现有工程中多采用成本较低、易于生产采购的机制砂代替天然河砂, 如三峡大坝二期、三期工程中全部采用花岗岩机制砂做细骨料, 龙滩水电站、平昌金宝大桥的混凝土也均采用石灰岩机制砂^[1,2], 且这些建筑结构的实体强度经过测试^[3]都满足设计要求, 进—步证明了机制砂在实际工程中的应用可行。

石粉含量较多是机制砂的一大特性, 现有研究大多针对石粉对混凝土工作性能的影响。B.P.Hudson^[4]研究了在水灰比0.3下使用15%的石粉等体积代替相同粒径的水泥对混凝土强度的影响。该研究结果表明, 石粉可以降低混凝土的干缩率且不对后期强度产生较大影响, 进而认为可用部分石粉代替水泥。安文汉通过正交试验方法研究了石屑、石粉对普通水泥和矿渣水泥的强度和微观结构的影响。结果表明:石粉可以明显改善混凝土孔隙特征、浆-集界面结构。李北星等^[5]通过对石粉掺量的研究, 得出石粉可以改善机制砂混凝土工作性能的结论。文献[6-7]通过进一步试验解释了石粉改善混凝土性能的机理, 即石粉提高了混凝土的密实度, 并在水化过程中可以与水泥中的C₃A和C₄AF发生反应生成水化碳铝酸钙, 改善了水泥石的结构, 降低了混凝土的渗透性。但多数研究都忽视了石粉细度与石粉含量对机制砂混凝土力学性能的影响, 抑或虽有涉及这方面的研究但却不够细致和科学, 难以形成统一的理论系统, 多处存有较大争议, 为此在一些重大工程施工中仍然不使用机制砂, 极大地限制了机制砂的发展。

由P.K.Metha^[8]提出的混凝土劣化整体模型可知, 较大的渗透性是混凝土破坏的主要原因。侵蚀性物质以水为介质进入混凝土内部并产生破坏, 但气泡的引入能降低水对混凝土的渗透性, 有效提高混凝土耐久性。尽管高海拔地区混凝土建筑物遭受冻融破坏的现象已有不少学者进行研究, 但该研究中成型混凝土所使用的骨料大多是传统的天然砂, 且不涉及石粉对含气量影响的探究, 难以对现有高海拔地区机制砂混凝土的耐久性设计提供依据。

本试验通过研究石粉细度与含量对机制砂水泥砂浆力学性能以及含气量的影响规律, 探寻机制砂石粉较优细度与较优含量。

1) 水泥P·O42.5尧柏水泥, 标准稠度用水量为27.4%, 密度为3 000kg/m³, 化学成分如表1所示。

2) 机制砂某水电工程用石灰岩机制砂, 堆积密度为1 663kg/m³, 干砂表观密度为2 674kg/m³, 饱和面干表观密度为2 635kg/m³, 吸水率为2.6%, 细度模数为2.86, 属于中砂, 其颗粒级配如图1所示。

3) 减水剂性能检测均满足GB8076—2008《混凝土外加剂》要求。

4) 引气剂聚羧酸高效减水剂, 性能检测均满足《混凝土外加剂》要求。

5) 拌合水自来水。

6) 石粉机制砂中筛出的3种石粉, 细度分别为0.16mm以下、0.08mm以下和0.045mm以下。

研究石粉细度和石粉掺量对水泥砂浆力学性能与含气量的影响。基准试样A1, B1, C1中的机制砂中均剔除原有石粉。试验配合比如表2所示。

水泥砂浆表观密度和水泥砂浆稠度测定均参照JGJ/T70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行试验。

根据SL352—2006《水工混凝土试验规程》进行水泥砂浆抗折强度和抗压强度试验, 每组成型3个40mm×40mm×160mm棱柱试块, 脱模后标准养护至28d龄期, 测定其抗折强度和抗压强度。强度试验后, 将试块切割成厚度为10mm的薄片, 经打磨、抛光、干燥和清洁后放入显微镜下观察细观结构。对新拌水泥砂浆的含气量按GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测定, 测定仪器为SANYO直读式水泥砂浆含气量测试仪。通过不同细度机制砂的饱和面干表观密度、所用水泥密度以及水泥砂浆的表观密度按照式 (1) 和式 (2) 对水泥砂浆的含气量 (精确至0.1%) 进行计算, 计算结果和含气量实测结果进行对比。

式中:A为砂浆含气量 (%) ;ρ_t为不计含气量时砂浆理论表观密度 (kg/m³) ;ρ为砂浆拌合物的实测表观密度 (kg/m³) ;C, S, W分别为配制试样砂浆时水泥、砂、水的质量 (kg) ;ρ_c, ρ_s, ρ_w为水泥密度、砂的饱和面干表观密度、水的密度 (kg/m³) 。

水泥砂浆稠度是体现其流动性的重要指标。试验结果表明, 固定石粉掺量后, 稠度随石粉细度的增大而出现先增大后减小的现象, 这是由于当石粉细度增大后, 在相同质量石粉中, 颗粒数目增多, 分散填充效果突出, 体现为水泥砂浆流动度提高, 但石粉细度过大后, 其比表面积的增大会引起吸水效应增强, 反而降低水泥砂浆流动度。

由表3可知, 在石粉细度相同时, 随石粉含量的增大, 水泥砂浆稠度逐渐增加;在石粉细度分别为0.16, 0.08, 0.045mm时, 石粉含量从0增加至20%, 水泥砂浆稠度分别增大23.1%, 18.3%, 13.0%, 即水泥砂浆的流动性显著提高, 因为石粉有保水增稠的作用, 大量石粉的存在可以吸收混凝土中的水分, 减少了自由水在水泥砂浆集料表面的聚集, 有效降低了水泥砂浆离析和泌水风险。

试验结果表明, 在一定范围内增大石粉细度与石粉含量, 能提高机制砂水泥砂浆的流动度, 改善其工作性能。但过细和过量的石粉反而对水泥砂浆的流动度有负作用。

抗折强度和抗压强度反映了水泥砂浆承受荷载、抵抗变形的能力。试验通过对各试样28d龄期时抗折强度和抗压强度的测试, 探索了石粉细度和石粉含量对水泥砂浆抗折强度和抗压强度的影响规律。

如图2所示, 在石粉掺量相同时, 水泥砂浆的28d抗压强度和抗折强度均随着细度的减小而先增大后减小;在不同石粉掺量下, 石粉细度<0.08mm时强度最高, 其中在石粉含量为15%时, B4抗压强度与A4和C4抗压强度的比值分别为1.29与1.72, 这是由于细小的石粉颗粒可以填充水泥砂浆空隙, 发挥其填充效应, 提高水泥砂浆强度。如图3所示, 经过显微镜观察, 发现有大量白色水化产物填充气孔, 减小了孔隙率, 增加了水泥砂浆密实度。但掺入粒径<0.045mm石粉后, 强度反而降低, 如图3c所示, 掺入粒径0.045mm石粉后, 气孔内水化产物较少, 导致强度降低。

如图4所示, 当掺入石粉为5%时, 相比于不掺石粉的基准试样A1, B1和C1, A2, B2, C2的强度都有所降低。当石粉掺量>5%后, 强度随石粉含量增加而先增大后减小, 强度在石粉含量为15%时达到最大, 其中B4, C4的抗压强度甚至超过基准强度B1和C1, 增长幅度分别为8.9%, 18.9%。结合图3a和3b分析发现, 随着石粉含量的增加, 比水泥更细的石粉的填充效应使砂浆中孔隙进一步得到细化, 并且参与水泥水化反应的水泥量由于砂浆空隙被石粉填充而增多, 生成更多的水化产物用来填充空隙, 降低孔隙率, 提高水泥砂浆密实性, 增加其强度。

而石粉含量>15%后, 水泥砂浆强度明显下降, 这是因为石粉含量太高会导致粗颗粒偏少, 减弱了骨架作用, 使颗粒级配不合理, 由图4a可知, 在20%的石粉掺量下, A5, B5, C5的抗压强度较A4, B4, C4分别下降了6.7%, 11.8%, 25%, 抗折强度分别下降了6.5%, 5.4%, 11.1%。另外, 非活性石粉胶结作用较弱, 在水泥含量不变前提下, 过量的石粉会降低水泥浆的强度。

试验结果表明, 相比于不掺石粉的水泥砂浆, 掺入5%的石粉后水泥砂浆强度有所降低;石粉掺量在15%以内时, 石粉对机制砂水泥砂浆强度有利, 其中掺入粒度<0.08mm石粉, 对机制砂水泥砂浆强度的提高较明显。

含气量是评价混凝土耐久性的重要指标。从图5可以看出, 当石粉掺量<10%时, 水泥砂浆含气量随石粉细度增大呈现出先减小后增大的状态;掺量为5%时, B2较A2下降15.6%, C2较B2上升11.1%;当石粉掺量为15%时, 含气量随石粉细度增大而持续上升, 其上升幅度高达16.7%, 对水泥砂浆耐久性有不良影响。

由图6可知, 在引气剂掺量不变的情况下, 掺入细度<0.16mm石粉和细度<0.08mm石粉后, 整体来看, 水泥砂浆的含气量随石粉掺量的增加而减小, 含气量的极值分别为4%和5%。而掺入细度<0.045mm石粉对水泥砂浆的含气量影响较小, 含气量值基本稳定在17%左右, 随石粉掺量的增加未出现明显变化。

试验结果表明, 石粉细度对水泥砂浆含气量的影响与石粉掺量有关, 细度<0.045mm石粉对水泥砂浆的含气量影响较小, 而掺入细度<0.08mm石粉的水泥砂浆, 其含气量低于掺入细度<0.16mm石粉的水泥砂浆。

1) 适量的石粉对机制砂水泥砂浆工作性有改善作用, 并细化孔径, 从而提高水泥砂浆强度。过量石粉降低了材料的密实度, 从而导致强度下降、和易性变差。试验得出最佳石粉含量为15%左右。

2) 机制砂水泥砂浆工作性能随石粉细度增大而先提高后降低, 而其强度随石粉细度的减小而先增大后减小。试验得出掺入细度<0.08mm石粉对机制砂混凝土的工作性能和强度具有较大影响。

3) 石粉细度对水泥砂浆含气量的影响与石粉掺量有关。试验得出, 掺入细度<0.08mm石粉使水泥砂浆的含气量明显降低。