂的制备：通过对机制砂含粉进行筛分，过 75μm 方孔筛获得所需的石粉，将石粉按质量比例添加，使得机制砂石粉含量为 8%、12%、16%、20% 和 24%，备用。

（4）粗集料由粒径 5～10mm 的小石和 10～25mm 的大石按照一定比例组合而成。小石压碎值 9.0%，大石压碎值 9.0%。

（5）外加剂采用缓凝型聚羧酸高效减水剂，含固量 15.3%，推荐掺量 1.0%～3.0%。

1.2 试验方法

（1）参照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》称取相应的原材料，按照设定的水胶比和外加剂掺量，进行混凝土坍落度、扩展度、凝结时间及含气量等性能指标的测试。

（2）按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》成型 100mm×100mm×100mm 混凝土试件，标准养护后测定混凝土相应龄期的抗压强度。

（3）混凝土体积收缩值、碳化深度以及混凝土电通量测试参照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。其中混凝土体积收缩采用接触法，成型 100mm×100mm×515mm 的棱柱体试件，带模养护 24h 后脱模，采用标准养护，温度 (20±2)℃、相对湿度≥95%，测试混凝土收缩率，计算公式如下：

ε_t = (L₀-L_t)/L_b

ε_t——试验期为 t(d) 的混凝土收缩率，%；

L₀——时间长度的初始度数，mm；

L_t——试件在试验期 t(d) 时测得的长度读数，mm

L_b——试件的测量标距，mm。

2 试验结果及讨论

2.1 高含粉机制砂对混凝土工作性能影响

本项目以 C30 混凝土为研究对象，保持混凝土用水量和外加剂用量不变，探究机制砂中石粉变化对混凝土工作性能的影响。试验混凝土配合比见表 2。按照表 2 所示混凝土配比进行搅拌，测得的混凝土工作性能结果见表 3。

表 3 结果可以看出，相同外加剂用量和水胶比下，机制砂含粉增加，混凝土初始流动性下降，对应的混凝土坍落度保持能力下降。这是因为机制砂中石粉含量增多，对聚羧酸分子在水泥颗粒的吸附形成阻碍，使得聚羧酸的作用效果减弱，保坍能力下降，当石粉含量从 8% 提高至 24%，混凝土坍落度降低 21%，很快失去流动性。

在水和外加剂用量不变的情况下，高含粉机制砂使得混凝土初凝和终凝时间均有所缩短，这是因为自由水的减少，使得水泥水化产物之间的键合能力增强，混凝土失去塑性的时间缩短，同时石粉的存在影响了水泥第二放热峰^[4]，促进水泥水化进程，加速了水泥的硬化。

高石粉机制砂不仅使混凝土凝结时间缩短，同时也使得混凝土含气量先增加后降低，这是因为石粉含量在一定范围内升高，混凝土粘度增加，机械搅拌过程中更容易引入空气使得混凝土含气量有所上升，随着机制砂含粉量进一步提高，混凝土流动性差，引入气泡的能力降低。

2.2 高含粉机制砂对混凝土力学性能的影响

以表 2 配合比为基础，改变混凝土中外加剂用量，使得混凝土初始坍落度在 (230±5)mm，测试相同混凝土出机状态下的外加剂掺量、经时保坍性能，以及混凝土 7d 和 28d 抗压强度，结果见表 4。

表 4 结果显示，机制砂中含粉量增加，达到相同流动性时外加剂用量随之提高，当石粉含量为 24%，石粉增加 16%，外加剂增加 0.7%，但混凝土保坍性能逐渐改善甚至出现后滞返大现象。当外加剂供给充分时，石粉裹入较多的聚羧酸分子，随着水泥反应过程中与聚羧酸分子接触，混凝土流变性能得到释放，使得混凝土出现后滞甚至返大现象。

通过对混凝土 7d 和 28d 抗压强度测试结果分析可知，随机制砂中石粉含量增加，混凝土抗压强度先增加后降低，在石粉含量 12% 时混凝土 7d 和 28d 抗压强度均最高。适量的石粉可以提高混凝土的填充性能^[5]，使得硬化后的混凝土密实度提高，但随着机制砂石粉含量进一步增多，单位面积生成的水化产物数量降低，排列较散，硬化后的混凝土内部缺陷较多，强度下降。

2.3 高含粉机制砂对混凝土耐久性的影响

按照 2.2 所用外加剂和水的用量，测试了混凝土碳化深度、电通量值及混凝土体积收缩值，结果见表 5。

从表 5结果可以看出，当石粉含量 12% 时，混凝土 28d 碳化深度最低，电通量最小且混凝土 7d 和 28d 体积收缩也最低，这说明适量的石粉提高了混凝土密实度，使得混凝土抵抗氯离子和体积变形能力提高。当石粉含量进一步增加，混凝土碱度降低，碳化深度增加，也更容易受到周围环境有害离子的侵蚀，由于单位面积分布的水化产物数量减小，混凝土体积变形也相对增大。

3 结论

（1）在外加剂掺量和水胶比不变的情况下，机制砂含粉量增加，混凝土流动性降低、坍损增大，混凝土凝结时间缩短，含气量先升高后降低。

（2）水胶比不变，混凝土达到相同流动性状态时，高石粉机制砂使得外加剂用量增加，但会引起外加剂缓慢释放甚至产生滞后返大现象；混凝土抗压强度随石粉含量增加先增加后降低，当机制砂石粉含量 12% 时混凝土强度最高。

（3）适量的石粉可以降低机制砂混凝土碳化深度、降低混凝土电通量、减小体积收缩，从而有利于混凝土耐久性提高。

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知识点：高含粉机制砂对混凝土性能的影响