人工砂混凝土體積變形特性的試驗研究

關(guān)炳強,謝 亮,詹鎮(zhèn)峰,黎秋鋒

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

人工砂混凝土體積變形特性的試驗研究

關(guān)炳強1,謝 亮2,詹鎮(zhèn)峰2,黎秋鋒1

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

人工砂的表面粗糙，棱角尖銳，由人工砂配制的混凝土在強度、抗凍性及抗?jié)B性等方面性能要優(yōu)于天然砂混凝土。天然砂資源短缺的情況下，采用人工砂制備混凝土具有良好的經(jīng)濟效益。對人工砂混凝土的干燥收縮和自收縮進(jìn)行了試驗研究。結(jié)果表明，人工砂混凝土的干縮早期發(fā)展快，后期變緩直至穩(wěn)定，隨著石粉含量的增大其干縮先增大后減小，并且隨著水灰比的增大而減?。辉谒冶纫欢〞r，人工砂混凝土各個齡期的干縮均大于河砂混凝土；人工砂混凝土的自收縮在早期表現(xiàn)膨脹變形，后期快速收縮直至穩(wěn)定。

人工砂；干燥收縮；自收縮

混凝土是目前應(yīng)用最廣泛的土木工程材料，有可模性好、剛度大、有利于結(jié)構(gòu)變形控制和就地取材等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)建設(shè)中。目前，我國混凝土工程中應(yīng)用的細(xì)集料多是天然砂[1]，天然砂資源是短期內(nèi)不可再生的，并且地域性較強，也不利于長距離運輸。隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，對天然砂資源的需求越來越大，很多地區(qū)出現(xiàn)亂采、亂挖現(xiàn)象，過度采砂造成的環(huán)境破壞越來越嚴(yán)重。為此，我國相繼出臺了一系列限采或禁采天然砂的措施，由于可用的天然砂資源下降，尋找新的砂源日益緊迫。徐健等[2]的研究指出，使用人工砂制備的混凝土在強度、抗?jié)B性、抗凍性等方面都優(yōu)于普通混凝土，具有廣闊的應(yīng)用前景。

人工砂指經(jīng)除土處理的機制砂和混合砂的統(tǒng)稱，是用專門的制砂機械生產(chǎn)，可以按工程的需要，人為較穩(wěn)定地控制人工砂的質(zhì)量。人工砂的表面粗糙，棱角尖銳，顆粒級配通常為兩頭大中間小。由于人工砂的這些特性，導(dǎo)致人工砂混凝土在應(yīng)用上與普通混凝土存在差別。為研究人工砂混凝土與普通混凝土之間的不同，本文對人工砂混凝土的體積變形特性進(jìn)行了研究，通過比較收縮性能方面的差異，為人工砂混凝土的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1) 水泥：韶關(guān)某水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，強度等級為P·O 42.5R，水泥的性能如表1。

2) 粗集料：廣東省某水利樞紐工程施工所用二級配碎石，灰?guī)r碎石，級配組成為60%中石和40%小石(見表2)。

3) 細(xì)集料：①人工砂，母巖為石灰?guī)r，細(xì)度模數(shù)為2.8，級配屬Ⅱ區(qū)；②河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，級配屬Ⅱ區(qū)。石粉為人工砂過0.16 mm篩的篩下部分，并與篩上部分混合成不同石粉含量的機制砂備用。砂的物理性能和級配曲線如圖1及表3所示。

4) 水：普通自來水。

5) 外加劑：萘系緩凝高效減水劑，固含量為21%。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 碎石物理性能試驗結(jié)果

表3 砂的物理性能

圖1 砂級配曲線

1.2 試驗方法

1) 混凝土干燥收縮和自收縮均按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)進(jìn)行測試。

2) 混凝土的配合比設(shè)計見表4。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 人工砂與河砂混凝土的體積變形特性

2.1.1 人工砂與河砂混凝土的干燥收縮

圖2為人工砂及河砂混凝土的干燥收縮與齡期的關(guān)系曲線。由圖2可知，河砂與人工砂混凝土的干燥收縮變形曲線發(fā)展趨勢大體一致，早期收縮快，隨著齡期的延長，干縮逐漸變緩，但到90 d時，混凝土的

表4 混凝土的配合比設(shè)計

干燥收縮仍在發(fā)展。對比河砂和人工砂混凝土干縮曲線可知，人工砂混凝土各個齡期的干縮均大于河砂，但后期的干縮率相差不大。如河砂混凝土90 d的干縮值為227×10-6，人工砂混凝土90 d的干縮值為237×10-6，干縮量僅增大4%。造成人工砂混凝土的干縮大于河砂混凝土的原因是人工砂中含有石粉。王稷良認(rèn)為石粉對混凝土干燥收縮性能的影響存在兩方面的作用，一方面石粉粒徑與水泥相近，可以提高混凝土中漿體的數(shù)量，對混凝土的干燥收縮產(chǎn)生不利影響；另一方面石粉可以完善細(xì)骨料的級配，提高混凝土結(jié)構(gòu)的密實性，有利于抑制混凝土的干燥收縮[3]。正是石粉對混凝土的干燥收縮的不利影響大于其抑制混凝土的干燥收縮的作用，導(dǎo)致其干燥收縮大于河砂混凝土。

圖2 人工砂及河砂混凝土的干燥收縮

2.1.2 人工砂與河砂混凝土的自收縮

混凝土的自收縮是由于水泥水化造成的，水泥水化過程沒有外界水的供應(yīng)或即使有外界水供應(yīng)，但其通過毛細(xì)孔滲透到體系內(nèi)部的速度小于內(nèi)部空隙的形成速度時，毛細(xì)孔水從飽和趨向于不飽和狀態(tài)，即產(chǎn)生自干燥現(xiàn)象[4]。他與干縮現(xiàn)象有明顯差異，首先它是在與外界無水分交換的條件下出現(xiàn)的；其次，他在混凝土體內(nèi)均勻發(fā)生，而不是僅發(fā)生在表面。已硬化的混凝土水泥石，由于水泥的水化，其中的毛細(xì)管失水而產(chǎn)生收縮；當(dāng)自收縮的應(yīng)力大于水泥石的抗拉強度時，混凝土就會發(fā)生開裂。因此，研究人工砂混凝土的自收縮具有重要的意義。

圖3是混凝土的自收縮與齡期的關(guān)系曲線。由圖3可知，人工砂及河砂混凝土的自收縮隨齡期的發(fā)展規(guī)律大致相同，都是早期為膨脹變形，后期快速產(chǎn)生收縮，最后趨向穩(wěn)定，但人工砂混凝土產(chǎn)生收縮的速度及變形量大于河砂混凝土。人工砂混凝土在5 d內(nèi)的自收縮形為膨脹，然后開始收縮，早期收縮快，到70 d齡期后趨緩，但到90 d齡期收縮仍在發(fā)展。河砂混凝土的收縮與之類似，但人工砂混凝土90 d齡期的自收縮變形量比河砂混凝土增大了約60%。

圖3 人工砂及河砂混凝土的自收縮—齡期曲線

2.2 石粉含量對人工砂混凝土干縮的影響

人工砂中，小于0.16 mm的微細(xì)顆粒稱為石粉。國標(biāo)上對人工砂石粉含量的限制較為嚴(yán)格，對于中低標(biāo)號混凝土限制在7%以下。一般認(rèn)為，人工砂中適量的石粉含量能起到填充料的作用，且對于提高混凝土強度有利，同時還能改善混凝土和易性和抗?jié)B性能。

本節(jié)研究石粉含量對人工砂混凝土干縮影響，通過人工砂混凝土干縮的變化規(guī)律，獲取適宜的石粉摻量。

圖4為石粉含量對人工砂混凝土干縮的影響曲線。根據(jù)圖4可知：人工砂混凝土的干縮隨著石粉含量的增大先增大后減小，超過極限值以后干縮又增大。石粉摻量在12%以內(nèi)，隨著石粉含量的增加，混凝土的干縮隨之增大；當(dāng)石粉摻量超過12%以后，混凝土的干縮隨石粉摻量的增加而下降，并且在石粉摻量為15%時其干縮率最小。另外，隨著齡期的增加，各個石粉摻量下的人工砂混凝土的干縮均增大。李北星等[5]認(rèn)為石粉的細(xì)度接近于水泥的細(xì)度，可起晶核作用，加速水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣和C-S-H的形成，并與C3A反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣晶體，增加水化產(chǎn)物數(shù)量，即作為膠凝材料的一部分而增加漿體數(shù)量，從而使收縮增大。

圖4 石粉含量對人工砂混凝土干縮的影響

2.3 水灰比對人工砂混凝土干縮的影響

圖5為不同水灰比河砂及人工砂混凝土的干縮與齡期的關(guān)系曲線。由圖5可知：當(dāng)水灰比一定時，河砂混凝土各個齡期的干縮均小于人工砂混凝土，與前面的結(jié)論一致。如水灰比為0.55時，摻6%石粉的人工砂混凝土90 d干縮率為237×10-6，摻12%石粉的人工砂混凝土90 d干縮率為260×10-6，而河砂混凝土90 d干縮為227×10-6，干縮率分別增大了4%與14.5%，說明在中低標(biāo)號混凝土中，人工砂混凝土中的石粉摻量不宜過大。對比混凝土不同水灰比的干縮—齡期曲線發(fā)現(xiàn)，該配合比，混凝土的干縮隨著水灰比的增大而下降。

圖5 水灰比對混凝土干縮的影響

綜上所述，人工砂混凝土的收縮性能差于河砂混凝土，會限制人工砂的應(yīng)用，但可以考慮摻加膨脹劑來改善其體積變形特性，從而優(yōu)化人工砂混凝土的收縮性能，拓寬人工砂的應(yīng)用。

3 結(jié)語

本文對人工砂及河砂混凝土的干縮以及自收縮進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1) 人工砂混凝土的干縮早期發(fā)展快，后期變緩直至穩(wěn)定；在一定的配合比下，人工砂混凝土的干縮率大于河砂混凝土。

2) 在該配合比下，人工砂混凝土的干縮隨著石粉含量的增大先增大后減小，超過極限值以后干縮繼續(xù)增大，但其干縮隨著水灰比的增大而減小。

3) 人工砂混凝土的自收縮在早期表現(xiàn)膨脹變形，后期快速收縮直至穩(wěn)定。

[1] 蔡基偉. 石粉對機制砂混凝土性能的影響及機理研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)， 2006．

[2] 徐健， 蔡基偉， 王稷良，等. 人工砂與人工砂混凝土的研究現(xiàn)狀[J]. 建材世界， 2004， 25(3):20-24．

[3] 王稷良. 機制砂特性對混凝土性能的影響及機理研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)， 2008．

[4] 安明哲， 覃維祖， 朱金銓. 高強混凝土的自收縮試驗研究[J]. 濟南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)， 1998(S1):141-145．

[5] 李北星， 周明凱， 蔡基偉，等. 機制砂中石粉對不同強度等級混凝土性能的影響研究[J]. 混凝土， 2008(7):51-54．

(本文責(zé)任編輯 王瑞蘭)

Experimental Study on Volume Stability of Manufactured Sand Concrete

GUAN Binqiang1, XIE Liang2, ZHAN Zhenfeng2,LI Qiufeng1

(1. Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower, Guangzhou 510635,China; 2.School of Civil Engineering,Guangzhou University, Guangzhou 510006,China)

Manufactured sand concrete, prepared by the artificial sand with rough surface, sharp edges and corners, have better performance than natural sand concrete on compressive strength, frost resistance and impermeability resistance. In the case of shortage of natural sand resources, the use of artificial sand preparation of concrete has good engineering benefits. The experimental study on drying shrinkage and self-shrinkage of artificial sand concrete is carried out in this paper. The results show that the shrinkage of the manufactured sand concrete increases rapidly in the early stage and slows down in the later stage, which first increases and then decreases with the increase of the stone powder content，and decreases with the water-cement ratio increased The dry shrinkage of artificial sand concrete is bigger than the river sand concrete at all ages when the water-cement ratio is constant. The self-shrinkage of the artificial sand concrete expands and deforms at an early stage and then shrinks rapidly until it is stable.

manufactured sand ; drying shrinkage ; self-shrinkage

2016-12-05;

2016-12-09

關(guān)炳強(1988)，男，本科，助理工程師，從事水利工程檢測及材料研究。

TU528

：A

：1008-0112(2016)012-0022-04