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1、人工砂中石粉含量对混凝土性能的影响研究For personal use only in study and research; not for commercial use人工砂中石粉含量对混凝土性能的影响研究2.实验材料与实验方法2.1实验材料实验所用的水泥为重庆拉法基水泥厂生产的42.5R级普通水泥，具体的性能在下表中表示。表2.1 P.O 42.5R水泥的化学成分，%（产地：重庆拉法基水泥厂）材料SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOSO3总碱量烧失量普通42.5R22.022.656.1958.992.532.670.703.08表2.2 P.O 42.5R水泥的性能（产地：重庆拉法

2、基水泥厂）细度（%）标准稠度（%）初凝时间终凝时间安定性（饼法）抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）3d28d3d28d0.428.4180min240min未见裂纹未见翘曲30.955.75.88.8实验所用的碎石是由两个最大粒径不同的大小石子复配而成的，其性质如下表所示。表2.3 碎石（510mm）的性能（产地：歌乐山）表观密度(g/cm3)2680筛孔尺寸(mm)筛余质量(g)分计筛余（%）累计筛余（%）堆积密度(kg/m3)松 散138526.5000紧 密148519.0000空隙率(%)松 散48.316.0000紧 密45.09.50904.54.5含泥量(%)0.54.7513

3、5067.572.0产 地歌乐山2.3648024.096.0筛底804.0100.0表2.4 碎石（1030mm）的性能（产地：歌乐山）表观密度(g/cm3)2690筛孔尺寸(mm)筛余质量(g)分计筛余（%）累计筛余（%）堆积密度(kg/m3)松 散140526.5000紧 密153519.069513.913.9空隙率(%)松 散47.816.0101520.334.2紧 密42.99.5280556.190.3含泥量(%)0.70.64308.698.9产 地歌乐山2.36350.799.6筛底200.4100.0所用机制砂为歌乐山生产的石灰岩机制砂，其主要指标如下表。表2.5 机制砂

4、的性能（产地：歌乐山）表观密度(kg/m3)2700筛孔尺寸(mm)筛余质量(g)分计筛余（%）累计筛余（%）堆积密度(kg/m3)松 散15304.75255.05.0紧 密16102.3614829.634.6空隙率(%)松 散431.1813126.260.8紧 密630.67515.075.8含粉量(%)1.80.305310.686.4产 地歌乐山0.15387.694.0筛底306.0100.0细度模数3.4实验所用外加剂为2.2实验方法参考标准普通混凝土配合比设计规范（GJG55-2000）再根据重庆本地实际情况，分别设计混凝土强度等级为C30、C40、C60的机制砂混凝土配合比

5、。2.2.1工作性实验方法按照设计的配合比拌制机制砂混凝土，按照普通混凝土拌合物试验方法标准GB/T-50080中的要求，用坍落度筒测定混凝土的坍落度，如果混凝土的流动性好的话同时还要测量混凝土的坍落度扩展度，同时观察混凝土的粘聚性、有无离析和泌水现象。2.2.2力学性能实验方法将测量过工作性的混凝土装入已经准备好的试模内，用于测量混凝土的抗压强度的塑料试模尺寸为100mm100mm100mm。将成型好的试模放在振动台上振动、抹平，带模养护一天，在龄期一天时拆模，将试件放入养护室进行养护。分别在压力机上测定混凝土的各个龄期的抗压强度，整个过程需遵照普通混凝土力学性能试验标准（GB/T-5008

6、1）。2.2.3干缩实验方法混凝土的干燥收缩按照普通混凝土长期性能和耐久性能试验标准（GB/T-50082）中的规定，本实验采用接触法测量混凝土的干缩率。采用的试件尺寸为100mm100mm515mm，在一天带模养护，两天标准养护后在三天龄期时送入干缩室并进行第一次测量，并在后面一次测量数据，计算出干缩率。2.2.4早期抗裂试验方法混凝土的早期抗裂试验应根据普通混凝土长期性能和耐久性能试验标准GB/T-50082中的规定进行试验。但在本实验中，采用的模具并不是标准尺寸，采用的是600mm400mm100mm的钢制模具，有三个裂缝诱导器，其中中间那个最容易诱导，本实验还在模具下面垫上10mm厚度

7、的钢板，以此使混凝土的裂缝更容易出现。本试验同时测定混凝土的失水速率，整个诱导开裂过程为6个小时。3石粉对混凝土工作性的影响 从其它的现有文献资料得知，机制砂中适量的石粉对新拌混凝土的工作性是有好处的，在一定范围内提高机制砂中石粉的含量，在水灰比和胶凝材料用量不变的情况下可以使混凝土的工作性得到提高。表3.1中表示的是混凝土配合比和根据普通混凝土拌合物试验方法标准GB/T-50080中的相关规定测定的新拌混凝土的工作性。从图3.1可以看出强度等级为C30的普通硅酸盐混凝土的坍落度在石粉含量在少于10%时，坍落度随石粉含量的增加而增加，当石粉含量超过10%时，坍落度随石粉含量的增加而降低。造成这

8、种现象的原因可能是石粉的细度接近于水泥的细度，在机制砂混凝土中加入一定量的石粉可以弥补机制砂混凝土中浆体材料表3.1混凝土配合比和工作性编号强度等级砂中石粉含量/%配合比工作性水泥/(kg/m3)水胶比砂率/%坍落度/mm扩展度/mm粘聚性离析情况泌水情况A3C3033600.510.42150差严重严重A773600.510.42155差严重严重A10103600.510.42170差严重轻微A15153600.510.42165一般轻微轻微A20203600.510.42135一般无无B3C4034300.400.40160差严重严重B774300.400.40160一般轻微轻微B1010

9、4300.400.40180一般轻微无B15154300.400.40170好无无B20204300.400.40155粘无无C2C6025500.310.35200520好轻微无C555500.310.35220545好轻微无C885500.310.35210520粘无无C12125500.310.35190485粘无无C15155500.310.35180460很粘无无图3.1 C30混凝土坍落度 不足的缺陷，增加浆体的总量，特别是在这种胶凝材料较少的低强度等级混凝土中。同时石粉的加入也可弥补机制砂具有棱角性、表面粗糙的缺点，减少集料与机制砂之间的摩擦。从图中发现对于C30混凝土在石粉含量

10、10%时具有最大的坍落度。当石粉含量超过15%时，混凝土的坍落度有一定的下降，原因可能是因为石粉虽然增加了拌合物的浆体面积，减少了集料与机制砂之间的摩擦，但是体系中石粉也要吸收水分，当石粉含量过高时，拌合物体系中总的粉体量增加，粉体与水形成的浆体的稠度增加，混凝土的粘聚性增加，坍落度减小。从图3.1中可以看出，随着机制砂混凝土中石粉含量的增加，C30混凝土拌合物的粘聚性由差变好，在石粉含量较低时，拌合物的粘聚性很差，石子与浆体有分离现象，在石粉含量在20%时有最好的粘聚性。拌合物的离析泌水情况随石粉含量增加而得到改善，在石粉含量在15%时，离析泌水现象基本消失。由于石粉增加了浆体材料，减少了机

11、制砂与集料的摩擦，使混凝土的粘聚性增加，流动性增强，同时石粉也吸收一定量的水分,使其保水性增强。图3.2表示的是中等强度等级混凝土（C40混凝土）的坍落度与机制砂中石粉含量的关系。其坍落度随石粉含量的变化规律与低强度等级混凝土的相似，都是在石粉含量在少于10%时，坍落度随石粉含量的增加而增加，在10%时达到最大，之后有所下降。但其的变化小于低强度混凝土，原因可能是相对于低强度混凝土C40混凝土所用的胶凝材料要多一些，其形成的浆体要比C30混凝土要多，所以加入相同量的石粉，但对于浆体的影响来说C40要晓得多；同时其本身含有的胶凝材料比C30混凝土要多，其形成的浆体本身就能有很大一部分来润滑集料图

12、3.2 C40混凝土坍落度与机制砂，使其的摩擦减小，有利于坍落度增加。在石粉含量增大到10%以上时，坍落度有一定的降低，原因与C30的的原因相同，都是因为过量的石粉会使其浆体变稠，使其坍落度降低。但是其坍落度降低幅度要小于C30混凝土，原因可能是因为在相同石粉含量的情况下，C40混凝土含有的浆体要大于C30的，相应的它的流动性要好于C30混凝土，在一定程度上能够弥补坍落度的降低，所以它的坍落度的降低幅度要小一些。C40混凝土体系中随石粉含量的增加，拌合物的粘聚性增加，拌合物的离析泌水现象得到改善。当石粉含量达到20%时，拌合物变得很黏，对工作性不利。在石粉含量达到10%时，拌合物的离析泌水现象

13、基本消失。石粉在其中所起的作用于在C30混凝土中所起的作用基本一致，原因也相同。但石粉对C40混凝土在粘聚性和离析泌水上比C30混凝土的要小，主要原因就是其所用的胶凝材料要比C30混凝土的要大。 从图3.3中可以发现，石粉对C60混凝土的坍落度的影响与前面的中低强度的混凝土的规律相似，但其坍落度最大时的石粉含量更低，为5%左右。当石粉含量小于5%时，混凝土的坍落度随石粉含量的增加而增加；大于5%时，混凝土的坍落度随石粉含量的增加而降低。对于C60混凝土，在石粉含量很低时，其粘聚性也是很好的，不会像中低强度混凝土那样出现浆体与石子分离的现象。石粉含量很高时，其拌合物的粘聚性很粘，但是由于其浆体材

14、料很多，对混凝土的成型没有多大的不利影响。在石粉含图3.3 C60混凝土坍落度 低时，C60混凝土的拌合物的离析和泌水现象几乎没有，随着石粉含量的增加，对混凝土的离析泌水的改善几乎没有影响。 对于C60混凝的扩展度在石粉含量小于5%时，扩展度随石粉含量的增加而增加；在石粉含量在5%时，扩展度达到最大，同时坍落度也是最大；当石粉含量大于5%时，扩展度随石粉的增加而减小。在C60混凝土中所含有的胶凝材料很大，所以在机制砂混凝土中增加石粉的含量对提高拌合物的工作性没有明显的作用，相反，过量的石粉对工作性有降低作用。C60混凝土在工作性上对石粉的限值最好在8%以下，在5%时有最好的工作性。因为C60混

15、凝土含有的胶凝材料的量很大，所以由胶凝材料形成的浆体能够提供足够的浆体去润滑集料与机制砂，使其的摩擦力减小，提高拌合物的流动度，使其扩展度增大。因为有足够多的胶凝材料，所以C60混凝土即使不加入石粉也有足够的粉体材料来形成浆体包裹集料。当加入过量的石粉时，造成了体系里面粉体材料过多，致使整个浆体体系变得粘稠，使混凝土变粘，在石粉含量在15%时，混凝土变得很粘，对混凝土的工作性有一定的影响。综合以上内容，可以得出石粉对混凝土工作性的影响的规律：对于低强度等级混凝土，使其工作性最佳的石粉含量在15%左右；对于中间强度等级混凝土的最佳工作性的石粉含量在10%左右；对于高强度等级混凝土的最佳工作性的石

16、粉含量在5%左右；石粉对凝土工作性的影响主要是受混凝土中胶凝材料的量的影响。相对国家标准建筑用砂GB/T14684-2001中规定的机制砂混凝土中机制砂的石粉限值，在混凝土的工作性问题上可以有一定程度的放宽。4.石粉对混凝土抗压强度的影响机制砂中石粉含量对机制砂混凝土抗压强度的影响与所要获得的混凝土的强度等级有关。表4.1表示的就是不同强度等级混凝土在不同石粉含量的情况下的抗压强度。表4.1 混凝土抗压强度编号3天强度/MPa7天强度/MPa28天强/MPaA325.836.6A729.239.4A1029.440.3A1530.140.9A2031.543.6B329.741.750.0B7

17、31.842.647.7B1038.044.853.7B1534.143.652.0B2031.639.353.0C242.953.365.8C544.856.268.0C846.259.071.2C1244.356.065.2C1541.553.864.6图4.1 C30混凝土抗压强度 图4.1表示的是C30混凝土的3天和7天抗压强度。从图中可以看出，随着机制砂混凝土中石粉含量的增加，混凝土的3天抗压强度和7天抗压强度都是呈上升的趋势，而且上升的趋势一致。石粉含量在3%时，混凝土的抗压强度最低，在石粉含量20%时，抗压强度最高。也就是石粉在水胶比和胶凝材料不变的情况下能够提高低强度等级混凝土

18、（C30）的抗压强度。对于C30混凝土的最佳强度值的机制砂中石粉含量为20%左右。石粉能够提高C30混凝土的抗压强度是因为：机制砂中石粉的增加使整个混凝土体系中粉体材料的量增加，形成的浆体量也增加，混凝土有足够多的浆体去包裹住集料和机制砂，同时在水灰比和胶凝材料不变的情况下，增加石粉的用量会使整个的浆体变得粘稠，使集料与机制砂之间的粘接更为紧密，增加了它们的粘接强度，由此提高了混凝土的强度；石粉的加入也可以改善机制砂混凝土中机制砂多棱角性和级配不良的缺点，增加机制砂的堆积密度，石粉在混凝土中有很好的填充效应，可以增加集料与浆体之间界面过渡区的密实度，提高混凝土的抗压强度；同时石粉的细度与水泥的

19、细度相当，混凝土中的石粉发生微集料效应，一部分的石灰石石粉颗粒在水泥水化早期对Ca(OH)2和C-S-H的形成起晶核作用，加速了熟料矿物的水化，并且石灰石石粉的微细颗粒还能与C3A水化形成水化碳铝酸钙，有利于早期强度的发展。图4.2 C40混凝土抗压强度 图4.2表示的C40混凝土的不同龄期的抗压强度值。从图中可以看出在3天和7天的强度都是在石粉含量在10%时达到最高，在石粉含量小于10%时，混凝土强度随石粉含量的增加而增加，超过10%时，混凝土强度随石粉含量的增加而降低。而28天强度在石粉含量15%时达到最大，小于15%时，强度随石粉含量的增加而升高，大于15%时，强度随石粉含量的增加而降低

20、。但是石粉含量在20%的抗压强度与石粉含量在3%的相差不大。石粉对C40混凝土的抗压强度有提高作用，C40混凝土的抗压强度的最高的混凝土中机制砂中石粉含量最佳含量为10%到15%。在石粉含量在一定范围内，小于15%时，石粉的增加对C40混凝土的抗压强度具有提高作用，这与石粉在C30混凝土中所起的作用是一致的。石粉的加入改善了机制砂多棱角、级配不良的缺点，使集料的堆积密度提高，石粉颗粒还可以填充混凝土中孔隙，增加了界面过渡区的密度，使界面过渡区的强度增大。一部分石粉颗粒在水泥的早期水化中对Ca(OH)2和C-S-H的形成起晶核作用，加速了熟料矿物的水化，并且石灰石石粉的微细颗粒还能与C3A水化形

21、成水化碳铝酸钙，所以有利于早期强度的发展。但是在石粉含量超过15%时，混凝土的抗压强度出现了下降。这是因为C40混凝土中含有的胶凝材料相对较多，混凝土有足够的粉体材料。机制砂中的石粉含量在一定范围内能够对强度产生积极作用。当石粉含量超过一定的限值时，就会造成混凝土体系中的粉体材料过多，很大一部分石粉并不能发挥它的填充作用和微集料效应，大多数石粉不能发生水化反应，一些石粉就会堆积在混凝土体系中，破坏混凝土的紧系堆积结构，使得混凝土的强度降低。图4.3 C60混凝土抗压强度 对于C60混凝土的抗压强度受机制砂中石粉含量的影响在图表4.3中表示。可以看出在石粉含量在8%左右时，混凝土的抗压强度最高；

22、当石粉含量小于8%时，混凝土强度随石粉含量的增加而增加；当石粉含量大于8%时，混凝土的抗压强度随石粉含量的增加而降低；对于抗压强度而言，C60机制砂混凝土中的机制砂石粉含量的最佳值为8%。 石粉的加入对C60混凝土的抗压强度有增强作用。当石粉含量超过8%时，混凝土的抗压强度随石粉含量的增加而降低，其原因与C40混凝土的抗压强度在石粉含量超过一定限值时随石粉的增加而降低的原因是一样的。过量的石粉堆积在混凝土体系中，影响了混凝土的致密结构，使混凝土的强度降低。C60混凝土所含有的胶凝材料更多，所以在相同石粉含量的情况下，相比C40混凝土，C60混凝土中堆积的有害的石粉更多，相应的在较低的石粉含量时

23、，C60混凝土就开始有害石粉的堆积，而C40还没有。所以C60混凝土中对强度最佳的石粉含量要比C40混凝土的要小。 综合以上分析，机制砂混凝土中的机制砂含有一定量的石粉对混凝土的抗压强度具有提高作用。就混凝土的抗压强度而言，机制砂混凝土中的机制砂石粉含量的最佳值相对应C30、C40、C60混凝土的最佳分别为20%、15%、8%。5.石粉对混凝土收缩的影响混凝土的收缩是混凝土最重要的变形性能之一，干燥收缩是混凝土中最主要的收缩，占整个混凝土收缩的80%90%。就机制砂混凝土而言，机制砂中的石粉对混凝土中的干燥收缩有两方面的影响：一是石粉增加了混凝土的浆体总量，增大了混凝土的收缩，对混凝土的收缩产

24、生不利影响；另一方面机制砂中的石粉可以填充混凝土的孔隙中，起填充效应，增加混凝土结构的密实度，抑制混凝土的干燥收缩，对混凝土的收缩有利。表5.1表示的就是不同强度等级的混凝土在不同龄期的干燥收缩率。左图表示的就是测定混凝土干燥收缩的示意图。图5.1表示的是不同石粉含量的C30混凝土在不同龄期的的干缩率。从图中可以看出：1天的干缩率各个石粉含量大致相同，越往后，干缩率相差越大；石粉含量在10%左右的机制砂混凝土的干缩率在所有的石粉含量中是最大的；石粉含量低于10%时，随石粉含量的增加，机制砂混凝土的干缩率增大；高于10%时，随石粉含量的增大，C30混凝土的干缩率增大。图5.2表示的是不同石粉含量

25、的C40机制砂混凝土的干缩率。相比C30混凝土，总的来说，C40混凝土的干缩率要大一些，这是由于C40混凝土里的浆体的量要比C30混凝土的要多；图中C40混凝土的最大干缩率的石粉含量在7%左右，但石粉含量在10%的混凝土的干缩率与7%的干缩率相差不大，由此推断其应该的最大干缩率的石粉含量在7%到10%之间；在石粉含量超出7%到10%这个区间的混凝土的干缩率都是减小的；但是在1天收缩时，收缩率是随石粉含量的增加而增大的。表5.1 混凝土的干燥收缩率强度等级1天/10-63天/10-67天/10-614天/10-628天/10-6A3C3047124202283324A74811520827031

26、9A1048123213309359A1546110185271322A2046104176267309B3C4053138217302347B759146226315358B1056151228311375B1560137213301369B2061142215298353C2C6076170289359413C579181312379438C883186318397457C1286189307368426C1585185314374433图5.1 C30混凝土干缩率图5.3表示的是代表高强度等级混凝土的C60混凝土的干缩率。它的干缩率随石粉含量的变化受龄期的影响，龄期不同，它的干缩率随石粉

27、的变化不同。从图中可以看出，在1天和3天收缩时，随着机制砂中石粉含量的增加，混凝土的干缩率基本上呈上升趋势，最大石粉含量的混凝土的干缩率最大。但随着龄期的增加，混凝土的干缩率出现了变化，后面龄期的干缩率是基本在石粉含量在8%左右的混凝1土的干缩率最大，石粉含量在两边的混凝土的干缩率呈下降趋势，龄期越大，这种趋势越明显。图5.2 C40混凝土干缩率图5.3 C60混凝土干缩率石粉影响混凝土的干缩率主要是通过它的两个作用，当石粉对混凝土的收缩不利影响大于有利影响时，即当石粉增加混凝土体系中砂浆量对干缩的影响大于石粉填充混凝土中孔隙增加混凝土结构密实度对干缩的影响时，混凝土的干缩率增大，反之，混凝土

28、的干缩率减小。早成C60混凝土中由于本身就含有大量的胶凝材料，砂浆的量要大于前面的中低强度混凝土，所以它的干缩率要整体大于前面中低强度的干缩率。综合以上结论，对于机制砂混凝土的干缩，对于C30、C40混凝土的最大干缩率的石粉含量在10%和7%；对于C60混凝土，在早龄期1到3天干缩率随石粉含量增加，干缩率增大，后面龄期的最大干缩率的石粉含量为5%到8%之间。6.石粉对混凝土早期开裂的影响机制砂中含有一定量的石粉，会增大机制砂混凝土中粉体材料的总量，增加混凝土的需水量，增加混凝土的浆体总量，这些都会对混凝土的塑性抗裂均有不利影响。由于机制砂中的石粉增大了混凝土的保水性，降低了混凝土内部的水分向外迁移的速度，使混凝土的开裂时间提前。混凝土早期开裂的铁制模具如下图所示。由于本实验与标准试验相比，试验时间有很大的缩短，所以对于混凝土的裂缝，一般只有在最大裂缝诱导器的地方才会出现，一般只有一条裂缝。裂缝长度在380mm以上的基本就是贯穿裂缝，只是长度略有差异，对混凝土的抗裂能力的评价基本由裂缝的长度和裂缝的最大宽度就能完成，平均开裂面积和单位面积的总裂开面积与前面的评价是一样的。表6.1混凝土的早期抗裂裂缝条数/根裂缝最大宽度/mm裂缝最大长度/mm平均开裂面积/