摘要：在机制砂生产过程中，不可避免地会产生一部分石粉，即粒径小于75μm的颗粒。为探索石粉对机制砂砂浆性能影响的规律，本研究采用不同水灰比（W/C）和不同砂灰比（S/C）制备机制砂砂浆，测试不同石粉含量下机制砂砂浆的工作性能和力学性能。分析了不同配合比下，石粉含量对机制砂砂浆性能的影响规律。结果表明：适量的石粉能够改善砂浆的工作性能，同时石粉能够发挥填充效应，提高砂浆密实性，从而提高砂浆的力学性能；石粉的最佳含量随砂灰比的增大而减小，随水灰比的增大而增大。研究结果对指导机制砂砂浆最佳石粉含量的确定具有较好的参考价值。
关键词：石粉；机制砂；砂浆；工作性能；力学性能
0 引言
随着社会建设与发展加速，对于建筑材料的需求量急剧增大，砂作为砂浆或混凝土的组成部分需求量也不断增长。而受地域差异和政策的影响，优质河砂资源越来越少，作为替代品的机制砂使用量随之增大。石粉作为机制砂生产过程中的副产物，其粒径小于75μm，化学成分与母岩相同。为使资源利用最大化，目前石粉作为一种矿物掺合料被广泛利用。
由于采用生产工艺的不同，机制砂生产过程中石粉的含量差异较大。国标GB/T14684—2011《建设用砂》中规定石粉含量为10%。石粉含量对砂浆或混凝土性能的影响在研究中一直存在争议。部分专家认为，石粉能够增加拌合物中浆体量、改善拌合物工作性能；也有专家认为，石粉会增加骨料的比表面积，使拌合物需水量增大。肖斐等对比发现，石粉的掺入能够提高混凝土坍落度，且经时坍损变小。蔡基伟发现石粉含量为10%～15%时，能够提高中、低强度混凝土力学性能，随着石粉含量继续增多，中、低强度混凝土强度下降；Sua-Iam研究发现石粉含量在10%时混凝土平均抗压强度最佳；但也有人发现石粉含量为9%～12%时混凝土强度最佳。石粉主要在砂浆混凝土中起到填充效应，能够填充拌合物之间的空隙，提高拌合物密实度，影响拌合物性能。为了更好地研究石粉对机制砂砂浆性能的影响，本文用不同石粉含量，研究了不同砂灰比（S/C）与不同水灰比（W/C）砂浆工作性能与力学性能的变化规律，并分析其机理。
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，其化学组成及物理性能，分别见表1、表2。机制砂采用石灰岩质机制砂，其性能指标见表3。石粉为石灰石粉。水为纯净自来水。
表1 水泥化学组成%
表2 水泥的物理性能
表3 机制砂的物理性能
1.2 试验方法
通过测试新拌砂浆的扩展度得到砂浆的工作性能。按JGJ/T70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，测试成型40mm×40mm×160mm胶砂试块7d、28d抗折强度和抗压强度得到砂浆的力学性能。
2 结果与分析
为研究石粉对砂浆性能的影响，探究了不同水灰比（0.45、0.55、0.60、0.65）和不同砂灰比（1:1、2:1、3:1）下，不同石粉含量（0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%）对砂浆工作性能和力学性能的影响。
2.1 石粉对不同砂灰比砂浆性能的影响
2.1.1 工作性能
水灰比为0.5的前提下，不同砂灰比新拌砂浆在不同石粉含量时的扩展度，如表4所示。可以看出，随着石粉含量的增多，砂浆拌合物扩展度呈现出先增大后减小的趋势。当砂灰比为1:1时，砂浆拌合物扩展度在石粉含量为5%时达到最大，但此时有泌水离析现象，石粉进一步增多至15%时，扩展度减小，已无离析泌水，工作性能得到改善；当砂灰比为2:1时，砂浆拌合物扩展度在10%时达到最大，为210mm×213mm，与空白组相比略有增大，且无离析泌水现象，石粉进一步增多，砂浆工作性能急剧劣化；当砂灰比为3:1时，砂浆拌合物扩展度在5%时达到最大，但由于砂灰比较大，石粉对坍落度的影响并不明显。可见，石粉能够改善砂浆拌合物的工作性能，砂灰比为3:1、2:1、1:1时，最佳石粉含量分别为15%、10%、5%，随着砂灰比的逐渐增大，最佳石粉含量逐步减小。这是由于，适量的石粉可以充分填充砂子之间的空隙，置换出空隙中的水增大了砂浆拌合物中自由水的含量，从而增加砂浆的流动性。
表4 不同砂灰比砂浆扩展度mm×mm
2.1.2 力学性能
不同砂灰比砂浆在不同石粉含量时的抗折强度，如表5、图1所示。可以看出，砂浆抗折强度规律相同，呈现先增大后减小的趋势。从图1(a)中看出，砂浆7d抗折强度在砂灰比为3:1、2:1、1:1，石粉含量在0%时分别为8.4MPa、7.6MPa、7.5MPa；随着石粉含量增多，抗折强度分别在石粉含量为5%、10%、15%时达到最大，分别为9.8MPa、8.6MPa、8.6MPa，较石粉含量为0%时，分别提高了16.7%、13.2%、14.7%。图1(b)中，砂浆28d抗折强度随着养护龄期的增长，强度均高于7d时，呈现的规律与7d时相同。
不同砂灰比砂浆在不同石粉含量时的抗压强度，如表6、图2所示。可以看出，砂浆抗压强度规律相同，随石粉含量增多，呈现先增大后减小的趋势。图2(a)中，砂浆7d抗压强度在砂灰比为3:1、2:1、1:1，石粉含量0%时分别为45.2MPa、41.1MPa、40.1MPa；在石粉含量分别为5%、10%、15%时强度达到最大。石粉含量继续增多，强度逐渐减小。28d时，随着水化反应时间增长，抗压强度整体高于7d，但规律相同。可以看出，抗压强度与抗折强度的规律保持一致。
表5 不同砂灰比砂浆抗折强度
图1 石粉对不同砂灰比砂浆抗折强度的影响
表6 不同砂灰比砂浆抗压强度
图2 石粉对不同砂灰比砂浆抗压强度的影响
2.2 石粉对不同水灰比砂浆性能的影响
2.2.1 工作性能
在S/C=2:1的前提下，不同水灰比新拌砂浆在不同石粉含量时的扩展度，如表7所示。可以看出，随着石粉含量的增多，砂浆拌合物的坍落扩展度逐渐减小。在低水灰比时（W/C=0.45），砂浆的坍落度持续下降，在石粉含量低于10%时，砂浆拌合物具有良好的工作性能。在较大水灰比时（W/C＞0.45），不含石粉砂浆拌合物均有离析泌水现象，随着石粉掺量的增加，砂浆的泌水现象消失同时粘聚性大大增强，砂浆拌合物具有良好的和易性。
可见，在大水灰比时，适量的石粉可以作为微集料，使砂浆拌合物中水粉比变小，由于粉体总比表面积的增大，从而引起需水量的增大，在不改变用水量的情况下使部分自由水得到约束，可以改善砂浆的粘聚性，降低泌水，改善砂浆的和易性，提高工作性能。但石粉含量过大，会导致砂浆拌合物中需水量不足，使工作性能急剧劣化。
表7 不同水灰比砂浆扩展度mm×mm
2.2.2 力学性能
石粉对不同水灰比砂浆抗折强度的影响，如表8、图3所示。可以看出，砂浆7d和28d抗折强度规律相同，呈现先增大后减小的趋势。图3(a)中，砂浆在水灰比0.45、0.55、0.60、0.65，石粉含量0%时，抗折强度分别为8.4MPa、7.6MPa、7.0MPa、6.8MPa；随着石粉含量的增多，分别在石粉含量为5%、10%、15%和20%时达到最大。图3(b)中，28d抗折强度随着龄期的增长，强度高于7d强度，规律与7d相同。
石粉对不同水灰比砂浆抗压强度的影响，如表9和图4所示。可以看出，砂浆抗压强度呈现先增大后减小的趋势，7d和28d规律相同。图4(a)中，砂浆在0.45、0.55、0.60、0.65水灰比时，抗压强度分别在石粉含量为5%、10%、15%、20%时达最大，分别为52.1MPa、44.3MPa、35.4MPa、30.6MPa。28d时，抗压强度均高于7d。且与抗折强度规律相一致。
可见，砂浆在具有较高的强度时，也具有较好的工作性能。石粉的最佳含量随着水灰比的增大，逐渐增多。这是由于石粉在砂浆中充分发挥了填充效应，一方面在大水灰比时适量的石粉在砂浆拌合物中利用自身具有大的比表面积，能够吸附部分多余的游离水，从而改善砂浆离析泌水，提高砂浆拌合物的粘聚性，使砂浆的工作性能得到改善；另一方面，由于石粉不具有火山灰活性，在砂浆中能够填充颗粒堆积物之间的空隙，使砂浆中各组分之间堆积更加紧密，砂浆密实度得到提高，从而使砂浆具有更好的力学性能。
表8 不同水灰比砂浆抗折强度
图3 石粉对不同水灰比砂浆抗折强度的影响
表9 不同水灰比砂浆抗压强度
图4 石粉对不同水灰比砂浆抗压强度的影响
3 结论
为探索石粉对砂浆性能的影响规律，研究不同水灰比和不同砂灰比下，石粉含量对砂浆工作性能和力学性能的影响，得到的主要结论如下：
（1）适量的石粉能够提高砂浆的工作性能，且最佳工作性能对应的石粉含量，受水灰比和砂灰比影响。
（2）在砂灰比分别为3:1、2:1和1:1时，随着石粉含量的增加，砂浆的力学性能均呈现先增大后减小的规律，但最佳石粉含量不同，分别为5%、10%、15%，即最佳石粉含量随着砂灰比的增大而减小。
（3）在不同水灰比分别为0.45、0.55、0.60和0.65时，随着石粉含量的增加，砂浆的力学性能也均呈现先增大后减小的规律，但最佳石粉含量亦不同，分别为5%、10%、15%、20%，即最佳石粉含量随着水灰比的增大而增大。
< 完 >
