機械制造砂石混凝土早期開裂與抗水滲透性影響分析

孟召輝

(盤錦河海土木工程咨詢有限公司，遼寧 盤錦 124200)

隨著城市化建設的快速推進，工程建設對天然砂的需求矛盾日趨激烈，機制砂作為一種替代材料應運而生，并逐漸成為混凝土配置的主要方式。機制砂混凝土具有生產簡便、價格優惠、綜合運用性好等優勢，在許多工程領域得到廣泛的應用[1]。然而，對高性能混凝土配置利用機制砂仍存在許多不足，如相對于普通河砂的力學性能在特殊結構上機制砂的工作狀態還存在缺陷[2]。為了充分利用機制砂，必須優化配合比改善其性質，通過摻入其他材料調配出適應性強、力學性能好的機制砂混凝土。長期以來，國內研究人員都致力于機制砂混凝土的抗滲性、抗凍性等方面研究，并取得了豐碩的研究成果，但現有研究對于這兩種性能尚存在一定爭議，如趙靜等[3]探討了普通砂、機制砂等配制的混凝土抗碳化、抗滲、抗凍等耐久性，結果發現機制砂優于天然砂，機制砂混凝土的耐久性指標受機制砂石粉的影響較低，在C50混凝土中可以摻入含7%石粉含量的機制砂。實踐表明，諸多不利因素均可在一定程度上影響機制砂混凝土的耐久性，如有害液體侵入或雨水侵蝕等都會降低耐久性。機制砂的適用范圍廣泛，特別是對大體積混凝土具有較好適用性，為獲取更加實用的操作規范和更為有效的研究成果有必要開展耐久性研究[4-5]。

1 試驗方法

1.1 原材料準備

1)水泥。試驗所用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其抗裂性能優良、質量穩定性好且各項技術指標均符合設計要求。

2)礦物摻合料。將礦物摻合料加入機制砂混凝土中，可以減少水泥用量和水泥水化熱，并且礦物摻合料能夠提高機制砂混凝土抗腐蝕性、抗滲透性等性能，改善混凝土內部多孔隙結構及其工作性能。采用的礦物摻合料為Ⅱ級粉煤灰，經檢驗各項技術指標符合規范要求。

3)外加劑與水。本次試驗選用的高效減水劑為HXSX-A類，依據《混凝土外加劑》和《聚羧酸系高性能減水劑》有關要求，對于機制砂混凝土該外加劑具有較好適用性。混凝土配制所用水為自來水。

4)機制砂細集料。選用水洗機制砂、石灰巖機制砂、原狀機制砂和天然砂4種砂，經篩分試驗及各項指標檢測4種砂均符合級配曲線分區要求和規范設計要求。

5)粗集料。機制砂混凝土和易性受粗集料粒徑的影響較大，粗集料選擇時盡可能使用粒徑均勻、最大粒徑較小的碎石，結合機制砂混凝土使用情況粗集料粒徑≤20mm為宜。本次試驗選用16-25mm和5-15mm連續級配碎石，借鑒《公路橋涵施工技術規范》、《公路工程集料試驗規程》確定粗集料級配碎石篩分結果及其物理性能，結果發現各項指標均符合規范要求。

根據以上原材料，設計基準配合比：m水泥：m外加劑：m水：m砂：m石=425：4.26:160：695：1140。

1.2 試驗設計

本次試驗主要是研究機制砂混凝土早期開裂及其抗水滲透性受粉煤灰礦物摻合料、石粉含量、砂類等參數的影響，其中礦物摻合料含量為5%、0%，石粉含量為8%、4%、1%，砂種類有水洗機制砂、石灰巖機制砂、原狀機制砂和天然砂，保持其他材料含量和種類不變設計試驗分組。試驗設計，見表1。

表1 試驗設計

2 結果與分析

多風或炎熱季節大面積暴露的混凝土地板、橋梁、路面等結構，若表面出水率小于水分蒸發速率則混凝土表面產生較大收縮應力，塑性狀態時表面抗拉強度<收縮應力就會形成收縮裂縫，即發生早期開裂[6]。因此，裂縫的形成降低了混凝土的耐久性和結構的荷載承受力。

機制砂混凝土試件的制作方法執行《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，設計尺寸為100mm×600mm×800mm，控制風速(5±0.5)m/s、相對濕度(60%±5)%、環境溫度(20±2)℃。試件裂縫利用顯微鏡觀測，早期抗裂等級劃分，見表2。

表2 早期抗裂等級劃分

2.1 砂種類對早期開裂的影響

保持基準配合比不變，研究分析水洗機制砂(M2-3)、石灰巖機制砂(M2-2)、原狀機制砂(M2-1)、天然砂(M1)混凝土早期開裂性，混凝土早期開裂統計表，見表3。

表3 混凝土早期開裂統計表

從表3可以看出，天然砂混凝土單位面積的總開裂面積大于機制砂混凝土，而石灰巖的彈性模量高于天然砂，研究表明混凝土早期收縮受彈性模量和集料種類的影響較大，為保證混凝土的抗裂性能應選用彈性模量大的機制砂。

2.2 石粉含量對早期開裂的影響

保持基準配合比不變，研究分析石粉含量1%(M2-1)、4%(M4-1)、8%(M4-2)的原狀機制砂混凝土早期抗裂性，石粉含量對早期開裂的影響，見圖1。

圖1 石粉含量對早期開裂的影響

圖1表明，石粉含量從1%不斷增加到8%則機制砂混凝土單位面積的總開裂面積呈先減小再增大的變化趨勢，早期開裂性能呈先上升后下降的變化特征，由此表明機制砂混凝土中石粉含量并非越高越好[7]，石粉含量為4%時機制砂混凝土具有最優的早期開裂性能。

2.3 礦物摻合料對早期開裂的影響

保持基準配合比不變，研究分析機制砂混凝土早期開裂性能受粉煤灰摻合料的影響，摻礦物摻合料的早期開裂統計表，見表4。

表4 摻礦物摻合料的早期開裂統計表

從表4可以看出，M1混凝土的裂縫最大寬度、單位面積的總開裂面積和裂縫數量均>M3-1，由此表明機制砂混凝土中摻入礦物摻合料有利于增強抗早期開裂性能。

2.4 抗水滲透性影響因素分析

一般地，混凝土內部存在較多的孔隙結構，這些孔隙直接決定著水分的流動形態，從而對混凝土耐久性造成影響。機制砂混凝土抗水滲透性利用逐級加壓法進行測試，抗滲儀型號為HP-4.0型，抗滲等級P的計算公式為：

P=10H-1

(1)

式中；H為試件有50%滲水時的水壓力，MPa。

抗水滲透性試驗結果，見表5。

表5 抗水滲透性試驗結果

對抗水滲透性有以下3點影響：

1)砂種類對抗水滲透性影響。從表5可以看出，配合比相同的情況下天然砂混凝土M1出現滲水時的滲水壓力為2.5MPa，抗水滲透性最強；水洗機制砂混凝土M2-3出現滲水時的滲水壓力為2.0，抗水滲透性最差。總體而言，機制砂混凝土的抗水滲透性次于天然砂混凝土，經過水洗后機制砂中的部分細料被水沖洗干凈，從而增大了結構內部的孔隙率，其抗水滲透性明顯下降[8]。

2)石粉含量對抗水滲透性影響。機制砂種類相同情況下，石粉含量越高則混凝土抗滲等級越高，其中抗滲等級最高和最低的為M4-2、M4-3混凝土。經過水系后機制砂中<0.6mm的顆粒被水沖洗干凈，從而增大了結構內部的整體孔隙率，這在一定程度上降低了抗水滲透性。深入分析，石粉的摻入對孔隙結構發揮一定的填充作用，從而改善了機制砂混凝土的密實度和抗水滲透性[9]。

3)礦物摻合料對抗水滲透性影響。對比M3-1、M1發現，摻入5%的礦物摻合料替代機制砂混凝土中的部分水泥有利于提高其抗水滲透性。經分析，水泥水化過程中摻加的礦物摻合料經一系列化學反應生成能夠改善混凝土密實性的特殊膠凝材料，并且水泥漿體的抗水滲透性與膠凝材料的堆積密度直接相關，由于水泥顆粒的粒度大于礦物摻合料，經充填搭配后各組成顆粒級配得到優化，混凝土孔隙度進一步降低，其抗水滲透性得到明顯改善[10]。

3 結 論

本次試驗以礦物摻合量、石粉含量和機制砂種類為變量，通過試驗研究探討了混凝土抗滲透性、早期抗裂性受變量改變的影響作用，主要結論為：

1)彈性模量和砂的種類對機制砂混凝土的早期收縮影響較大，為保證混凝土抗裂性應優先選用彈性模量較大的機制砂。混凝土的抗早期開裂性能因粉煤灰礦物摻合料的加入而下降，石粉含量為4%時機制砂混凝土具有最優的早期開裂性能。

2)基準配合比相同條件下，機制砂混凝土的抗水滲透性次于天然砂混凝土，石粉含量越高則混凝土抗滲等級越高。在抗水滲透方面原狀機制砂優于水洗機制砂，礦物摻合料的摻入可顯著提高了機制砂混凝土的抗水滲透等級。