機制砂混凝土體積變形性能研究

康 晉 芳

(山西路橋第六工程有限公司,山西 晉中 030600)

機制砂多棱角，可以限制混凝土中骨料的移動和水泥石的變形。然而，與天然砂相比，機制砂內部含有較多的石粉，在混凝土拌制過程中會增加用水量和水泥等材料的消耗，從而造成機制砂混凝土與天然砂混凝土體積變形性能存在較大差異。在天然砂缺乏的地區，機制砂混凝土在公路橋梁施工中得到了廣泛的應用。為了研究機制砂混凝土體積變形性能，對不同砂種類、石粉含量和摻合料的混凝土開展收縮性能和靜壓彈性模量試驗，作為理論分析的依據。

1 國內外研究概況

國外很多學者研究成果表明，當機制砂石粉含量在0%～20%時，隨著石粉含量的增加混凝土收縮量不斷增加，且隨著石粉含量的增加混凝土收縮變形速度越大，低強度混凝土變形較顯著。我國很多學者研究成果表明，當機制砂混凝土中石粉含量在2%～6%時，混凝土收縮變形小，體積變形性能優于天然砂混凝土。通過混凝土收縮徐變模型修正分析，采用石灰巖機制砂可有效降低混凝土收縮徐變。還有學者研究表明，當0.16 mm小粒徑顆粒含量超過12%時，混凝土干縮變形會顯著提高。當機制砂混凝土中含量較高時，前7天干縮變形大，但后期變形與天然砂混凝土差異不大。另外，由于石粉可以減少混凝土應力集中，提高水化物的結晶度，可提高抵抗變形的能力，當石粉含量在7%時機制砂混凝土的徐變度和徐變系數均較小。在水泥用量和水膠比相同的情況下，機制砂混凝土在靜壓作用下抗變形能力更好，靜壓彈性模量大于天然砂混凝土。

2 機制砂混凝土收縮性能分析

2.1 砂種類影響分析

按設計配合比，制作天然砂混凝土試件(S1)、機制砂混凝土試件(J1)、石粉含量分別為0.5%，2.4%，6.6%機制砂混凝土試件(J2-1，J2-2，J2-3)，摻加粉煤灰與礦渣粉機制砂混凝土試件(J3)及其對比試驗試件(J4)，試件尺寸100 mm×100 mm×515 mm。

混凝土收縮性能檢測采用接觸法，在養生期內測定試件在無約束狀態下的收縮率。對不同齡期天然砂混凝土試件(S1)和機制砂混凝土試件(J1)混凝土收縮率進行檢測，檢測結果如表1所示。

分析試驗結果可知，養生14 d內機制砂混凝土收縮變形較天然砂混凝土大，這是由于機制砂中的石粉分散到水泥中，提高水泥與水的接觸面積，加快水化反應速度，增加了膠凝產物的量。由于養生初期水化反應速度快，混凝土收縮變形大。養生7 d以后，水化反應速度放緩，石粉填充到集料之間的空隙中，對混凝土變形起到了一定的抑制作用，因此養生14 d后機制砂混凝土干縮率較天然混凝土小。

表1 不同砂種類混凝土收縮率檢測結果

2.2 石粉含量影響分析

分別選取石粉含量為0.5%，2.4%，6.6%機制砂制作混凝土試件，對不同齡期混凝土干縮率進行檢測，檢測結果如表2所示。

表2 不同石粉含量混凝土收縮率檢測結果

分析表2數據，得出在混凝土養生早期(前7天)，隨著石粉含量的增加混凝土收縮率不斷增加。石粉含量2.4%與含量0.5%的混凝土相比，養生期3 d，7 d，14 d混凝土收縮率分別增加了9.91%，4.7%，1.0%。石粉含量6.6%與含量2.4%的混凝土相比，養生期3 d，7 d，14 d混凝土收縮率分別增加了23.3%，5.7%，5.4%。養生期14 d以后石粉含量為2.4%，6.6%的混凝土收縮率相對增長值出現了拐點，隨著石粉含量的增加收縮率降低，收縮變形減少。

產生這種情況的原因是由于石粉的加入加速了水泥水化反應速度，早期膠凝產物產量高，混凝土養生早期收縮變形大。石粉含量越高，混凝土中鈣釩石的含量越高，而鈣釩石會產生膨脹變形，抑制混凝土收縮變形。另外，水泥水化后產生大量C-S-H凝膠，內部凝膠孔充滿凝膠水。石粉加入后會增加C-S-H凝膠的產量，進而增加凝膠水的總量。由于混凝土內部水的總量是一定的，凝膠水量的增加就會降低晶間水量。研究表明，晶間水比凝膠水更不易蒸發，對混凝土收縮變形起到抑制作用，總體上說明石粉含量的增加在早期會增加收縮變形而后期會降低變形。

2.3 礦物摻合料影響分析

為了降低混凝土收縮變形，采用礦物摻合料比例為3∶2的礦渣粉與粉煤灰代替水泥，觀測機制砂混凝土的收縮變形情況。本項目采用比例為3∶2的礦渣粉與粉煤灰代替30%的水泥，制作試件(J3)與普通機制砂混凝土(試件編號J4)進行對比，檢測不同齡期混凝土收縮率，檢測結果見表3。

表3 摻入礦物摻合料混凝土收縮率檢測結果

分析表3數據，摻入礦物摻合料的混凝土明顯下降，隨著混凝土齡期的增加，混凝土收縮變形量不斷下降，養生期180 d降低28.4%。試件J4的收縮率較高，這是由于機制砂混凝土中水泥用量較高，在水化反應過程中需要消耗大量自由水和凝膠水，導致混凝土收縮變形變大。當水泥石內部的相對濕度超過50%時，混凝土中的水分不容易失去。而摻入粉煤灰與礦渣粉后，會減緩混凝土中相對濕度的下降速度，并且粉煤灰可與水泥水化產物Ca(OH)2發生化學反應，生成C-S-H凝膠，而C-S-H凝膠產物的增加會減少凝膠水的散失，降低混凝土收縮變形。因此，在機制砂混凝土中摻入一定比例的粉煤灰和礦渣粉可改善混凝土收縮性能，減少收縮變形。

3 機制砂混凝土靜壓彈性模量分析

3.1 砂種類影響分析

為了研究砂種類和石粉含量對機制砂混凝土靜壓彈性的影響，制作試件(100 mm×100 mm×300 mm)開展靜力受壓彈性模量試驗。在配合比相同的情況下，分別制作天然砂(M1)、機制砂(M2)混凝土試件，石粉含量分別為0.5%，2.4%，6.6%機制砂混凝土試件(M3-1，M3-2，M3-3)。分別檢測不同砂種類、養生期為7 d，28 d，60 d，90 d和120 d的混凝土試件(M1，M2)靜壓彈性模量，檢測結果見表4。

表4 不同砂種類混凝土靜壓彈性模量檢測結果 GPa

分析表4檢測數據，在配合比相同的情況下，試驗結果表明機制砂混凝土各齡期靜壓彈性模量高于天然砂混凝土。分析檢測數據，天然砂混凝土靜壓彈性模量為機制砂混凝土的90%左右。這是由于機制砂表面粗糙多棱角，可提高顆粒間的內摩擦力，在外力作用下不容易產生滑動變形。在相同試驗荷載的作用下，機制砂混凝土可以得到較高的靜壓彈性模量。

3.2 石粉含量影響分析

對石粉含量分別為0.5%，2.4%，6.6%機制砂混凝土試件(M3-1，M3-2，M3-3)，在不同齡期分別開展靜壓彈性模量試驗，檢測結果如表5所示。

表5 不同石粉含量混凝土靜壓彈性模量檢測結果 GPa

分析表5數據，隨石粉含量增加，混凝土彈性模量下降。這是由于機制砂中的細粉含量較高，進而造成機制砂混凝土彈性模量下降。石粉在混凝土中起到填充作用，還可以增加漿體量，降低了混凝土中機制砂粗顆粒的含量。由于骨料含量減少，而漿體彈性模量僅為骨料的一半，造成混凝土彈性模量下降。

4 結語

與天然砂相比，機制砂具有多棱角、級配好、石粉含量高等特點，為檢測機制砂混凝土的體積變形性能，制作試件檢測收縮性能和靜壓彈性模量，分析試驗結果得出以下結論：1)機制砂內部含有大量石粉，會加快水化反應，造成混凝土早期收縮變形大于天然砂混凝土，但后期由于石粉的填充作用收縮變形減少；2)研究表明，隨著石粉含量的增加，混凝土養生早期(7 d)混凝土收縮變形增加，而養生后期混凝土收縮變形減少；3)摻入粉煤灰與礦渣粉可增加C-S-H凝膠產量，減少凝膠水的散失，降低混凝土收縮變形；4)靜壓彈性模量試驗結果表明，機制砂混凝土靜壓彈性模量較高，但隨石粉含量增加靜壓彈性模量下降。