卵石破碎原状机制砂石粉含量限值试验研究

李凤兰，孙秋彦，朱 倩

（华北水利水电学院河南省水工结构与材料工程重点学科开放实验室，郑州 450011）

卵石破碎原状机制砂石粉含量限值试验研究

李凤兰，孙秋彦，朱 倩

（华北水利水电学院河南省水工结构与材料工程重点学科开放实验室，郑州 450011）

采用石粉（粒径小于75μm的颗粒）含量为3%～13%的卵石破碎原状机制砂配制强度等级C30，C40和C50混凝土，分析了石粉含量对混凝土拌合物工作性能及混凝土抗压强度、抗拉强度和弹性模量的影响规律。研究结果表明，对卵石冲洗后加以破碎的原状机制砂，其石粉含量可超出现行建筑用砂规范的限值，控制在13%以内时可满足混凝土拌合物的工作性能和现行规范对混凝土基本力学性能的要求。该研究对机制砂生产工艺的革新和生产效率的提高具有重要价值。

混凝土；卵石破碎原状机制砂；石粉含量；拌合物工作性能；抗压强度；抗拉强度；弹性模量

机制砂是由岩石爆破或采用河道卵石，经机械破碎、筛分制成的粒径小于5 mm的颗粒。机制砂富有棱角，同样细度模数下的颗粒级配劣于天然砂，用于配制混凝土将在配合比、施工性能、力学和耐久性能等方面产生不同于天然砂混凝土的特点［1，2］。现行建筑用砂标准虽将机制砂列为建筑用砂，但出于控制含泥量的考虑而对石粉含量也进行了严格限制［3，4］。为了能够达到规定的石粉含量要求，机制砂生产均增加了水洗工艺，不仅增加生产成本、造成水资源浪费，而且水洗石粉排放造成了河道水质或风沙等环境污染，不利于生产地域的环境保护。

基于对石粉含量能否放宽的问题，已取得了一些很有工程应用价值的研究成果［2，5-9］。但对石粉含量的研究缺乏系统性与可比性，具体表现为：对石粉的颗粒范围划分不同；将石粉含量与机制砂生产工艺割裂开来，试验采用机制砂的高、低石粉含量通过外掺磨细石粉的方法实现，研究缺乏生产技术支撑；机制砂混凝土性能研究内容不全面，各种测试指标基于不同的机制砂原材料。同时，针对河道卵石破碎机制砂混凝土的研究鲜见报道。

本文选用直接对卵石冲洗后进行破碎而不再冲洗的原状机制砂，通过研究石粉含量对强度等级C30，C40和C50机制砂混凝土性能的影响，提出具有工程实际应用价值的机制砂石粉含量限值范围，对合理利用机制砂中的石粉，促进机制砂生产工艺的革新和生产效率的提高具有重要意义。

表1 水泥的物理力学性能Table1 Physical and mechanical properties of the cement

表2 石子物理力学性能Table2 Physical and mechanical properties of the crushed stone

1 试验概况

采用焦作坚固水泥有限公司生产的“坚固”牌32.5级和42.5级普通硅酸盐水泥，其物理力学性能见表1。粗集料采用5～10 mm和10～25 mm两种级配的石灰岩质碎石按比例1∶1混合，其物理力学性能见表2。细集料选用焦作市附近山区规模较大的机制砂场生产的原状石灰岩质机制砂，其物理力学性能见表3。试验用机制砂中的石粉含量，是经过对原状机制砂进行筛分测定后进行调整得到的。在本文中，石粉是指粒径小于75μm的颗粒［3］。外加剂采用郑州巨源混凝土外加剂有限公司生产的JHY-6000萘系高效减水剂，实测减水率为15.5%。拌合物用自来水。

采用32.5级普通硅酸盐水泥配制强度等级C30的机制砂混凝土，采用42.5级普通硅酸盐水泥配制强度等级C40，C50的机制砂混凝土，各强度等级混凝土分别固定水灰比W／C、单位用水量mw、砂率βs和外加剂掺量，外加剂掺量为水泥用量mc的0.75%（按质量计），石粉含量βsp取3%，7%，13%等3个级别。混凝土拌合物坍落度按35～50mm预计，混凝土原材料用量计算结果列于表4，表中mg，ms分别为单位体积混凝土的石子和机制砂用量。

试验按现行普通混凝土拌合物性能及力学性能试验方法标准进行［10，11］。立方体抗压强度fcu和劈裂抗拉强度ft试验采用边长150 mm的立方体试块，轴心抗压强度fc和弹性模量Ec试验采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件，抗弯强度ff试验采用150 mm×150 mm×550 mm的梁试件。

表3 机制砂物理性能Table3 Physical properties of proto-machine-made sand

表4 原状机制砂混凝土的配合比Table4 M ix proportion of proto-machine-made sand concrete

表5 混凝土拌合物工作性能试验结果Table5 Test results of fresh concrete workability

2 试验结果及分析

混凝土拌合物工作性能和混凝土基本力学性能试验结果如表5所列。

2.1 混凝土拌合物的工作性能

由表5可见，适当增加石粉含量有利于改善机制砂混凝土拌合物的流动性，对拌合物粘聚性和保水性具有明显改善效果。同时，尽管GA和GC两组混凝土的坍落度明显低于预计值，但试块仍然易于振动成型，坍落度值不再能够准确地表征高石粉含量原状机制砂混凝土的成型难易程度。这一规律实质上反映出了机制砂的固有特性。其一，机制砂颗粒表面粗糙、富有棱角，自身滚动能力差，将导致混凝土拌合物流动性降低。其二，机制砂具有较大的比表面积，需要消耗较多的浆体予以包裹才能达到与天然砂同样的流动性。在用砂量不变的条件下，石粉含量增加，机制砂颗粒的总量相应减少，相对提高了除包裹机制砂以外的水泥浆体积，将提高拌合物的工作性。其三，在水泥用量不变的条件下，适当增加石粉含量起到了增加拌合物中浆体总量的作用，从而提高拌合物的粘聚性和保水性。

值得注意的是，当石粉含量较小而水灰比较大时，机制砂混凝土拌合物出现离析和泌水现象。如果使用高效减水剂，将进一步降低水泥浆体稠度和粘度，使得混凝土拌合物出现严重的离析和泌水现象，混凝土成型后在表面出现较多的孔洞。

2.2 混凝土的基本力学性能

由表5数据可计算出，GA组、GB组和GC组分别满足强度等级C30，C40和C50混凝土的配制强度要求，配制强度标准差依次达到5.3～6.5 MPa，6.3～9.4 MPa和6.0～8.0 MPa。

图1示出了混凝土立方体抗压强度fcu及轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值fc／fcu随石粉含量βsp的变化情况。可见石粉含量较高时对C30混凝土抗压强度影响较小，对C40混凝土抗压强度有所提高，对C50混凝土抗压强度有所减小；以同组混凝土立方体抗压强度和轴心抗压强度的平均值为基准，可得到GA组、GB组和GC组混凝土的立方体抗压强度相对偏差依次为-3.1%～2.0%，-3.3%～6.5%和-3.3%～1.9%，轴心抗压强度相对偏差依次为-4.8%～4.7%，-7.9%～8.6%和-4.9%～6.7%。这说明石粉含量对轴心抗压强度的影响大于对立方体抗压强度的影响；对较高强度等级混凝土的影响大于对较低强度等级混凝土的影响。尽管如此，总体上看影响效果均比较小，实际工程应用可以不考虑石粉含量对混凝土抗压强度的影响。

图1 抗压强度随石粉含量的变化Fig.1 Variations of fcuand fc／fcuw ithβsprespectively

石粉含量为3%时fc／fcu为0.77～0.92，石粉含量为7%及以上时fc／fcu为0.82～0.87，可以看出石粉含量较低时造成的混凝土拌合物离析和泌水导致混凝土强度较大的离散性；同时由该比值按C30，C40和C50的顺序由大到小进行排序，说明机制砂的粗糙表面和多棱角形状提供的自相嵌固作用，从一定程度上减小了轴心受压混凝土的横向变形，提高了混凝土的轴心抗压强度。但机制砂混凝土的脆性破坏特征依然随着强度等级的提高而愈加明显，是与普通天然砂混凝土相一致的［1，12］。

由普通混凝土抗拉强度与立方体抗压强度的关系［12］：ft＝0.39，可计算本试验各配合比混凝土对应的抗拉强度值。图2示出了混凝土抗拉强度实测值及其与计算值的比值随石粉含量βsp的变化情况。可见除GA3的实测值小于计算值外，其他均大于计算值；随着石粉含量的增加，C30混凝土的抗拉强度降低，而C40，C50混凝土的抗拉强度则提高；以同组混凝土抗拉强度的平均值为基准，可得到GA组、GB组和GC组混凝土的抗拉强度相对偏差依次为±5.7%，-5.7%～5.4%和-9.0%～5.9%。这说明石粉含量对混凝土抗拉强度具有一定的影响作用，对强度等级高的混凝土影响相对明显。观察试块的劈裂破坏情况，C30混凝土为水泥石粉复合材料劈裂，C50混凝土基本上是沿着粗骨料界面，说明石粉对水泥石的强度有直接影响。

图2 抗拉强度随石粉含量的变化Fig.2 Variations ofandw ithβsprespectively

由表5可见，随着石粉含量的增加，混凝土抗弯强度与抗拉强度具有基本相同的变化规律，对C40混凝土的抗弯强度具有更为明显的提高作用。

由普通混凝土弹性模量与立方体抗压强度的关系［12］：Ec＝105／（2.2+34.7／fcu），可计算本试验各配合比混凝土对应的弹性模量值，图3示出了混凝土弹性模量实测值及其与计算值的比值随石粉含量βsp的变化情况。可见随着石粉含量的增加，弹性模量基本呈减小的规律，实测值及其与计算值的比值在1.07～1.33之间变化。这表明随着石粉含量的增加，较多的水泥石粉浆体消弱了骨料整体架构并加大了水泥石粉复合材料在受力时的粘性流动及粘弹性变形，从而导致混凝土弹性模量的降低。

图3 弹性模量随石粉含量的变化Fig.3 Variation ofandw ithβsprepectively

总体而言，所配制的混凝土基本力学性能满足现行混凝土结构设计规范规定的技术要求［13］。

3 结 论

在亚甲蓝试验结果符合要求的条件下，卵石破碎原状机制砂用于配制强度等级C30-C50混凝土时，石粉含量可突破现行《建筑用砂》（GB／T14684 -2001）的限制。根据本次试验结果，石粉含量由5%放宽到13%是可行的，既可保证混凝土拌合物的工作性能，又可满足现行混凝土结构设计规范对混凝土基本力学性能的要求。

应该注意，石粉含量较小（3%）和水灰比较大的混凝土拌合物将出现离析和泌水现象，使用高效减水剂将加重该现象的程度。

［1］ 赵顺波，夏 铭，刘春杰.人工砂粉煤灰混凝土基本力学性能试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2006，（2）：15-20.（ZHAO Shun-bo，XIA Ming，LIU Chunjie.Experimental study on mechanical properties ofmanufactured sand fly ash concrete［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2006，（2）：15-20.（in Chinese））

［2］ 黄绪通，韩正江.人工砂石粉含量对混凝土性能影响的研究和应用［J］.水力发电，1995，（1）：32-35.（HUANG Xu-tong，HAN Zheng-jiang.Application and study on influence of manufactured sand stone-powder content on concrete properties［J］.Water Power，1995，（1）：32-35.（in Chinese））

［3］ GB／T 14684-2001，建筑用砂［S］.北京：中国标准出版社，2001.（GB／T 14684-2001，Sand for building［S］.Beijing：China Standard Press，2001.（in Chinese））

［4］ JGJ 52-2006，普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2006.（JGJ 52-2006，Standard for technical requirements and testmethod of sand and crushed stone（or gravel）for ordinary concrete［S］.Beijing：China Building Industry Press，2006.（in Chinese）））

［5］ 贺图升，周明凯，李北星，等.石粉对机制砂混凝土拌合物泌水率的影响［J］.混凝土，2007，（2）：58-60（HE Tu-sheng，ZHOU Ming-kai，LIBei-xing，et al.Influence ofmicro-fines on bleeding rate of fresh concrete ofmanufactured-sand［J］.Concrete，2007，（2）：58-60.（in Chinese））

［6］ 吴明威，付兆岗，李铁翔，等.机制砂中石粉含量对混凝土性能影响的试验研究［J］.铁道建筑技术，2000，（4）：46-49.（WU Ming-wei，FU Zhao-gang，LI Tiexiang，et al.Experimental study on concrete properties influenced by stone-powder content ofmanufactured sand［J］.Railway Construction Technology，2000，（4）：46-49.（in Chinese））

［7］ 李兴贵.高石粉含量人工砂在混凝土中的应用研究［J］.建筑材料学报，2004，（1）：66-71.（LIXing-gui.Use ofm an-made sand with high content stone powder in concrete［J］.Journal of Building Materials，2004，（1）：66-71.（in Chinese））

［8］ 蔡基伟，李北星，周明凯，等.石粉对中低强度机制砂混凝土性能的影响［J］.武汉理工大学学报，2006，（4）：27-30.（CAI Ji-wei，LI Bei-xing，ZHOU Mingkai，et al.Effects of crusher dust on properties of low／medium strength concrete with manufactured sand［J］.Journal ofWuhan University of Technology，2006，（4）：27-30.（in Chinese）））

［9］ 李北星，周明凯，田建平，等.石粉与粉煤灰对C60机制砂高性能混凝土性能的影响［J］.建筑材料学报，2006，（4）：381-387.（LI Bei-xing，ZHOU Ming-kai，TIAN Jian-ping，et al.Effect of stone dust and fly ash on properties of C60 high performance concrete containing manufactured sand［J］.Journal of Building Materials，2006，（4）：381-387.（in Chinese））

［10］GB／T 50080-2002，普通混凝土拌合物性能试验方法标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2003.（GB／T 50080-2002，Standard for testmethod of performance on ordinary fresh concrete［S］.Beijng：China Building Industry Press，2003.（in Chinese））

［11］GB／T 50081-2002，普通混凝土力学性能试验方法标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2003.（GB／T 50081-2002，Standard for test methods of mechanical properties on ordinary concrete［S］.Beijing：China Building Industry Press，2003.（in Chinese））

［12］赵顺波.混凝土结构设计原理［M］.上海：同济大学出版社，2004（ZHAO Shun-bo.Design Principles of Concrete Structures［M］.Shanghai：Tongji University Press，2004.（in Chinese））

［13］GB50010-2002，混凝土结构设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.（GB50010-2002，Code for design of concrete structures［S］.Beijing：China Building Industry Press，2002.（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

Experimental Study on Lim it of Stone-powder of Gravel-crushed Proto-machine-made Sand for Concrete

LIFeng-lan，SUN Qiu-yan，ZHU Qian
（Henan Provincial Key Course Opening Laboratory of Hydraulic Structural and Material Engineering，North China Institute ofWater Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China）

The gravel-crushed proto-machine-made sands containing stone powder（particle size being less than 75 μm）with quantity content from 3%to 13%were used formixing concrete of grade C30，C40 and C50.The influences of stone powder contenton theworkability of fresh concrete and the compressive strength，tensile strength and elastic modulus of concrete were analyzed.It can be concluded that for the proto-machine-made sandsmade by the gravelswashed before crushed，the stone powder content can be taken over the limit specified in current standard of building sands.When the content is limited in 13%，the workability of fresh concrete is better，the compressive and tensile strength as well as the elastic modulus of concrete can satisfy the requirements of current code.The study is very important for the innovation of production techniques and the promotion of productivity.

concrete；gravel-crushed proto-machine-made sands；stone powder content；fresh concrete workability；compressive strength；tensile strength；elastic modulus

TU521.1；TU528.1

A

1001-5485（2010）08-0066-04

2009-10-27；

2010-01-17

郑州市科技领军人才资助项目（096SYJH23105）

李凤兰（1964-），女，河北武邑人，教授，主要从事土木工程材料研究，（电话）0371-69127380（电子信箱）lifl64＠ncwu.edu.cn。