摘 要：石粉主要是指岩石经过机械加工后的粒径小于0．16 mm的微细颗粒。在研究了有关资料的基础上, 综合分析了石粉对碾压混凝土性能的影响。
关键词：石粉; 碾压混凝土; 性能
1 概 述
石粉主要是指岩石经过机械加工后的粒径小于0．16 mm 的微细颗粒, 它包括人工砂中粒径小于0．16 mm的细颗粒和专门磨细的岩石粉末。碾压混凝土配合比设计中, 石粉含量一般是指石粉占人工砂质量的百分数。石粉形貌与水泥颗粒相似, 为形状不规则的多棱体。由于碾压混凝土中胶凝材料和水的用量较少, 当人工砂中含有适量的石粉时,因与掺合料的细度基本相当, 石粉在砂浆中能够替代部分掺合料, 与胶凝材料一起起到填充空隙和包裹砂粒表面的作用, 即相当于增加了胶凝材料浆体, 能在一定程度上改善灰浆量较少的碾压混凝土拌和物的和易性, 增进混凝土的匀质性、密实性、抗渗性, 提高混凝土的强度及断裂韧性, 改善施工层面的胶粘性能, 减少胶凝材料用量, 降低绝热温升。适当提高石粉含量, 可降低成本, 是提高混凝土质量的措施之一。
人工砂石料中石粉的含量和粒径分布与人工砂石料的生产设备、生产工艺和岩石种类有关。如百色水利枢纽碾压混凝土主坝工程采用辉绿岩骨料, 受生产工艺、生产设备和岩石种类的影响, 人工砂中石粉含量大, 占20%～24%, 其中微粉(即小于0．08 mm)占石粉的40%～60% ; 江垭大坝混凝土骨料生产采用意大利产的碎石机, 石质为灰质白云岩、灰岩及白云质灰岩,所生产的人工砂中石粉含量约占细骨料18．9%, 其中小于0．075 mm的微粒约占13．9%, 小于0．005 mm的微粒含量仅占1% ; 索风营水电站工程采用PL—8500立轴式破碎机生产骨粒, 石质为石灰岩, 石粉含量为17%～21．8%, 平均18．3%, 小于0．08 mm的石粉含量为11．6%～14．4%, 平均12．8% 。
已见报道生产石粉的岩石种类较多, 如石灰岩、凝灰岩、辉绿岩、花岗岩、片岩、白云质灰岩等, 它们化学成分各不相同, 多为非活性材料。有的石粉也具有一定的活性, 可能参与胶凝材料水化反应。但是, 即使有活性的石粉因其长期沉积而转化为稳定的晶体, 所以其活性很低。因此, 石粉活性与粉煤灰、矿渣、磷矿渣等活性材料对比要低得多, 即它们的火山灰活性效应作用不大。但是, 其能发挥微集料作用, 充填水泥颗粒之间的空隙和优化细粉料(包括水泥和活性混合料)的级配。同时, 由于其形貌为多棱体, 浆体之间的结合力好, 机械咬合力高。因此, 它们能改善碾压混凝土的工作性和可碾压性, 并对混凝土的强度有贡献。
2 石粉含量对碾压混凝土工作性的影响
2．1 保持水泥用量不变, 石粉取代部分粉煤灰
陈改新研究表明: 保持水泥用量不变的条件下,将砂中的石粉含量由10%增加到16．1% , 用石粉取代18～48 kg(15% ～41% )粉煤灰, 石粉取代量对碾压混凝土的VC值几乎没有影响。周云虎研究表明,在用水量、掺和料总量( F + SF)不变的条件下, 用石灰质石粉替代粉煤灰(25%～100%) , 石粉替代粉煤灰的量对混凝土VC值影响不大。陆采荣等研究表明,在保持水泥用量、水胶比、掺合料总量( F + SF)不变的条件下, 用凝灰岩石粉替代磷矿渣(38% ～67%)对混凝土VC值影响不大。因此, 一般情况下, 石粉取代粉煤灰的量在较大范围内对碾压混凝土工作性的影响不大。
2．2 保持水泥和粉煤灰(或其他活性掺和料)用量不变的条件下, 增加人工砂中石粉含量
陈改新用石灰岩人工砂石料研究表明: 保持水泥用量和粉煤灰用量不变的条件下, 人工砂中的石粉含量由13．6%增加到18．8% , 碾压混凝土的VC值基本上没有增大。而朱国伟用辉绿岩人工砂石料研究表明: 石粉含量高低对碾压混凝土的VC 值有很大影响, 对碾压混凝土的用水量影响也很大。同时, 石粉含量对碾压混凝土的凝结时间影响也很大。大部分研究成果表明, 石粉含量低于20%时, 石粉含量对碾压混凝土的VC影响不大。但是,对于特种石料如辉绿岩以及细颗粒(小于0．08 mm以下)含量特别大(一般超过40%以上) , 或石粉含量超过20%以上的情况, 石粉含量对碾压混凝土的VC值影响较大。
2．3 石粉含量对碾压混凝土α值的影响
浆量(水泥+活性混合材的浆体总量)与细骨料的孔隙体积之比值为α值。α值表达胶凝材料浆体的富裕程度, 受胶凝材料浆体总量和砂子孔隙率的影响。砂子孔隙率的大小主要由砂子的级配和石粉含量决定, 当胶凝材料浆体量一定时, 砂子的级配也一定时, 石粉含量对α值的影响就很大。何金荣等人采用贵州索风营水电站的砂料进行试验表明:α值开始时随砂中石粉含量的增大而增大, 此时砂的紧密度也增大。当石粉含量达到16%左右, α值达到最大, 砂子的密度也最大, 砂子孔隙率最小。当石粉含量继续增大时, α值不再增大而呈缓慢下降。陈改新(采用不同的材料)试验结果表明: 石粉含量在18% ～20%时, 堆积密度最大、空隙率最小。不同的人工砂的级配不同, 石粉的颗粒分布不同, 当其堆积密度最大, 空隙率最小、α值最大时其石粉含量也不同。但其规律是相同的, 即α值开始时随着石粉含量的增大而增大, 到达最佳含量时, α值最大。随后随着石粉含量增大, α值呈缓慢下降趋势。尤其对于用天然砂和卵石骨料时, 砂的细度模量又较大时, 增加石粉含量, 对增加混凝土工作性及密实性起重要作用。
3 石粉含量对碾压混凝土强度的影响
3． 1 石粉替代部分活性掺合料(即内掺)
水泥胶砂对比试验分析结果(见图1)表明, 石灰岩石粉替代部分粉煤灰, 对胶砂的需水量没有太大影响, 其抗压强度、抗折强度随替代量的增加而下降。凝灰岩石粉替代部分磷矿渣, 其抗压强度也随替代量增加而下降(见图2)。不管是石灰岩石粉还是凝灰岩石粉, 其替代量越大( > 50%) , 后期强度增长越小(28～90 d) , 这是由于这两种石粉都是非活性掺合料,火山灰效应极低的缘故。用石灰岩石粉取代粉煤灰试验表明: 增加用水量, 保持工作度VC值不变, 石粉取代粉煤灰量由18 kg增加到48 kg, 碾压混凝土的抗压强度呈下降趋势, 但降幅不大; 保持水胶比、水泥用量不变, 用石灰岩石粉取代粉煤灰, 掺外加剂调整工作度, 所配制的碾压混凝土的抗压强度随石粉取代量的增加而下降, 其抗折强度也随石粉替代量的增加而下降。当替代量为25%时, 其7 d抗压强度下降≤10% , 28 d抗压强度下降≤18% , 28 d抗折强度下降≤10% , 90 d抗压强度下降≤10%; 当替代量为50%时, 其7 d抗压强度下降≤15% , 28 d抗压强度下降≤26% , 28 d抗折强度下降≤25% , 90 d抗压强度下降≤24% (见表1、表2及图3、图4)。
3．2 保持水泥用量和粉煤灰用量不变的条件下, 增加石粉含量(外掺)
陈改新实验研究认为: 当水胶比为0．42, 保持水泥用量和粉煤灰用量不变的条件下, 石灰岩石粉含量从13．6%增加到18．8%时, 对碾压混凝土抗压强度没有明显不利影响 ; 朱国伟利用辉绿岩人工砂及其石粉进行实验研究, 结果表明: 保持水胶比、砂率、单方外加剂用量、单方粉煤灰用量不变、调整用水量达到一样工作度的条件下, 当石粉含量从14%上升到16%时, 其抗压强度、抗折强度均增大; 当石粉含量从16% ～18%时, 其抗压强度、抗折强度没有明显变化, 同时达到最大值; 当石粉含量从18% ～24%时, 其抗压强度随石粉掺量增加而下降, 28 d劈拉强度也有下降趋势(见表3和图5) 。
在保持水泥用量和粉煤灰用量不变条件下, 石粉含量对碾压混凝土强度有一定影响, 当砂子密度最大, 空隙率最小, 碾压混凝土密度最高时, 石粉含量为最佳, 此时碾压混凝土的强度最高。石粉含量在某一段范围内对强度影响不大, 这一范围因材而异, 使用不同材料, 其范围也不尽相同。
3．3 包裹在粗骨料表面的石粉对碾压混凝土强度影响
吴金灶等人采用三德P．Ｏ42．5水泥、嵩屿Ⅱ级粉煤灰和汕头Ⅱ级粉煤灰、人工砂石料等原料进行试验, 研究包裹在粗骨料表面的石粉对碾压混凝土强度的影响, 试验结果见表4、表5。结果表明:包裹在粗骨料表面的石粉会降低碾压混凝土的抗压强度、劈拉强度和轴拉强度。抗压强度降低幅度小些, 劈拉强度降低幅度大些。包裹在粗骨料表面的石粉对碾压混凝土的劈拉强度影响比较大。随着龄期的增长, 包裹在粗骨料表面的石粉对碾压混凝土的抗压强度的影响有所减弱 。这是由于包裹在粗骨料表面的石粉势必造成拌和砂浆与粗骨料表面之间粘结力下降(或机械咬合力下降) 。随着龄期增长, 胶凝材料进一步水化, 新生成的C - S - H凝胶不断渗入粗骨料表面, 改善了粗骨料与砂浆之间的界面结构, 增强砂浆与粗骨料的机械咬合力, 因此, 对强度的影响有所减弱。
4 石粉含量对碾压混凝土其他力学性能的影响
资料表明: 在大掺量粉煤灰富胶凝材料用量碾压混凝土中可以用石粉取代部分粉煤灰, 当单方取代28 kg粉煤灰时(即取代量= 23．72%) , 其90 d、180 d抗压强度有所增长, 7 d、28 d强度略有降低; 28 d、90 d、180 d轴拉强度有所提高; 28 d弹性模量有所降低, 但90 d、180 d弹性模量有所提高; 28 d、90 d、180 d极限拉伸均有所提高。保持水胶比、粉煤灰用量不变的条件下, 适当调整用水量, 当石粉含量从14%～20%时, 碾压混凝土28 d极限拉伸值, 抗拉弹模、抗压弹模变化不大。当石粉含量从22% ～24%时, 碾压混凝土28 d 极限拉伸值, 抗拉弹模、抗压弹模呈下降趋势(见表6) 。
5 石粉含量对碾压混凝土干缩性、抗冻性和抗渗性的影响
朱国伟等人研究在保持水胶比(0．60)、砂率(34%)、粉煤灰掺量( 63% )不变的条件下, 石粉含量对碾压混凝土干缩性能的影响。研究结果表明: 随着石粉含量的增加, 混凝土各龄期的干缩值增加。龄期短, 其干缩增大值小些; 龄期长, 其干缩增大值大些。
在大掺量粉煤灰富胶凝材料用量条件下, 石粉可部分取代粉煤灰。当取代量不超过20%时, 其抗冻性能、抗渗性能相当。周云虎研究表明: 石粉取代粉煤灰量达到75%时, 其抗渗等级仍大于W10 。适量掺入石粉(不管是外掺, 还是内掺)都有利于提高混凝土的抗渗性和抗冻性。
6 结 论
(1)石粉是指颗粒小于0．16 mm的经机械加工的岩石微细颗粒, 形貌为形状不规则的多棱体, 为非活性掺合料, 掺入混凝土中, 可改善细粉料的颗粒级配,有填充效应, 并可提高浆体之间的机械咬合力。
(2)一般情况下, 石粉取代粉煤灰, 取代量对碾压混凝土工作性影响不大。
(3)保持水泥用量和粉煤灰用量不变的条件下, 当石粉含量低于20%时, 石粉含量对碾压混凝土的工作性影响不大。但是, 对于特殊石料如辉绿岩以及细颗粒(小于0．08 mm以下)含量特别大(一般超过40%以上) , 或石粉含量超过20%以上, 石粉含量对混凝土的工作性影响较大。
(4)石粉取代粉煤灰时, 随着取代量的增加, 其抗压强度、劈拉强度呈下降趋势。当取代量不大于25%时, 其强度下降幅度不大。
(5)保持水泥用量和粉煤灰用量不变的条件下, 石粉含量对碾压混凝土强度有影响。当砂子密度最大,空隙率最小, 碾压混凝土密度最高时的石粉含量为最佳含量。此时, 碾压混凝土的强度最高。石粉含量在某一段范围内对其强度影响不大。而这一范围因材而异, 使用不同材料, 其范围也不尽相同。
(6)包裹在粗骨料表面的石粉会降低碾压混凝土的抗压强度、劈拉强度和轴拉强度。抗压强度降低幅度小些, 抗拉强度降低幅度大些。对早期强度影响大些, 对后期强度影响小些。
(7)在大掺量粉煤灰富胶凝材料用量条件下,石粉适量(不大于20%)取代粉煤灰, 对抗压强度、轴拉强度、弹性模量、极限拉伸影响不大。保持水胶比、胶凝材料用量不变的条件下, 石粉含量在某一范围内,对碾压抗压强度、极限拉伸、弹模影响不大。当超过某一值后, 随着石粉含量的增加, 碾压混凝土的抗压强度、极限拉伸、弹模呈下降趋势。
(8)不管石粉是内掺, 还是外掺, 随着石粉含量的增加, 其碾压混凝土干缩值将增大。
(9)适量掺入石粉(不管是内掺, 还是外掺) , 都有利于提高混凝土的抗渗性和抗冻性。
