機制砂對混凝土抗壓強度和抗折強度相關性的影響

陳鵬飛

（紹興市旭峰混凝土有限公司，浙江 紹興 312011）

0 前言

混凝土作為基礎工程建設最大宗的建筑材料，其技術發展要統籌環保政策、結構性能等各方面因素，天然砂短缺帶來的機制砂混凝土應用技術方興未艾，國內外學者對此進行了大量研究，蘭聰、高瑞軍等人研究了機制砂石粉對混凝土性能的影響[1,2]，孫勝偉、李風蘭等[3,4]對機制砂應用于不同強度等級混凝土進行探索，目前機制砂混凝土的應用范圍不斷在擴展，已經在橋梁、水電站、航道等工程取得良好效果[5-7]。

相比天然砂，機制砂可加工性強，可根據需要生產相應細度和級配，與水泥漿體咬合力強，同條件下，機制砂混凝土強度甚至高于天然砂，但受開采條件和母巖所限，機制砂容易產生波動，機制砂 MB 值、細度、石粉含量等都會對混凝土性能產生影響。機制砂的應用需要考慮混凝土各項性能，其中力學性能是最為重要的指標之一，另一個重要的指標是混凝土結構的抗裂性能。

本文對機制砂應用于混凝土后的抗壓強度和抗折強度進行研究，并對二者的相關性進行分析，以綜合評價機制砂對混凝土的影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥為海螺 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥的性能指標分別見表 1。粉煤灰為Ⅱ級灰，需水比為99%，礦粉為 S95。

表 1 水泥的性能指標結果

表 2 機制砂篩分結果

（2）本試驗采用河砂為中砂，細度模數 2.6，含泥量 1.0%；機制砂為母巖石灰巖破碎后篩分制得，細度模數 2.7，機制砂的篩分結果見表 2。

（3）外加劑采用浙江科之杰復合高效外加劑，含固為 12 %，摻量自定。

（4）細集料采用全機制砂，細度模數為 2.6，石粉含量 9.0%，MB 值為 1.5。粗集料為小石（5～10mm）和大石（10～20mm）搭配使用。

1.2 試驗方法

（1）按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試混凝土工作性能和凝結時間。

（2）混凝土抗壓強度試驗按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行，成型 100mm×100mm×100mm 混凝土試件，進行標準養護，測定混凝土相應齡期的抗壓強度和抗折強度。

（3）本文提及的 C20、C30、C40、C50、C60 混凝土基準組均采用河砂，采用機制砂等量替代進行試驗。

2 試驗結果及討論

2.1 機制砂比例

通常將混凝土歸類為脆性材料，即抗壓強度高，抗折強度低，易產生脆性斷裂，因此對機制砂加入后混凝土抗折和抗壓強度進行研究。以 C30 混凝土為例，測試不同機制砂摻量對混凝土強度的影響，并分析了折壓比，結果見表 3、圖 1。

表 3 機制砂摻量對 C30 混凝土抗折和抗壓強度相關性的影響

圖 1 機制砂摻量對混凝土抗折和抗壓強度的影響

圖 1(a) 結果顯示，相比純天然砂混凝土，機制砂加入后混凝土抗折和抗壓強度都有所增加，且隨機制砂比例增加先增加后降低，當機制砂摻量在 60% 時混凝土7d 和 28d 抗折強度和抗壓強度最高，此后機制砂摻量增加混凝土抗折和抗壓強度均有所降低。這是因為機制砂粒型多棱角，與漿體的結合能力較強，同時適量的機制砂能夠提高混凝土的和易性，機制砂石粉能夠促進水泥水化[8]，生成較多的水化產物，使得硬化后的混凝土密實度提高，從而對混凝土強度發展有利。

圖 1(b) 混凝土折壓比結果顯示，混凝土折壓比隨機制砂摻量呈現遞增后降低趨勢，當機砂比例 60% 時數值最高，表現出較強的抗裂能力，這說明適量的機制砂能夠改善混凝土界面過渡區，提高混凝土抗裂性能。

2.2 混凝土強度等級

目前機制砂配制各種強度等級的混凝土技術已經成熟，且市場應用良好。固定機制砂取代河砂比例 60%，研究 C20～C60 混凝土抗折強度和抗壓強度的相關性，結果見表 4、圖 2。

表 4 不同強度等級機制砂混凝土抗折強度和抗壓強度相關性

圖 2 不同強度等級混凝土抗折和抗壓強度的相關性

表 4 結果所示加入相同比例機制砂，不同強度等級混凝土抗折和抗壓強度增長幅度不一，從 C20～C60，混凝土強度等級提高，7d 至 28d 混凝土強度增長率呈下降趨勢，這是因為機制砂中的石粉附著在水泥顆粒表面，對水泥繼續水化形成一定阻礙，在水膠比低的情況下，影響水泥和活性礦物摻合料的進一步水化。

圖 2 結果表明，混凝土強度等級增加，混凝土折壓比總體呈現下降趨勢，且 28d 折壓比相比 7d 高，說明機制砂混凝土隨齡期發展，混凝土抗裂能力有所提高。

2.3 機制砂石粉含量

石粉含量是影響機制砂應用重要的指標，機制砂中適宜的石粉含量能夠改善混凝土和易性，提高混凝土內部密實性，進而有利于混凝土強度發展。將原機制砂進行篩分獲得 75μm 以下石粉，通過外摻獲得不同石粉含量的機制砂。以 C30 和 C50 混凝土為例，固定機制砂摻比 60%，研究機制砂石粉含量對混凝土抗折強度和抗壓強度相關性的影響。測試結果見表 5 和圖 3。

表 5 和圖 3(a)、圖 3(b) 數據說明，對于 C30 混凝土，適量石粉能夠改善混凝土和易性，混凝土抗折和抗壓強度都有所增加，當石粉含量 12% 時，混凝土抗折和抗壓強度最高，同時混凝土 7d 和 28d 折壓比也最高。當石粉含量超過 12% 時，混凝土抗折強度和抗壓強度都有所下降，且折壓比也降低，說明過量石粉對混凝土抗裂性能不利。

對于 C50 混凝土，適量石粉同樣能夠提高混凝土強度，但幅度較小，C50 混凝土對應的機制砂石粉含量較低（9.0%），此時混凝土抗折和抗壓強度最好，所對應的折壓比也最高。混凝土強度等級高，水膠比低，機砂含粉不宜過高，不然會對混凝土流動性造成不良影響，進而影響混凝土強度。

表 5 石粉含量對機制砂混凝土抗折強度和抗壓強度相關性的影響

圖 3 石粉含量對機制砂混凝土抗折強度和抗壓強度相關性的影響

3 結論

（1）相比天然砂，機制砂加入后混凝土抗折和抗壓強度都有所增加，當機制砂摻量在 60% 時混凝土 7d和 28d 抗折強度和抗壓強度最高，此時混凝土折壓比也較高。

（2）同機制砂摻量下，不同強度等級混凝土抗折和抗壓強度增長幅度有所差異，混凝土強度等級提高，7d 至 28d 混凝土強度增長率呈下降趨勢，混凝土折壓比總體呈現下降趨勢。

（3）機制砂適量的石粉可以提高混凝土和易性，從而有利于混凝土強度提升，對應的混凝土折壓比也較高，對混凝土抗裂有利。