機制砂對中高等強度混凝土的影響試驗研究

李石高，唐旭光，陶 宇

（湖南科技大學土木工程學院，湖南 湘潭 411201）

0 引言

隨著工程建設的快速發展，對于天然砂資源的需求量日益增加，現有的河砂儲量已不能滿足建設用砂的需求；同時，在天然砂開采過程中不僅會對山體、河道和農田造成破壞，在運輸過程中也會對環境造成嚴重污染[1-3]，因此，國家很早就相繼出臺相關法令，對河道采砂進行嚴格管制，導致很多地方出現砂的供應不足甚至無砂可用的狀態，矛盾日益突出[4]。在此背景下，利用機制砂作為細集料所制備的機制砂混凝土應用越來越廣泛。

近年來對機制砂的研究有著大量的相關文獻。李美利等[5]研究發現機制砂中含有適量的石粉可以改善混凝土的工作性能，當石粉含量不超過10%時，由機制砂配制的混凝土強度隨著石粉含量的增加有所提高；徐文冰等[6]通過對砂巖機制砂的研究表明，砂巖機制砂混凝土具有良好的力學性能，在抗壓強度、軸心抗壓強度及彈性模量方面均優于河砂混凝土；李潛[7]對C 50 機制砂混凝土早期收縮性能進行的研究表明，礦粉增大了C 50 機制砂混凝土的早期收縮，單摻粉煤灰時混凝土的早期收縮優于兩者復摻；單摻礦粉時混凝土的收縮大于單摻粉煤灰時，且收縮率隨齡期的延長而增大。

由于機制砂的研究與應用起步比天然砂晚，機制砂混凝土在工程應用及推廣過程中仍然存在著許多問題和不足。機制砂混凝土在建筑及道路工程中應用較為廣泛，但在橋梁結構中的應用卻較謹慎[8]。隨著近年研究的技術積累，機制砂混凝土在橋梁工程主體結構中得到逐步運用。因此本試驗以C 50 混凝土為研究對象，以天然河砂混凝土為對照組，在相同配比下，對河砂混凝土和機制砂混凝土的工作性、硬化后的力學強度和早期收縮性能進行對比分析，探討機制砂對中高等強度混凝土性能的影響，以便為機制砂混凝土在橋梁工程中的應用提供技術支撐。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料及混凝土配合比

水泥：湖南湘鄉棋梓橋水泥有限公司產的P·O 42.5 級普通硅酸鹽水泥。

粗集料：5～25 mm 連續級配石灰巖碎石，其主要物理性能指標見表1。

表1 碎石主要物理性能指標

細集料：河砂采用湘江河砂，機制砂采用本地生產的機制砂，其相關性能指標見表2?；旌仙?（機制砂與河砂質量比為6∶4）的細度模數為2.83；混合砂2（機制砂與河砂質量比為4∶6）的細度模數為2.81。

表2 砂的主要物理性能指標

粉煤灰：湘潭電廠產Ⅱ級粉煤灰，密度2.55 g/cm3，燒失量4.5% 。

礦粉：S95 級礦粉，密度2.9 g/cm3，燒失量0.8% 。

減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率為25%～36% 。

試驗分別對不同水膠比、礦摻比和不同細集料摻配比的機制砂混凝土進行配合比設計和制備，并與河砂混凝土的相關性能進行對比分析。設計要求為：混凝土拌合物坍落度不小于180 mm，擴展度不小于400 mm；同時由于機制砂細度模數大、級配較差、棱角粗糙等特點，因此在配合比設計時需提高砂率。將砂率固定為40%，所采用的機制砂石粉含量范圍為5%～10%，在同等條件下進行機制砂、河砂混凝土的配合比設計?；炷僚浜媳燃肮ぷ餍栽囼灲Y果見表3（其中J 代表機制砂混凝土；H 代表河砂混凝土；JH -1代表機制砂與河砂質量比為6∶4 的混合砂混凝土；JH -2 代表機制砂與河砂質量比為4∶6 的混合砂混凝土）。

表3 C50 混凝土配合比

1.2 試驗方法

混凝土拌合物工作性測試依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法》（GB/T 50080—2002）進行。硬化混凝土力學性能測試依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB 50081—2002）的要求進行，將混凝土試件在標養室內養護至3、7、14、28 d，測試不同齡期的抗壓強度和劈裂抗拉強度?；炷猎琮g期收縮性能測試遵照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009），采用非約束式混凝土收縮變形測定儀，按每組3 個試件進行。試件制備尺寸為：100 mm×100 mm×515 mm，將其帶模置入溫度為（20±2）℃，相對濕度為（60±5）% 的養護環境中養護至混凝土初凝前后，開始測試其收縮性能。

2 機制砂對混凝土性能的影響研究

2.1 機制砂對混凝土工作性的影響

混凝土拌合物工作狀態見圖1。

圖1 機制砂混凝土與河砂混凝土拌合物對比

由表3 和圖1 可知，各組試配混凝土的工作性均滿足設計要求。在相同配比下，機制砂混凝土的黏聚性比河砂混凝土強，且隨水膠比的降低而增強，但是坍落度和擴展度比河砂混凝土差；降低水膠比，機制砂混凝土的坍落度明顯提升，擴展度變化不大。這是由于機制砂顆粒粗糙、多棱角等特點，有利于提高混凝土黏聚性，但是不利于流動性。雙摻粉煤灰和礦粉后，機制砂混凝土工作性與河砂混凝土相當，說明雙摻粉煤灰和礦粉能改善機制砂混凝土的工作性，減少泌水、提高混凝土的包裹性，從而提高機制砂混凝土的坍落度和擴展度。這是由于粉煤灰能在混合料中起到滾珠軸承作用，有利于減小顆粒之間的摩擦，同時可以增加漿體含量，從而增加拌合物的流動性；而礦粉能與水泥組成二元復合膠凝材料，改善水泥漿體的孔隙結構以及提高水泥石與骨料界面黏結性能，且機制砂中的石粉在混凝土拌合物中也能起到一定的潤滑作用，減小砂與骨料之間的相互摩擦，從而起到改善混凝土工作性的效果[9-11]。混合砂混凝土的工作性優于全機制砂混凝土，隨機制砂所占比例的增大而逐漸變差。

2.2 機制砂對硬化混凝土力學性能的影響

2.2.1混凝土抗壓強度

河砂混凝土和機制砂混凝土抗壓強度試驗結果見圖2～ 圖4。

圖2 水膠比對混凝土抗壓強度的影響

圖3 礦物摻合料對混凝土抗壓強度的影響

圖4 細集料摻配比對混凝土抗壓強度的影響

由圖2～ 圖4 可知，在相同配比下，機制砂混凝土28 d 抗壓強度略大于河砂混凝土，而水膠比為0.35 時，J-0 組試件28 d 抗壓強度小于H-0 組，原因可能是機制砂級配較差。機制砂混凝土抗壓強度隨水膠比的減小而增大；雙摻粉煤灰和礦粉后，機制砂混凝土的早期抗壓強度有所降低，但是后期強度大幅提升，與粉煤灰和礦粉摻量相同的試件J-3 相比，當粉煤灰摻量增加（試件J-2）或礦粉摻量降低（試件J-4）時，這兩者的早期抗壓強度都有一定程度的降低，說明粉煤灰摻量增大不利于機制砂混凝土早期抗壓強度發展，而礦粉摻量對機制砂混凝土早期抗壓強度發展影響不顯著；在相同水膠比下，混合砂混凝土的28 d 抗壓強度大于全機制砂混凝土和河砂混凝土，且隨著機制砂摻配比的增大而增大，并存在最佳摻配比。

機制砂本身由于顆粒粗糙、多棱角、堅固性強等特點，有利于提高水泥漿界面的機械咬合力，起到更好的嵌套作用，從而起到比河砂更好的骨架作用。雙摻粉煤灰和礦粉不僅能起到填充集料空隙、改善機制砂級配的作用，又能在混凝土中發揮火山灰效應和微集料效應，改善水泥漿體的孔結構，提高混凝土密實性，進而提高混凝土強度[12]；而機制砂中的石粉同樣具有晶核作用和微集料填充作用，從而能降低孔隙率，在一定程度上提高混凝土的強度[13-15]。通過雙摻粉煤灰和礦粉，可以獲得早期強度與水泥混凝土接近，同時后期強度又有較大增長空間的高性能混凝土。

2.2.2劈裂抗拉強度

不同齡期的河砂混凝土和機制砂混凝土劈裂抗拉強度試驗結果見表4。

表4 機制砂混凝土和河砂混凝土劈裂抗拉強度 單位：MPa

由表4 可知，機制砂混凝土劈裂抗拉強度與其抗壓強度發展規律相似，隨水膠比的減小而增大。雙摻粉煤灰和礦粉降低了機制砂混凝土的劈裂抗拉強度，這可能是28 d 時礦物摻合料的微集料效應還沒有被完全激發出來所致[16]。在相同配比下，復摻粉煤灰和礦粉的機制砂混凝土劈裂抗拉強度大于河砂混凝土；混合砂混凝土的劈裂抗拉強度大于其他各組混凝土，且隨著機制砂所占比例的增加而增大，原因是混合砂改善了全機制砂級配差的缺點，使混凝土的孔隙結構得到改善，混凝土密實度得以提高，最終提高了混凝土的劈裂抗拉強度。

2.3 機制砂對混凝土早期收縮性能的影響

不同水膠比、礦摻比和機制砂摻配比的混凝土早期收縮試驗結果見圖5～ 圖7。由圖5～ 圖7 可知，機制砂混凝土和河砂混凝土的早期收縮速率在8～10 h 內最大，隨后隨著齡期的增大逐漸平穩緩慢增長。在相同水膠比下，機制砂混凝土的早期收縮速率大于河砂混凝土，特別是降低水膠比時，機制砂混凝土的早期收縮增長幅度相比河砂混凝土明顯增大；雙摻粉煤灰和礦粉能有效降低機制砂混凝土的早期收縮速率，且隨著粉煤灰摻量的增大，機制砂混凝土的早期收縮發展減小，而礦粉對機制砂混凝土早期收縮的影響不是很大。在相同配比下，雙摻粉煤灰和礦粉的機制砂混凝土與河砂混凝土的早期收縮速率基本相當；在相同水膠比下，混合砂混凝土早期收縮速率小于全機制砂混凝土，隨著機制砂在混合砂中所占比例的增大，混合砂混凝土早期收縮速率也逐漸增大。

圖5 不同水膠比混凝土早期收縮

圖6 不同礦摻比混凝土早期收縮

圖7 不同細集料摻配比混凝土早期收縮

降低水膠比，混凝土用水量減小，收縮增大，而機制砂中大量的石粉也會消耗一部分用水量，同時石粉中的SiO2和A 12O3易與水泥水化釋放出的C H反應，生成穩定的硅酸鈣水化物凝膠及水化鋁酸鈣，促進水泥的水化反應[17]、加速水泥的水化進程，從而增加機制砂混凝土的早期收縮速率；礦粉具有微集料效應，可與水泥水化產生的C a（O H）2發生二次水化反應，生成含鈣較低的水化硅酸鈣凝膠，從而改善混凝土的界面結構；粉煤灰中的活性成分SiO2和A 12O3能與C a（O H）2反應，減少或抑制混凝土中薄弱C a（O H）2晶體的形成，同時由于機制砂級配不良、粒型較差等特點，雙摻粉煤灰和礦粉可以增加漿體含量，填充混凝土中的空隙，減少混凝土孔隙率，從而減小混凝土早期收縮[10，16]。

3 結語

（1）機制砂混凝土具有良好的黏聚性能，但是擴展度和坍落度比河砂混凝土差；復摻粉煤灰和礦粉以及采用混合砂能明顯改善機制砂混凝土的工作性。

（2）機制砂混凝土具有良好的力學性能，在相同配比下，機制砂混凝土的抗壓強度大于河砂混凝土；雙摻粉煤灰和礦粉能獲得早期抗壓強度較高而后期抗壓強度大幅增長的機制砂混凝土，但是劈裂抗拉強度發展較慢。當水膠比和配比相同時，混合砂混凝土的力學性能優于全機制砂混凝土和河砂混凝土。

（3）在相同配比下，機制砂混凝土的早期收縮速率大于河砂混凝土，降低水膠比時，機制砂混凝土的早期收縮增長幅度相比河砂混凝土明顯增大；雙摻粉煤灰和礦粉可顯著降低機制砂混凝土早期收縮，其收縮基本與河砂混凝土相當?；旌仙盎炷猎缙谑湛s速率小于全機制砂混凝土，大于河砂混凝土，但是在適當的摻配比例下，混合砂混凝土的早期性能優于河砂混凝土。

（4）由于機制砂細度模數較大、級配較差、粗糙多棱角且富含石粉等特點，在制備混凝土時應充分評估其對混凝土性能可能造成的影響。