機制砂摻率對塑性混凝土力學性能的影響

高玉琴，何紫昕，宋 力

（1.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南鄭州450003；2.水利部堤防安全與病害防治工程技術研究中心，河南 鄭州450003；3.華北水利水電大學，河南 鄭州450045）

塑性混凝土是一種以膨潤土或黏土替代部分水泥的新型柔性材料，具有低彈性模量、變形性能強、抗滲性高的特點［1］。因其良好的抗滲性、耐久性、變形適應性以及節省工程造價等特點，使塑性混凝土逐漸成為一種新型材料，在工程中的應用越來越廣泛。目前，工程上一般仍以不同摻量的膨潤土、水泥、河砂、石子等通過摻配制成塑性混凝土［2-4］，但嚴格意義上說，塑性混凝土的原材料并不固定，往往是根據現場環境因地制宜，配制滿足工程需要的塑性混凝土，如三峽大壩的塑性混凝土防滲墻圍堰［5］，其選擇風化花崗巖棄料代替膨潤土和河砂。隨著我國水利基礎設施及一些大型水利工程的建設，對河砂的需求逐漸增大，但河砂的產量逐步下降且價格越來越貴，在成本控制壓力下，急需找到河砂的替代品［6］。目前，由于大多數企業生產能力有限，產品質量較差［7］，市面上銷售的機制砂普遍含泥量偏高，導致配制的普通混凝土出現拌合物流動性下降、混凝土干縮性差、強度低等問題，因此大多數低質量機制砂只用于村鎮的私人民用建筑。塑性混凝土中的膨潤土，主要礦物成分是一種具有良好吸附性的細粒［8-9］，它是使塑性混凝土具有低彈性模量、低強度特性的根源，其性質類似機制砂成分中的泥粉，如用機制砂代替部分河砂，將如何影響塑性混凝土各項性能需進一步研究。筆者通過室內試驗，研究不同摻率情況下機制砂塑性混凝土的力學性能和拌合物工作性能，初步探索機制砂替代河砂的可行性。

在試驗過程中，由于機制砂摻率增大，塑性混凝土拌合物塌落度下降，因此筆者在加大機制砂摻量的同時添加附加水，控制塑性混凝土的塌落度穩定在220～230 mm，以此和不添加附加水情況進行對比。

1 試 驗

1.1 試驗原材料

室內試驗用到的主要原材料有：①水泥，采用中國建筑材料科學研究總院生產的強度等級為42.5的袋裝基準水泥；②膨潤土，采用鄭州金之福公司銷售的河南信陽鈉基膨潤土，其目數為200～400目；③河砂（RS）和機制砂（MS），其具體參數見表1和表2；④粗骨料，采用粒徑為5～20 mm的連續級配碎石；⑤減水劑，采用河南省建筑科學研究院生產的聚羧酸型減水劑，摻量為1%。

表1 河砂和機制砂的性能參數

表2 河砂和機制砂顆粒級配累計篩余 %

1.2 試驗方法

塑性混凝土的單軸試驗根據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T50080—2002）和《水工混凝土試驗規程》（DL/T5150—2001），分別進行拌合物流動性測量和塑性混凝土單軸抗壓強度試驗。塑性混凝土配合比設計參考王四巍［10］推薦的方法進行，主要分為添加附加水和不添加附加水兩類，附加水添加量以塑性混凝土拌合物塌落度達到220 mm為準。不添加附加水時，按機制砂的摻率（0%、20%、50%、70%、100%）不同，配合比分別為M-0%、M-20%、M-50%、M-70%、M-100%；添加附加水后，根據機制砂的摻率（20%、50%、70%、100%）不同，配合比分別為 AM-20%、AM-50%、AM-70%、AM-100%。試驗材料配合比及拌合物塌落度見表3。

每個配合比制作3個150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件進行平行單軸抗壓強度試驗，取其算術平均值作為試驗測得的力學指標。

塑性混凝土試樣制作采用人工攪拌，投料順序為砂、石、水泥、膨潤土、水、減水劑。在砂、石、水泥、膨潤土投完后干攪30 s，然后注入二分之一的水量攪拌90 s，之后注入拌合均勻的剩余水和減水劑，再濕拌60 s，保證攪拌時沒有團狀體出現。澆注之前測量塑性混凝土拌合物塌落度，澆注后運至標準養護室靜置48 h后拆模，養護28 d后開始試驗。

單軸抗壓強度試驗儀器采用改裝后的動靜三軸試驗機，加裝加壓面和傳力柱底座，滿足試驗要求。設置加載速率為0.05 MPa/s。光柵位移傳感器設置在壓板的上端，采用全標距法采集應力應變試驗數據。

表3 塑性混凝土配合比及塌落度

2 試驗結果及討論

2.1 機制砂摻率對塑性混凝土拌合物流動性的影響

由表3可知，不添加附加水時，隨機制砂摻率的增大，塑性混凝土拌合物的塌落度呈下降趨勢，當機制砂摻率分別為20%、50%、70%、100%時，其拌合物塌落度較0%摻率時降低率分別為4.3%、13.0%、17.4%、28.3%。

塌落度下降的原因是因為機制砂的細顆粒中泥粉含量高，劉戰鰲等［11］研究表明，泥粉主要由膨脹型黏土礦物組成，表面疏松多孔，能吸附水泥漿中的水分子，使能起流動作用的水分子減少，造成塑性混凝土拌合物塌落度下降。

事實上，砂的常用檢測項目中并不包括泥粉含量，僅有含泥量檢測。機制砂的含泥量是指小于0.08 mm的細小顆粒含量，包括泥粉和石粉，石粉近似于粉煤灰，屬于惰性微集料，具有微集料效應［12］，并不會影響拌和物的流動性［13］。

本試驗機制砂中泥粉的含量遠高于河砂中的含量，根據李北星等［14］的研究成果，機制砂亞甲藍檢測值和其石粉及泥粉含量呈線性關系，而增加5%的石粉含量只能增加0.05的亞甲藍值。假設黏土影響的亞甲藍值為0.80，泥粉含量和亞甲藍關系式為y＝0.108 9x+0.337 5，泥粉含量為4.24%。按4.24%對應的泥粉含量換算后，AM-20%、AM-50%、AM-70%、AM-100%對應的泥粉含量分別為6.61、16.53、23.15、33.07 kg/m3。取橫坐標為泥粉含量，縱坐標為附加水量，繪制二者關系曲線，如圖1所示。可知，泥粉含量和附加用水量呈線性關系，附加水添加量和泥粉含量的推薦公式為

式中：W0為附加水量；S為泥粉含量；K為比例系數，由機制砂的泥粉種類確定，本次試驗機制砂和附加水的比例系數為1.962。

圖1 泥粉含量與附加水用量的關系

2.2 機制砂摻率對塑性混凝土峰值應力的影響

不同摻率下機制砂塑性混凝土峰值應力試驗結果見表4。機制砂摻率與峰值應力關系如圖2所示，不添加附加水時，不同摻率的機制砂塑性混凝土峰值應力變化相對不明顯，隨著機制砂摻率的增加，塑性混凝土峰值應力呈小幅度變化。其變化大體趨勢為先增加，后減少，在機制砂摻率為20%時取得最大值，峰值應力相比不摻入機制砂的對照組增長2.6%。可見，雖然機制砂內的黏土吸附水導致塑性混凝土拌合物流動性下降，但并未對塑性混凝土強度造成足夠大的影響。由此可認為，機制砂黏土細顆粒吸附的水分未影響膨潤土及水泥參與水化反應［15］。

表4 不同摻率下機制砂塑性混凝土峰值應力試驗結果

圖2 機制砂摻率與峰值應力關系

本次試驗機制砂摻率為20%時，塑性混凝土強度產生小幅度上升的情況，與何盛東等［16］對不同替代率下高強機制砂混凝土進行研究時觀察到的現象相近：機制砂與天然砂的比例存在一個最佳值，原因可能與機制砂級配有關，機制砂和河砂雖同屬于級配Ⅱ區，但河砂中大顆粒和細顆粒含量比機制砂少很多，而機制砂中則缺少適中大小的顆粒，在兩者相互結合至機制砂摻率約為20%時，達到了最優配比，減少了塑性混凝土水化作用時多余孔隙的生成，增強了抗壓強度。

添加附加水后，塑性混凝土的峰值應力隨機制砂摻率上升而總體下降。在機制砂摻率為100%時，塑性混凝土峰值應力下降約44.9%。原因在于：添加的附加水僅起了增加拌合物和易性的作用，超過膠凝材料水化反應所需的用水量，使得多余的水量在養護過程中上升到塑性混凝土表面而產生孔隙，降低其抗壓強度，并伴有泌水現象。

2.3 機制砂摻率對塑性混凝土峰值應力對應應變的影響

不同摻率下機制砂塑性混凝土峰值應力對應應變的試驗結果見表4。機制砂摻率與峰值應變關系如圖3所示，不添加附加水時，塑性混凝土峰值應力對應應變隨機制砂摻率增大并無明顯改變；當添加附加水后，在機制砂摻率小于70%時，塑性混凝土峰值應力對應應變隨摻率增大呈現小幅度增大趨勢，在機制砂摻率達到100%時，峰值應力對應應變快速增加到最大值，增幅約為20%。

2.4 機制砂摻率對塑性混凝土彈性模量的影響

參考王四巍等［17］、李清富等［18］、宋力等［19］的研究成果，觀察本次試驗試樣的應力應變曲線形態，選擇采用0.6、0.8倍峰值應力對應的彈性模量計算區間。計算結果表明，選取的彈性模量計算區間使本次試驗試樣的應力應變關系基本處于峰值前近似直線段，最終采用彈性模量計算公式為

圖3 機制砂摻率與峰值應變關系

式中：σ0.8、σ0.6分別為 0.8倍和 0.6倍峰值應力；ε0.8、ε0.6分別為0.8倍和0.6倍峰值應力對應應變。

不同摻率下機制砂塑性混凝土彈性模量的試驗結果見表4。添加附加水對塑性混凝土彈性模量的影響大于機制砂摻率的改變。不添加附加水時，機制砂摻率增減對彈性模量的影響無明顯規律，總體上看，隨機制砂摻率的改變，彈性模量在700～1 230 MPa之間浮動；若添加附加水，除機制砂摻率50%情況外，彈性模量隨機制砂摻率增大而減小，當機制砂摻率為100%時彈性模量減小到最小值，最大降幅45%。

2.5 機制砂摻率對塑性混凝土應力應變曲線的影響

塑性混凝土應力應變一般曲線如圖4所示，定義彈性變形AB段的A點為峰值前反彎點，A點對應的應力為峰值應力的5%～15%，峰值后反彎點為D［20］。

圖4 塑性混凝土應力應變關系示意

不添加附加水時，機制砂摻率對塑性混凝土應力應變曲線無明顯的影響。添加附加水后，應力應變關系如圖5所示。經統計，在添加附加水后峰值前反彎點A對應的應變隨機制砂摻率增大而稍微增大，且在機制砂摻率達到100%時表現得最明顯。初始加載段OA過后，其峰值前反彎點A向后偏移，使得峰值應變也因此變大。峰值后其應力下降速率隨機制砂摻率增大而變小，在圖中則表現為曲線下降放緩。添加附加水后，水膠比的增大導致混凝土內部孔隙率增大，而OA段由于骨料沉降及混凝土泌水、干縮等原因產生了初始裂隙，因此在試樣受壓后裂隙閉合產生變形。初始孔隙率的提高及泌水增多一定程度上影響了初始裂隙的生成，因而提高了峰值前反彎點對應的峰值應變。

圖5 添加附加水后應力應變關系

在添加附加水后，峰值后反彎點D所對應的峰值應變急劇增加，在機制砂摻率為100%時，對應應變增加幅度達到最大值200%。由于添加附加水后的塑性混凝土本身孔隙率較大，骨料表面過渡區的水泥漿體強度低，而峰值后試塊在CD段形成貫穿裂縫時，在微觀層面上破壞界面過渡區的水泥漿體則更容易，因此在相同荷載情況下產生較大的變形。D點之后試樣的強度主要由破裂試塊間的摩擦力或未破裂的較大局部部位承擔，因而其曲線就趨向于重合。

3 結 論

（1）隨著機制砂摻率的增大，塑性混凝土拌合物的流動性下降。根據機制砂的泥粉含量和黏土類型可計算出附加水的用量，拌合物添加附加水后可達到和普通塑性混凝土一樣的工作性能，但會造成拌合物黏聚性下降、泌水等問題。

（2）不添加附加水的情況下，機制砂摻率的增減對塑性混凝土的強度并無明顯影響；添加附加水后，僅改善了拌合物工作性能，多余的水并不參與水化反應，反而產生了大量孔隙導致塑性混凝土強度降低。

（3）不添加附加水的情況下，隨機制砂的摻率不同，峰值應變、彈性模量、應力應變曲線等無明顯變化；添加附加水后，隨機制砂摻率的增加，附加水增多，等同于增大了水膠比，塑性混凝土峰值應變增大，彈性模量減小，應力應變曲線上升段和下降段均產生放緩的趨勢。

（4）就機制砂替代塑性混凝土中的普通河砂的可行性來說：如對拌合物流動性要求不嚴格，控制機制砂摻率為70%及以上為好，塑性混凝土拌合物的工作性能下降較小，而應力應變性能與普通塑性混凝土幾乎一樣；若對拌合物流動性要求高，可根據公式添加附加水，同時根據需要調整配合比，得以在應力應變性能變化的情況下得到工程要求范圍內的塑性混凝土。