机制砂中细粉对混凝土性能的影响及机理研究

机制砂中细粉对混凝土性能的影响及机理研究

任梦

中交一公局厦门工程有限公司

摘要：本文研究了机制砂中细粉含量对混凝土性能的影响，以及细粉在混凝土中的作用机理。通过分析细粉的物理和化学特性，考察了其对新拌和硬化混凝土的具体影响。研究显示，细粉含量的增加会在一定程度上影响混凝土的工作性，包括其流动性、和易性。此外，细粉的细微粒径和较高的比表面积可能会增加水泥浆的需水量，从而影响混凝土的强度和耐久性。研究结果为建筑材料行业提供了关于如何合理控制机制砂中细粉含量，优化混凝土配比的指导。

关键词：机制砂；细粉；混凝土性能；影响；机理研究

引言

建筑业的蓬勃发展，对高品质混凝土需求持续增长，机制砂作为一种可以广泛取代天然砂的新型骨料，在混凝土工程中具有重要地位。然而，机制砂制造过程中不可避免地产生细粉，这些细粉在混凝土中扮演的角色复杂而多样。细粉的物理性质，如粒径和形状，以及化学成分，都会影响混凝土的凝结时间、硬化过程和最终强度。本研究通过实验方法详细分析了细粉对混凝土性能的影响，并探讨了其潜在的作用机理，旨在为混凝土的更优使用提供科学依据。

本文研究了通过对不同来源和制备方式的细粉进行细致探讨，结合细粉在水泥与减水剂相容性、混凝土拌合物流变性以及硬化后力学性能等方面的实验分析，综合运用物理化学的方法展示细粉对混凝土性能的多维影响。通过这些研究，将对机制砂在高性能混凝土中的更加合理应用提供重要的理论支撑和实践参考。

1 项目背景

本项目路线总体呈东北至西南走向，主线路线起于福建省南平市建阳区潭城街道考亭村(新兴村)附近，接武夷新区绕城高速(京台高速西移工程)的建阳复合枢纽互通，路线全长49.239公里。主线采用四车道高速公路标准，设计速度100km/h，路基宽度26.0m(分离式路基为 13.0m)，隧道2座，桥梁36座，汽车设计荷载为公路1级，设计洪水频率:特大桥 1/300、余为1/100。

2 原材料和试验方法

2.1原材料

2.1.1胶凝材料

项目试验中使用的胶凝材料主要包括水泥和粉煤灰，水泥选用建阳海螺水泥厂，主要生产复合32.5、42.5号的水泥，这两种水泥代表了常用的普通硅酸盐水泥。在实验过程中，水泥的质量控制十分重要，以保证混凝土的性能稳定性和可靠性。而粉煤灰则选用了福建永安火电厂生产的F类II级粉煤灰，其作为一种常用的矿物掺合料，可以在一定程度上改善混凝土的工作性能和耐久性能。

2.1.2细粉

项目试验中所采用的细粉有两种来源，一种是从机制砂中直接筛分获得的原状细粉，这种方式较为直接，能够较好地保留细粉的原始物理和化学性质。原状细粉通常包含自然界中的矿物成分和颗粒，其粒度分布和细度对混凝土的性能有直接影响。另一种细粉是通过粉磨水洗机制砂获得的粉磨细粉。此过程涉及对机制砂的进一步处理，通过物理方法如粉磨，以达到更细的粒度，从而改善混凝土的密实性和强度。粉磨细粉的使用在提高混凝土的密实性和减少孔隙中发挥着关键作用，同时也影响了水泥砂浆的流变性质。这两种细粉的特性和使用效果，在混凝土制备中有着不同的表现，对混凝土的工作性和最终硬化性能都产生深远影响。在选择细粉类型和使用策略时，需考虑其对混凝土整体性能的具体贡献和可能的技术挑战。

2.1.3泥粉

高岭土（KL）、膨润土（BT）和页岩粉（SP），是项目试验常用的泥粉。高岭土是一种重要的陶瓷原料，以其良好的可塑性和烧结性而知名。膨润土，作为一种化工产品，因其吸水膨胀的特性而广泛应用于工业和环境工程领域。页岩粉则是通过球磨页岩碎石制得，通常用于改善混凝土或其他复合材料的性能。在实验中，这三种泥粉均需通过0.075mm方孔筛进行筛选，以确保粉末的细度和均匀性。这一过程对于确保最终产品的质量和一致性至关重要。筛选后的泥粉将根据其物理和化学性质在不同的试验组合中使用，旨在探究其对混凝土结构性能的具体影响。

2.1.4减水剂

项目试验中所采用的减水剂有两种，一种是萘系减水剂为棕黄色固体粉末，固含量为30.2%，另一种是聚羧酸减水剂为浅黄色液体，固含量为38.8%。萘系减水剂以其优异的减水效果而闻名，能有效改善混凝土的流动性和可泵性，同时提高混凝土的强度和耐久性。聚羧酸减水剂则具有更高的固含量和更好的分散性能，能够在混凝土中形成稳定的分散体系，使混凝土拥有更好的流变特性和耐久性。

2.2试验方法

2.2.1细粉性能试验

项目试验中对细粉的性能进行评估，主要考察以下几个方面：密度、矿物和化学组成、粒形和粒度分布、细度、需水性、活性以及吸附性。

密度是指单位体积内细粉的质量，直接关系到其在混凝土中的填充效果和强度特性；矿物和化学组成则决定了细粉的化学稳定性和与水泥胶凝体系的相容性[1]；粒形和粒度分布影响着细粉的流动性和充填性，对混凝土的工作性能有着重要的影响，本文采用中位径D50评价颗粒粒度，Span参数评价颗粒粒度的分布区间，其计算如公式（

1）；细度指细粉的颗粒尺寸大小，直接关系到混凝土的强度和密实性；需水性和活性是衡量细粉对混凝土水化反应的促进程度的指标，而吸附性则影响着细粉与其他材料的粘附性能，测试吸附性除试样为30g过75um筛的细粉外,其试验程序与GB.T14684-2011中机制砂MBV测试方法一致。细粉的MBV按公式(2）计算。通过细粉性能试验，可以全面了解其对混凝土性能的影响，为配合比设计和混凝土制备工艺提供可靠的依据。

                             (1)

D90，D50，D10-通过率分别为90%、50%、10%时所对应的颗粒粒径。

                     (2)

MBV-细粉的MB值(g/kg)，表示每千克0-0.075mm细粉试样所吸附的亚甲蓝克数；

M-细粉试样质量(g)；

V-所加入亚甲蓝溶液的体积(mL)。

2.2.2混凝土性能试验

在混凝土性能试验中，关注的主要指标包括工作性、抗压强度、吸水率以及耐久性。工作性决定了混凝土的施工便捷程度，直接影响其均匀性和整体质量。抗压强度是评价混凝土能承受多大压力而不发生破坏的关键参数，它直接关系到建筑结构的稳定性和安全性。吸水率则指示混凝土在暴露于水分环境下的性能表现，高吸水率可能导致结构内部的腐蚀和寿命降低。耐久性涉及混凝土在长期受力和恶劣环境下的性能维持情况，是确保建筑长期有效使用的重要因素。通过这些试验，可以深入了解混凝土的各项性能，优化其配比和改进施工技术，从而提高建筑的整体性能和经济价值。

3 机制砂中细粉的特性研究

3.1原状细粉的特性表征

3.1.1细度

在机制砂中细粉的特性研究中，细度是评价细粉质量的关键指标之一。细度通常通过比表面积来表征，该参数可通过Mini-tab软件进行统计分析。如图1所示，虽然所有细粉都被定义为粒径小于75微米的颗粒，但其比表面积的实际测量值介于104.0至405.2平方米/千克之间，平均值为270.9平方米/千克，标准差为83.42平方米/千克，变异系数为0.308[2]。这表明尽管细粉按粒径被统一分类，其物理特性却表现出显著的差异性。

图1细粉细度的统计分布图

这些差异主要受原料母岩的矿物成分和细粉的生产工艺影响。例如，不同类型的岩石（如花岗岩、石灰石等）在粉碎过程中产生的细粉具有不同的细度和比表面积。此外，生产工艺，如磨粉细度的调整、筛选技术和处理时间等，也会对细粉的比表面积产生重要影响。

3.1.2粒度分布

在分析机制砂中原状细粉的特性时，对其粒度分布的研究显得尤为重要。通过对多种细粉样本的测试，可以观察到它们的粒度分布情况，如图2所示，揭示了具体的粒度特征。测试结果表明，与P.O 42.5水泥的粒度主要集中在20微米左右不同，细粉的粒度普遍位于40至50微米范围内，且展现出比水泥更广泛的粒度分布。

图2 几种细粉的粒度分布曲线

3.2不同制备方式细粉的特性对比

在研究机制砂中不同制备方式所得细粉的特性时，分别采用了四种不同的制备方法，产生了四种细粉：原状细粉（OMF）、处理细粉（PMF）、水筛细粉（WMF）、粉磨细粉（GMF）。这些细粉通过特定的处理过程，例如干筛、水洗、水筛和粉磨，从不同的机制砂原砂中得到。特别选取了两种具有显著生产条件差异的机制砂：MSG（前端除土，白云岩）和MSP（前端未除土，石灰岩），以此来探究不同细粉的性能表现[3]。

对比分析显示，这四种细粉在物理和化学特性上存在明显差异。通过75微米筛的筛选和在100℃下进行烘干处理，保证了实验的一致性和可比性。初步数据表明，干筛和水洗过程对细粉的纯度和粒度分布有显著影响。例如，处理细粉（PMF）比原状细粉（OMF）展现出更低的粘土和有机物含量，这可能是由于水洗过程中的清洗效果。

水筛细粉（WMF）与粉磨细粉（GMF）相比，展示了不同的细粒级配和更均匀的粒度分布。粉磨处理似乎能有效减小粒度，使得细粉具有更好的分散性和更高的表面活性，这对混凝土的流动性和密实度是有利的。此外，由于不同的原料砂和处理方法，这些细粉的矿物组成也显示出差异，这可能进一步影响它们在混凝土中的水化反应和最终硬化特性。

4 实验讨论

4.1细粉对水泥与减水剂相容性的影响

4.1.1细度的影响

在探讨细粉细度对水泥与减水剂相容性的影响时，实验数据显示细度不同的石粉对水泥浆体流动性有显著提升效果。如图3和4所示，随着减水剂掺量的增加，其流动度也呈增加趋势，直至达到一个稳定的掺量点（饱和掺量点）。在该点，萘系和聚羧酸减水剂的最优掺量分别维持在1.0%和0.5%，未因细度的变化而改变。发现细粉的细度提高，可以有效改善水泥与减水剂之间的相容性，增加混凝土的工作性。细度较高的石粉因具有较大的比表面积，可能更好地与减水剂作用，从而提高混合物的整体稳定性和可操作性。此外，这种提升也表明了在混凝土设计和施工过程中，选择合适细度的石粉是至关重要的，以确保材料的性能和质量符合预期标凈。

图3 细粉细度对流动度的影响    图4 细粉细度对流动度经时损失的影响

4.1.2矿物成分的影响

钙质和硅质石粉的加入对水泥浆体的流动性和流动度经时损失率产生了一定影响。实验结果表明，钙质和硅质石粉相对于其他细粉类型，在水泥与减水剂相容性方面的作用相对较弱[4]。可能是因为它们的特性不够活跃，无法有效地与减水剂发生作用，或者与水泥胶体的相互作用不足以改变减水剂的最优掺量。然而，在混凝土配制过程中，仍然需要综合考虑石粉的矿物成分以及其他物理化学特性，以确保混凝土材料的整体性能和稳定性。

4.2细粉特性对硬化混凝土性能的影响

在混凝土的硬化过程中，细粉特性对其性能的影响显著。细粉的矿物组成、粒度分布和表面特性是影响硬化混凝土性能的关键因素。研究表明，具有较细粒度的细粉能更好地填充水泥矩阵中的微观空间，从而提高混凝土的致密性和强度。此外，细粉的化学活性也是决定其在水化过程中作用的重要因素，活性较高的细粉可以促进更快的水化反应，增强混凝土的早期强度。特别是，细粉的吸水性和表面粗糙度可以影响水泥浆体的粘结性能。细粉表面粗糙度高的话，可以提供更多的粘结点，有助于提升硬化混凝土的抗压强度和耐久性。然而，过高的吸水性可能导致水泥浆体水分不足，影响其固化和强度发展。

结语

研究表明，机制砂中细粉对混凝土性能产生了多层次的影响，无论是从水泥与减水剂的相容性，还是从硬化混凝土的力学性能来看，细粉的细度和矿物成分都起到了关键作用。在不同细度的细粉对混凝土性能的影响中，细度较细的细粉能够提升混凝土的初期流动性，但也增加了减水剂的使用量。同时，细粉的矿物成分不同，对混凝土的早期强度和长期耐久性有显著影响。研究结果为机制砂细粉在混凝土中的科学应用提供了理论依据，通过合理控制细粉含量和优化混凝土配合比，可以有效提高混凝土的性能和耐久性。这不仅对于提高建筑工程质量具有重要意义，也为推动机制砂的广泛应用提供了技术支持。未来进一步的研究将聚焦于不同环境和施工条件下细粉对混凝土性能的影响，为全面提高混凝土的使用效果提供更加可靠的数据和理论指导。

参考文献：

【1】尹键丽.水洗机制砂中絮凝剂对混凝土性能的影响研究[J].混凝土世界,2023(2):14-18.

【2】陈晓松.不同机制砂对混凝土工作性能的影响及改善措施研究[J].江西建材,2023(6):31-32,35.

【3】胡廷志.机制砂石粉含量对混凝土性能的影响研究[J].西部交通科技,2022(3):30-33.

【4】胡金泉,裴万胜,王冲,等.超低温混凝土力学性能与抗冻融耐久性研究进展[J].冰川冻土,2024,46(1):111-125.