機(jī)制砂對高強(qiáng)度混凝土性能影響研究

康夢安，胡衛(wèi)濤，周世康

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的突飛猛進(jìn)，一幢幢國家級建筑工程拔地而起，建筑資源在不斷的被消耗，且我國近年來環(huán)境保護(hù)力度也在不斷加大，對于河道天然砂資源的開采也加強(qiáng)了控制，致使可開采天然砂越來越少，機(jī)制砂在工程中的應(yīng)用也越來越廣泛。機(jī)制砂經(jīng)人工破碎而形成的棱角尖銳、表面粗糙的小級配顆粒，與天然砂相比機(jī)制砂石粉含量較高、顆粒內(nèi)部微裂隙較多，致使新拌混凝土性能差異明顯，目前絕大部分分機(jī)制砂替代天然砂使用還僅局限于低標(biāo)號混凝土中，且石粉含量對混凝土性能的影響，也一直是國內(nèi)外研究學(xué)者存在爭議的地方[1-4]。本文基于機(jī)制砂配制的C50、C55高性能混凝土，對機(jī)制砂混凝土的工作性能、力學(xué)性能、耐久性變形性能等進(jìn)行了全面的研究，并探討了其適用領(lǐng)域。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料特性

本研究涉及試驗(yàn)用原材料均為某工程實(shí)際用材，其中減水劑為減水率為28%的聚羧酸高性能減水劑，其它材料特性見表1。

1.2 混凝土配合比

研究過程中所涉及的配合比均采用工程實(shí)際配合比，其中，主要配合比見表2。

表1 原材料特性

表2 混凝土配合比 kg/m3

2 混凝土的工作性

研究采用表2所示的混凝土配合比制備新拌混凝土，其新拌混凝土工作性的試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1可知，同一強(qiáng)度等級混凝土，機(jī)制砂混凝土坍落度均較小、坍落度經(jīng)時損失均較快。這是由于：機(jī)制砂表面粗糙、顆粒有尖銳的棱角，致使水泥與集料粘結(jié)度提高，拌合物之間的摩擦阻力也較大，使得混凝土的流動性降低；同時機(jī)制砂的粉含量較高、細(xì)度模數(shù)偏大，這種明顯的含粉體系，增加了混凝土的需水量，坍落度的經(jīng)時損失下降較為明顯，混凝土工作性能降低。

圖1 天然砂與機(jī)制砂制備混凝土的坍落度

3 混凝土的力學(xué)性能

3.1 立方體抗壓強(qiáng)度

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究依據(jù)GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，其試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 不同齡期機(jī)制砂與天然砂混凝土抗壓強(qiáng)度

由圖2可知：各齡期機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度均高于天然砂混凝土，這主要是由于機(jī)制砂是由石材破碎而成，本身強(qiáng)度較高，且含有泥粉的天然砂在混凝土拌合過程中會吸附大量的自由水，混凝土硬化過程中自由水被不斷的蒸發(fā)或吸收利用，原有自由水位置就形成了大量的內(nèi)部孔隙，這種孔隙通常包裹在集料的表面，降低了集料與水泥漿的粘結(jié)強(qiáng)度，從而降低了混凝土強(qiáng)度[5]。但礦渣粉和粉煤灰的后期火山灰效應(yīng)優(yōu)于機(jī)制砂本身的增強(qiáng)效應(yīng)，隨著齡期的發(fā)展混凝土的界面結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)被不斷改善，進(jìn)而使得機(jī)制砂與天然砂所拌制的混凝土強(qiáng)度隨著齡期的增長強(qiáng)度差值呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，最終達(dá)到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度指的是混凝土發(fā)生塑性變形直到出現(xiàn)裂隙，混凝土構(gòu)件所能抵抗的最大拉力[6]，本研究機(jī)制砂與天然砂混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知：同一混凝土強(qiáng)度等級，機(jī)制砂混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度比天然砂混凝土的大，且28 d前強(qiáng)度增長速率也較快，隨著齡期的不斷增長，兩者的強(qiáng)度差值逐漸減小。

3.3 靜壓彈性模量

本研究機(jī)制砂與天然砂的靜壓彈性模量參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，其研究結(jié)果見圖4。

由圖4可知：各齡期機(jī)制砂混凝土的靜壓彈性模量均明顯大于天然砂混凝土，這主要是由于機(jī)制砂有較好的咬合力，外力作用下出現(xiàn)的滑動變形較小，這導(dǎo)致在相同工況下機(jī)制砂混凝土的靜壓彈性模量更大。

3.4 彈性模量與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系

圖4不同齡期混凝土靜壓彈性模量結(jié)果

彈性模量體現(xiàn)了混凝土在荷載作用下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，常用的混凝土彈性模量與立方體抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系有如式（1）、式（2）所示兩種[7]。分別計算了C55混凝土的彈性模量計算值與實(shí)測值，計算結(jié)果見表3。

式中：fcu為立方體抗壓強(qiáng)度（MPa）。

表3 C55混凝土彈性模量實(shí)測值與理論值統(tǒng)計

試驗(yàn)結(jié)果表明：各齡期機(jī)制砂混凝土彈性木兩實(shí)測值均大于理論值，且隨著齡期的增長，兩者間的差值也不斷增加，這表明天然砂立方體抗壓強(qiáng)度與彈性模量間的關(guān)系式不適用于高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土，仍需做進(jìn)一步修正。

4 混凝土的耐久性

4.1 抗水滲透性能

滲水高度法、相對滲透系數(shù)法和逐級加壓法三種方法是國內(nèi)外較為常用的混凝土抗?jié)B試驗(yàn)方法，本研究采用逐級加壓法，對比研究了C50、C55機(jī)制砂與天然砂混凝土抗水滲透性能，其試驗(yàn)結(jié)果見表4。

試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)制砂混凝土的抗水滲透性能較天然砂差，這主要是由于細(xì)集料在混凝土中主要起物理填充作用，為惰性體不參與水化反應(yīng)，作為填充體，機(jī)制砂顆粒多棱角、不規(guī)則，顆粒內(nèi)部有害空隙較多，而天然砂多為表面光滑致密；且經(jīng)天然砂拌和的混凝土流動性較機(jī)制砂混凝土好，致使料過渡區(qū)及顆粒與集料之間有害的孔隙較少，從而抗水滲透性能較好。

表4 混凝土抗水滲透試驗(yàn)結(jié)果

4.2 抗氯離子滲透性能

本研究混凝土抗氯離子滲透性能依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中電通量法進(jìn)行，其試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 混凝土的電通量試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知：隨著齡期的不斷增長混凝土的抗氯離子滲透性能均不斷增強(qiáng)，且在40 d之前機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透性能較天然砂混凝土差，但隨著齡期的不斷增長在40 d以后機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透性能不斷反超天然砂混凝土。這主要是由于機(jī)制砂混凝土多為高粉體體系，石粉在混凝土中主要起物理填充作用，增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)度，同時石粉也具有一定的活性可以與水泥中的C4AF、C3A發(fā)生發(fā)應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物與其它水化產(chǎn)物之間相互搭接，進(jìn)一步增加了混凝土的密實(shí)度，從而使混凝土的抗氯離子滲透性能得以提高，同時該研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步佐證了機(jī)制砂混凝土中的石粉在混凝土后期強(qiáng)度增長過程中可參與水泥的水化反應(yīng)，具有一定活性。

5 混凝土體積變形性能

本試驗(yàn)研究機(jī)制砂與天然砂混凝土不同齡期的收縮值見圖6。

圖6 不同齡期混凝土的收縮性能

由圖6可知：相同工況下機(jī)制砂混凝土前期收縮與天然砂混凝土相比相差不大，隨著齡期的增長，約20 d后，天然砂混凝土的收縮值明顯大于機(jī)制砂混凝土。這主要是由于機(jī)制砂中的石粉具有完善級配、提高混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)性的性能，從而可有效抑制混凝土的收縮；同時由于機(jī)制砂的微裂隙結(jié)構(gòu)使得混凝土需水量增加，孔隙中吸收的水分降低了混凝土硬化過程中的水分損失，并且在混凝土起到一定的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，降低了混凝土的收縮性能。

6 結(jié) 語

本研究的主要結(jié)論：

（1）機(jī)制砂不規(guī)則的物理形態(tài)及自身的增強(qiáng)效應(yīng)使得機(jī)制砂混凝土具有較高的力學(xué)性能，但其工作性能和耐久性需進(jìn)一步改善；

（2）由于機(jī)制砂顆粒間較強(qiáng)的嚙合力及石粉的密實(shí)作用限制了混凝土的變形，進(jìn)而使得機(jī)制砂混凝土后期抗收縮性能優(yōu)于天然砂混凝土；

（3）高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土不適用于普通混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型，其實(shí)測值均大于計算值。