不同細(xì)骨料對混凝土強(qiáng)度及抗裂性能的影響試驗研究

呂 寅，徐 敏，周 煒

(武漢路通市政工程質(zhì)量檢測中心，武漢 430010)

目前政府部門對河道周邊的水土保護(hù)日益重視，天然河砂的開采與使用受到諸多限制。機(jī)制砂作為碎石骨料開采的副產(chǎn)物，正在逐步取代天然河砂大量應(yīng)用到混凝土的生產(chǎn)中。然而在機(jī)制砂作為混凝土細(xì)骨料的使用過程中，存在混凝土工作性能損失大、外加劑摻量高，且構(gòu)造物表面易引發(fā)開裂的問題，引起了大家的廣泛重視[1,2]。由于機(jī)制砂自身顆粒形貌和生產(chǎn)制備工藝的影響，使得機(jī)制砂混凝土配合比不同于普通混凝土配合比，需針對性解決上述工作性能和耐久性能不良的問題。試驗就混凝土中細(xì)骨料分別采用河砂、“河砂+機(jī)制砂”及“江砂+機(jī)制砂”等三種不同細(xì)骨料情況對混凝土各項強(qiáng)度性能及抗裂性能展開對比驗證，探討不同的細(xì)骨料使用方案對混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響，同時就機(jī)制砂應(yīng)用于混凝土中的配合比優(yōu)化措施給予建議[3]。

1 試驗原材料及方法

1.1 試驗原材料

1)水泥：尖峰PO 42.5水泥，比表面積363 m2/kg，28 d抗壓強(qiáng)度52.3 MPa；

2)礦粉：新冶鋼S95級，流動度比103%，7 d活性81%，28 d活性100%；

3)粉煤灰：青山Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度18.1%，需水量比102%，7 d活性67%，28 d活性68%；

4) 機(jī)制砂：細(xì)度模數(shù)為3.4，MB值1.25；

5) 天然砂：江砂—細(xì)度模數(shù)1.2，河砂—細(xì)度模數(shù)2.4；

6) 碎石：5～25 mm連續(xù)級配；

7)外加劑：聯(lián)化聚羧酸減水劑，含固量19%，減水率28%。

1.2 試驗方法

1)混凝土的制備、坍落度與擴(kuò)展度測定方法，均按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50080—2016)進(jìn)行。成型試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，分別測定其3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度。

2)混凝土抗裂性能試驗，采用《混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082—2009)中的“早期抗裂試驗”方法。

2 不同細(xì)骨料對混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響

試驗采取了不同的細(xì)骨料摻配方式和不同的機(jī)制砂摻入比例，研究其機(jī)制砂摻量對于混凝土坍落度和抗壓強(qiáng)度的影響，見表1。其中配合比A1采用“河砂+機(jī)制砂”，機(jī)制砂摻量為64%；配合比A2和A3均采用“江砂+機(jī)制砂”，砂率與A1保持一致，機(jī)制砂摻量分別為76%和71%；配合比A4采用“江砂+機(jī)制砂”，其砂率由47%調(diào)整至49%，機(jī)制砂摻量與A3保持一致。

表1 試驗配合比及工作性能

配合比A1與A2，通過在砂率一致的情況下，探討分別采用河砂和江砂對于混凝土的性能影響；對比配合比A2與A3，通過提高江砂的比例，探討江砂摻量提高，改善細(xì)集料顆粒級配后對于混凝土工作性能與力學(xué)性能的影響；對比A3與A4配合比，探討相同的江砂摻配比例下，調(diào)整砂率對于混凝土的工作性能的改善。

對配合比A1，由于細(xì)集料合成后的細(xì)度模數(shù)較大，制備的混凝土工作性能極差，基本無流動性，無法滿足施工要求，必須對混凝土配合比進(jìn)行調(diào)整[4]。

對于配合比A2、A3，在砂率相同的情況下，隨著機(jī)制砂摻入比例的降低(由76%減少至71%)，即使大幅提升外加劑摻量，混凝土工作性仍然較差，同時還導(dǎo)致混凝土生產(chǎn)成本上升。根據(jù)混凝土出機(jī)狀態(tài)可知，由于粗、細(xì)骨料之間的級配情況不良，混凝土整體骨料中的細(xì)顆粒較少，并無法有效填充粗集料間的間隙，導(dǎo)致粗集料松散，包裹性能不良，需要對混凝土的砂率進(jìn)行調(diào)整。

試驗結(jié)果表明，配合比A3與A4在機(jī)制砂摻入比例相同的情況下(摻入比例為71%)，隨著砂率的提高(由47%提升至49%)，工作性能得到顯著改善。當(dāng)砂率為47%時，無論采用河砂或是江砂與機(jī)制砂摻配后所制備的混凝土，其工作性能均較差無法滿足泵送施工要求。當(dāng)砂率提升至49%時(見圖1)，漿體包裹狀態(tài)良好，工作狀態(tài)亦最佳，其2 h后塌落度為175 cm，擴(kuò)展度為370 cm，由此得出機(jī)制砂制備混凝土的保塌能力較普通混凝土而言，雖1 h坍落度略有下降，但仍能滿足泵送施工要求[5]。

就混凝土力學(xué)性能試驗結(jié)果可知(見表2)，采用“河砂+機(jī)制砂”配合比A1的強(qiáng)度最好，隨著混凝土砂率和江砂摻量的提高，強(qiáng)度有逐漸降低的趨勢，故為保證混凝土工作性能和力學(xué)性能，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制砂率和江砂的摻入量。由此，當(dāng)采用“江砂+機(jī)制砂”摻配方案下，需一定程度下提高膠凝材料用量，以保障混凝土強(qiáng)度要求。

表2 混凝土強(qiáng)度試驗結(jié)果

3 不同細(xì)骨料對于混凝土抗裂性能的影響

試件早期的開裂敏感性評價準(zhǔn)則如下：1)僅有非常細(xì)的裂紋；2)裂縫平均開裂面積<10 mm2；3)單位面積開裂裂縫數(shù)目<10根/m2；4)單位面積上的總裂開面積<100 mm2/m2。按照上述四個準(zhǔn)則，將開裂敏感性劃分為五個等級：

Ⅰ級—全部滿足上述四個條件；

Ⅱ級—滿足上述四個條件中的3個；

Ⅲ級—滿足上述四個條件中的2個；

Ⅳ級—滿足上述四個條件中的1個；

Ⅴ級—一個也不滿足。

為探明不同細(xì)骨料使用方案對于混凝土抗裂性能的影響設(shè)計了實驗方案，見表3。

表3 試驗配合比及工作性能

1)通過B1和B2這兩組均采用河砂的普通混凝土的配合比，比較在膠凝材料及水灰比相同的情況下，砂率對于混凝土抗裂性能的影響；

2)通過B2和B3此兩組配合，比較在砂率相同的情況下，采用“河砂+機(jī)制砂”混凝土方案與采用純河砂普通混凝土抗裂性能的差異；

3)通過B2和B4此兩組配合，比較在砂率相同的情況下，采用“江砂+機(jī)制砂”混凝土方案與采用純河砂普通混凝土抗裂性能的差別；

4)通過B3和B4這兩組機(jī)制砂混凝土的配合比，比較“河砂+機(jī)制砂”與“江砂+機(jī)制砂”此兩組細(xì)集料組合方案對混凝土抗裂性能的影響。

由表4可知，1)根據(jù)配合比B1和B2對比結(jié)果，對于普通混凝土而言，隨著混凝土砂率從43%提高至49%，混凝土的抗裂性能得到較大的改善，采用配合比B2的試驗中試樣表面未見裂縫產(chǎn)生，抗裂等級為Ⅰ級；2)根據(jù)配合比B2、B3與B4對比結(jié)果可知，在砂率相同的情況下，普通混凝土的抗裂性能均優(yōu)于機(jī)制砂混凝土，產(chǎn)生此結(jié)果的原因除了機(jī)制砂本身的粒形原因外，由于此機(jī)制砂本身的含泥量較高，泥漿上浮后易在混凝土上表面形成一種膜結(jié)構(gòu)，阻礙了混凝土內(nèi)部水分向表面的擴(kuò)散，表層混凝土的水分蒸發(fā)無法得到及時補(bǔ)充，易引發(fā)開裂[6]；3)根據(jù)B3和B4對比結(jié)果可知，“河砂+機(jī)制砂”與“江砂+機(jī)制砂”方案下混凝土的抗裂性能評定等級均為Ⅲ級，同時兩者的單位面積的總開裂面積相當(dāng)，而兩者的差別在于“河砂+機(jī)制砂”方案下，混凝土表面裂縫較寬(最大裂縫寬度0.4 mm)、長度較短，而“江砂+機(jī)制砂”方案下，混凝土表面裂縫較窄(最大裂縫寬度0.2 mm)、長度較長[7]。

表4 混凝土抗裂性能

4 結(jié) 論

a.當(dāng)采用“江砂+機(jī)制砂”摻配方案時，江砂中的細(xì)顆粒分布對機(jī)制砂級配狀況起到了較大的改善作用，在江砂較小的摻量情況下，機(jī)制砂混凝土的工作狀態(tài)產(chǎn)生了較大的改善，實現(xiàn)了機(jī)制砂混凝土的良好工作性能，但混凝土強(qiáng)度的下降趨勢也較為明顯。為兼顧混凝土工作性能和力學(xué)性能，建議江砂的摻量不宜大于30%，砂率宜控制在48%～50%之間。

b.當(dāng)采用“河砂+機(jī)制砂”摻配方案時，由于河砂的細(xì)度模數(shù)較大，無法對機(jī)制砂的級配狀況做出明顯改善，雖然對于混凝土強(qiáng)度無明顯影響，但工作狀態(tài)不滿足施工要求。

c.混凝土隨著砂率的提高，抗裂性能得到較大的改善，而在砂率相同的情況下，普通混凝土的抗裂性能均優(yōu)于機(jī)制砂混凝土?！昂由?機(jī)制砂”與“江砂+機(jī)制砂”方案下混凝土的抗裂性能評定等級一致，兩者的抗裂性能均為Ⅲ級，有較高的開裂風(fēng)險，故對于機(jī)制砂混凝土，建議其在施工過程中加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)。