機(jī)制砂與河砂配合使用對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響研究

蒙忠歡

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南省長(zhǎng)沙市芙蓉區(qū)農(nóng)大路1號(hào) 410128）

混凝土是土木工程中必不可少的建筑材料，在工程建設(shè)中應(yīng)用的非常廣泛，房屋建筑、道路橋梁、水利設(shè)施等都要用到混凝土。天然砂是混凝土的主要成分之一，因此我國(guó)每年從河道中開采出大量的河砂用于工程建設(shè)。過(guò)度開采河砂不僅嚴(yán)重破壞了河道的自然生態(tài)，威脅到堤岸、橋梁的安全，也成為造成河流沉船事故的一個(gè)因素。此外，很多地區(qū)河道中河砂含量低且粒徑細(xì)小，例如重慶和上海，兩個(gè)城市均坐落于長(zhǎng)江邊，但開采出的河砂因粒徑小而并不適于用作混凝土的細(xì)骨料。城市的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)都離不開混凝土，因此，有學(xué)者及工程建設(shè)專家提出了使用機(jī)制砂來(lái)代替河砂。機(jī)制砂是將天然石材磨碎而成的粒徑大小為0.15～4.75 mm的不規(guī)則小石粒。機(jī)制砂的使用減少了對(duì)河砂的依賴，有效地解決了工程建設(shè)中因從其他地區(qū)購(gòu)買河砂導(dǎo)致運(yùn)輸不便且費(fèi)用高的難題。采用機(jī)制砂替代河砂會(huì)對(duì)混凝土性能產(chǎn)生影響，為減小機(jī)制砂的影響，改善混凝土的性能，必須進(jìn)行機(jī)制砂與河砂配合使用的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)方法與材料

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于路橋華東工程有限公司豐都縣項(xiàng)目部中心試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)所用粗骨料為當(dāng)?shù)厥規(guī)r壓碎的粗顆粒，粒徑大于5 mm，水泥為華新牌32.5普通硅酸鹽水泥，水為清潔的自來(lái)水，細(xì)骨料為石灰?guī)r壓碎的細(xì)顆粒（機(jī)制砂）和湖南岳陽(yáng)洞庭湖開采的河砂。

1.2 試驗(yàn)方法

在不加外加劑的情況下，設(shè)計(jì)了混凝土強(qiáng)度為C15，C20，C25，C30，C35，C40五個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，砂率和水灰比根據(jù)以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)選用。將機(jī)制砂與河砂按一定的比例配合，試驗(yàn)分7組，即細(xì)骨料中河砂的比例分別為10%，20%，30%，40%，50%，70%，90%，其編號(hào)為P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7。另外做一組細(xì)骨料全部是河砂的參照對(duì)比組。各組水泥用量、水用量和粗骨料用量全部與對(duì)照組一致，每組做6個(gè)試塊?；炷林懈鞣N材料用精度為1g的電子稱稱重，然后用容量為10 L的試驗(yàn)攪拌機(jī)攪拌，攪拌均勻后倒入150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試模，做成試塊，在恒溫恒濕條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗壓檢驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 細(xì)骨料為河砂混凝土強(qiáng)度的分析

混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度與水灰比成線性增長(zhǎng)關(guān)系，同時(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與水泥強(qiáng)度也有很好的線性相關(guān)性。瑞士學(xué)者保羅米（J.Bolo mey）最早建立了混凝土強(qiáng)度與灰水比的經(jīng)驗(yàn)公式，后經(jīng)不斷完善，得出了混凝土強(qiáng)度公式：

式中：fcc為混凝土立方體28 d齡期的抗壓強(qiáng)度，MPa；fce為水泥28 d齡期的實(shí)際抗壓強(qiáng)度；C／W為混凝土的水灰比；A，B為與混凝土用骨料和水泥品種有關(guān)的回歸系數(shù)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)測(cè)定。

混凝土強(qiáng)度是根據(jù)立方體試件在標(biāo)準(zhǔn)狀況下養(yǎng)護(hù)28 d后具有95%強(qiáng)度保證率的抗壓強(qiáng)度值。當(dāng)混凝土中的細(xì)骨料全部為河砂時(shí)，各設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土配合比、水灰比以及28 d抗壓強(qiáng)度測(cè)定值如表1所示。表中每個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的28 d抗壓強(qiáng)度均為同一攪拌機(jī)制作的6個(gè)試塊的平均值。

表1中是普通混凝土配合比設(shè)計(jì)不同強(qiáng)度等級(jí)時(shí)各材料用量?；炷翉?qiáng)度的實(shí)測(cè)值是經(jīng)過(guò)28 d養(yǎng)護(hù)后的試塊在壓力機(jī)上壓碎，通過(guò)最大壓力和試塊受壓面積計(jì)算得出的抗壓強(qiáng)度，其結(jié)果能達(dá)到設(shè)計(jì)值且強(qiáng)度保證率在95%以上。

表1 細(xì)骨料全部為河砂的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度及測(cè)定值

2.2 細(xì)骨料為機(jī)制砂與河砂配合后混凝土的強(qiáng)度分析

在進(jìn)行機(jī)制砂與河砂配合使用后混凝土的強(qiáng)度分析試驗(yàn)時(shí)，將機(jī)制砂與河砂按一定比例混合作為混凝土細(xì)骨料，其他材料的配合比與細(xì)骨料全部為河砂的配合比相同，每個(gè)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)混凝土，按其細(xì)骨料中河砂比例不同做7組標(biāo)準(zhǔn)試件，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制每個(gè)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)混凝土的實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度與細(xì)骨料中河砂比例變化的關(guān)系，如圖1至圖6所示。

由圖1至圖6可知，完全采用機(jī)制砂取代河砂作為混凝土中的細(xì)骨料，其強(qiáng)度不能達(dá)到河砂作為細(xì)骨料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。而在機(jī)制砂中摻入一定比例的河砂后，混凝土強(qiáng)度隨著河砂在細(xì)骨料中比例的提高強(qiáng)度不斷增加?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C15，C20，C25時(shí)，若混合細(xì)骨料中河砂含量在30%至40%，該種機(jī)制砂與河砂配合作細(xì)骨料的混凝土強(qiáng)度能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，若繼續(xù)增加細(xì)骨料中的河砂含量混凝土強(qiáng)度增加很小，因此，采用P·O32.5水泥，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C15，C20，C25的混凝土，使用機(jī)制砂與河砂按比例混合作細(xì)骨料，28 d抗壓強(qiáng)度能達(dá)到設(shè)計(jì)值，此時(shí)機(jī)制砂與河砂比值可選用7∶3?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30，C35，C40時(shí)，若混合細(xì)骨料中河砂含量在40%至50%時(shí)，該種機(jī)制砂與河砂配合作細(xì)骨料的混凝土能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。此時(shí)機(jī)制砂與河砂的比值可選用6∶4。按該配合比配合的混合細(xì)骨料混凝土均能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，且強(qiáng)度保證率達(dá)95%以上。

3 結(jié)論與討論

在缺少河砂的地區(qū)可以采用機(jī)制砂部分替代河砂進(jìn)行混凝土的加工生產(chǎn)，但是，在拌制混凝土?xí)r，既要保證混凝土能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值同時(shí)又要達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)性，因此，需合理控制混凝土細(xì)骨料中機(jī)制砂與河砂混合比例。按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)某一強(qiáng)度的混凝土?xí)r細(xì)骨料為抗壓強(qiáng)度較高的石英砂，該種細(xì)骨料所構(gòu)成的混凝土抗壓強(qiáng)度均可達(dá)到設(shè)計(jì)值，且有一定的安全保障系數(shù)，即實(shí)際抗壓強(qiáng)度超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度10%至20%。而將該種細(xì)骨料全部用機(jī)制砂代替時(shí)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)值。將機(jī)制砂與河砂按一定的配比混合作為細(xì)骨料時(shí)混凝土性能發(fā)生改變，其抗壓強(qiáng)度隨著河砂在混合料中的增加而增加。同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)配制低強(qiáng)度混凝土?xí)r河砂在混合細(xì)骨料中所占配比較低即可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，當(dāng)配制強(qiáng)度等級(jí)較高的混凝土?xí)r需提高河砂在混合細(xì)骨料中的比重才能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。配制C25及以下等級(jí)的混凝土可在混合細(xì)骨料中將河砂含量設(shè)為30%進(jìn)行拌制，配制C30及以上等級(jí)混凝土?xí)r將混合細(xì)骨料中河砂含量設(shè)為40%進(jìn)行拌制，并可適當(dāng)提高這一含量。因?yàn)楦邚?qiáng)度等級(jí)混凝土是工程結(jié)構(gòu)中的重要受力結(jié)構(gòu)，其混凝土強(qiáng)度要有一定的安全保障系數(shù)。

選用機(jī)制砂與河砂混合物作為細(xì)骨料的混凝土，隨著河砂含量的增加混凝土抗壓強(qiáng)度增加，含河砂量與抗壓強(qiáng)度并不程線性相關(guān)，而是存在一個(gè)分界段，當(dāng)河砂含量超過(guò)這個(gè)分界段后，混凝土抗壓強(qiáng)度增加量變小，而繼續(xù)提高河砂含量雖能保證其能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，但會(huì)使混凝土造價(jià)成本增加很多。在保證混凝土能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下選用合理的機(jī)制砂與河砂的配合比構(gòu)成混凝土細(xì)骨料可降低混凝土成本并保證其設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)到工程建設(shè)上經(jīng)濟(jì)與安全的目的。

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