機(jī)制砂與普通砂混凝土在不同砂率下的強(qiáng)度試驗研究

何柯毅　黃獻(xiàn)文　蔡紅明

摘 要：針對工程中機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度褒貶不一的問題。對不同強(qiáng)度等級、不同砂率下的機(jī)制砂混凝土和普通混凝土試塊開展抗壓強(qiáng)度試驗和對比分析。研究得到了不同強(qiáng)度等級的機(jī)制砂混凝土和普通砂混凝土的抗壓強(qiáng)度與砂率的關(guān)系曲線，對其機(jī)理從混凝土材料學(xué)的角度進(jìn)行了合理的解釋；同時獲得了C30和C60機(jī)制砂混凝土的最佳砂率，并建議對于石粉含量較高的機(jī)制砂，其最佳砂率的取值應(yīng)適當(dāng)偏大。

關(guān)鍵詞：機(jī)制砂；天然砂；混凝土；砂率；強(qiáng)度

進(jìn)年來，隨著可開采的天然砂資源日益減少，特別是一些山區(qū)，偏遠(yuǎn)地區(qū)，石多砂少的現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。將山石破碎為機(jī)制砂代替天然砂配置混凝土是混凝土材料發(fā)展的一個趨勢。通過實地調(diào)研和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)大量的試驗數(shù)據(jù)顯示機(jī)制砂由于其良好的顆粒形狀、較大的比表面積、適當(dāng)?shù)氖蹞搅?，使其?qiáng)度高于普通砂。然而大部分商品混凝土公司則得出了完全相反的結(jié)論，認(rèn)為在相同條件下，配置的機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度不及普通砂。因此作者對機(jī)制砂混凝土的施工和易性、強(qiáng)度等性能產(chǎn)生了質(zhì)疑。

針對文獻(xiàn)資料與工程實例相矛盾的情況，文章試配了C30、C60兩種強(qiáng)度的混凝土，通過改變機(jī)制砂混凝土和普通砂混凝土的砂率，并對他們的28d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試、對比，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析，最終得出了在一定條件下兩種混凝土的最佳砂率，并對砂率-強(qiáng)度曲線的變化規(guī)律進(jìn)行了合理的解釋。

1 試件制作

1.1 試驗材料

水泥：32.5級普通硅酸鹽水泥、52.5級普通硅酸鹽水泥；

砂：天然河砂；

機(jī)制砂：鎮(zhèn)江某公司破碎的山石砂；

石子：鎮(zhèn)江市某采石場生產(chǎn)的石子，堆積密度1660kg/m3，表觀密度2850kg/m3；

水：自來水。

1.2 配合比設(shè)計

為研究不同砂率下機(jī)制砂混凝土與普通砂混凝土的強(qiáng)度，根據(jù)《混凝土配合比設(shè)計規(guī)范》（JGJ55-2011）設(shè)計C30、C60混凝土配合比。在C30設(shè)計強(qiáng)度下：水泥325kg、水195kg、砂石1880kg；在C60強(qiáng)度下：水泥476kg、水195kg、砂石質(zhì)量1730kg。C30、C60混凝土在不同砂率下的試驗配合比詳見表1和表2.

1.3 試塊的制備與測試

1.3.1 試塊的制備方案

準(zhǔn)確稱量各種物料，采用二次投料法進(jìn)行拌制。采用HJW-60升混凝土強(qiáng)制式攪拌機(jī)，先將砂、水、水泥混合攪拌1min，然后加入石子攪拌30s。出料后裝入150mm×150mm×150mm的試模中，特別注意的是要保證試塊的密實度。再按照《混凝土強(qiáng)度檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50107-2010）將試塊放入20攝氏度，濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，對其養(yǎng)護(hù)2d后拆模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)26d。

1.3.2 坍落度測試方案

先將用于坍落度試驗的各種器具經(jīng)水潤濕。在坍落度桶裝料的過程中，拌合物分三層裝入桶內(nèi)，每次裝到三分之一處，用搗棒插搗，插搗需由外至內(nèi)，每次插搗需貫穿本層，插搗次數(shù)25次宜?；炷撂顫M坍落度筒并搗實后，用鏝板刮去多余的混凝土，使混凝土上層表面與坍落度桶口齊平。然后垂直將坍落度筒提起，整個過程不要超過十秒，提筒的過程中注意上下垂直并不要左右晃動，最后用兩把鋼尺量出混凝土頂面到坍落度筒頂面的距離，即為該混凝土的坍落度。

1.3.3 抗壓試驗方案

試驗機(jī)選取TYE-2000B型壓力試驗機(jī)，將試件的側(cè)面置于壓力板中心位置，調(diào)節(jié)送油閥調(diào)整試驗機(jī)加載速率，持續(xù)加載直至試件破壞，記錄破壞時的極限荷載值。

2 試驗結(jié)果

表3為不同砂率的C30機(jī)制砂混凝土和普通混凝土的塌落度以及抗壓強(qiáng)度的實測值；表4為不同砂率的C60機(jī)制砂混凝土和普通混凝土的塌落度以及抗壓強(qiáng)度的實測值。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 C30機(jī)制砂與普通砂混凝土的強(qiáng)度對比分析

將C30機(jī)制砂與普通砂混凝土的試驗數(shù)據(jù)繪制在圖1上，橫坐標(biāo)為砂率，縱坐標(biāo)為抗壓強(qiáng)度值。通過對比發(fā)現(xiàn)：

（1）分析普通砂強(qiáng)度曲線：在32%～44%的砂率范圍內(nèi)，普通砂混凝土28d抗壓強(qiáng)度隨著砂率的提高而降低，且呈線性趨勢。隨著砂率的提高，混凝土中細(xì)骨料逐漸增加，粗骨料逐漸減少，這引起骨料與膠凝材料接觸面面積的變化，細(xì)骨料較粗骨料有更大的比表面積，接觸面積的增大在膠凝材料充足的情況下可以起到增加粘結(jié)層強(qiáng)度的作用，但是當(dāng)膠凝材料不足時，過大的接觸面無法都和膠凝材料結(jié)合，使得接觸面存在沒有粘結(jié)力的微裂紋，當(dāng)混凝土受壓時，這些微裂紋會逐漸的擴(kuò)展，形成連續(xù)裂紋，使混凝土無法繼續(xù)受壓，降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度。而且這種對混凝土強(qiáng)度影響的情況隨著混凝土強(qiáng)度的提高而越發(fā)的明顯。

（2）分析機(jī)制砂強(qiáng)度曲線：機(jī)制砂混凝土28d抗壓強(qiáng)度在砂率32%～44%之間呈現(xiàn)出U形，在39%處達(dá)到最低值。所以判定在C30的設(shè)計強(qiáng)度下，機(jī)制砂混凝土中機(jī)制砂的最佳砂率在44%左右。機(jī)制砂相對于普通砂而言具有較高的石粉等惰性粉料的含量，所以對于機(jī)制砂強(qiáng)度曲線的分析更側(cè)重于石粉含量的影響。在砂率由32%～40%區(qū)間內(nèi)，由于石粉是惰性材料不參與混凝土強(qiáng)度的形成，所以隨著砂率的升高，單位體積里機(jī)制砂的用量也逐漸的升高，這也就提高了混凝土中惰性粉料的含量，大量的惰性粉料混合在機(jī)制砂與水泥的膠結(jié)層中，使混凝土的粘結(jié)層出現(xiàn)缺陷，這些缺陷在混凝土受壓時很快就達(dá)到了極限，形成裂紋，隨著壓力的繼續(xù)增大，這些裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，使混凝土很快達(dá)到其抗壓極限，并且這種粉料對強(qiáng)度的削弱作用隨著砂率的提高而越來越明顯；惰性的石粉雖然不能提供混凝土強(qiáng)度，但是這些石粉懸浮在混凝土中，可以起到晶核作用，吸引附近的水泥顆粒，加速水泥膠凝材料的析出，誘導(dǎo)水泥的水化反應(yīng)，間接增強(qiáng)到了混凝土的強(qiáng)度，但是由于這種晶核效應(yīng)對于粉料含量的要求比較苛刻，所以僅在一定含量下作用效果才比較明顯，過多或過少都會大大降低晶核誘導(dǎo)水泥水化的反應(yīng)，所以僅在42%砂率處出現(xiàn)突變，混凝土的強(qiáng)度突然提高。endprint

（3）綜合分析2條曲線，在《混凝土配合比設(shè)計規(guī)范》（JGJ55- 2011）推薦砂率下，發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度在砂率為32%～41%區(qū)間內(nèi)時低于普通砂，在41%～44%時超過普通砂。結(jié)合混凝土破碎的一般原因分析，在C30強(qiáng)度等級的混凝土中，混凝土的強(qiáng)度極限一般取決于骨料和膠凝材料的粘結(jié)層，所以本段分析側(cè)重于從粘結(jié)層強(qiáng)度方面的解釋和分析。

3.2 C60機(jī)制砂與普通砂混凝土的強(qiáng)度對比

將C60機(jī)制砂與普通砂混凝土的試驗數(shù)據(jù)繪制在圖2上，橫坐標(biāo)為砂率，縱坐標(biāo)為抗壓強(qiáng)度值。通過對比發(fā)現(xiàn)：

（1）分析普通砂混凝土28d強(qiáng)度曲線，砂率在26%～28%、30%～32%區(qū)間內(nèi)，隨著砂率的提高，混凝土的強(qiáng)度降低；在28%～30%的區(qū)間內(nèi)，隨著砂率的提高，混凝土的強(qiáng)度增加。在區(qū)間32%～36%內(nèi)，混凝土的強(qiáng)度基本不變。在C60設(shè)計強(qiáng)度的混凝土中，隨著砂率的提高，混凝土中的細(xì)骨料增加，粗骨料減少，細(xì)骨料較粗骨料有更大的比表面積，所以增加了骨料總體與膠凝材料的接觸面積。但由于單位體積內(nèi)膠凝材料的總量有限，無法在所有的接觸面形成一定厚度的粘結(jié)層，這就導(dǎo)致薄弱粘結(jié)層的出現(xiàn)，當(dāng)混凝土受壓時，這些粘結(jié)層很快就破壞，并隨著壓力的增大，這些粘結(jié)層迅速的擴(kuò)展，很快就使混凝土達(dá)到抗壓強(qiáng)度極限，并且這種強(qiáng)度下降的趨勢隨著砂率的提高而越發(fā)的明顯。優(yōu)良的級配對于混凝土的強(qiáng)度提高也會有幫助，當(dāng)混凝土中的粗骨料、細(xì)骨料、膠凝材料合適時，即細(xì)骨料的正好填充粗骨料的空隙，膠凝材料填充粗細(xì)骨料的空隙，混凝土不僅能夠獲得較大的密實度，而且在受到壓力時混凝土能夠通過優(yōu)良的結(jié)構(gòu)受力特性充分發(fā)揮其內(nèi)部材料的性能，使得混凝土的抗壓強(qiáng)度的到提高，但這種強(qiáng)度的提高對于粗細(xì)骨料、膠凝材料的配比要求比較苛刻，所以只在30%砂率時出現(xiàn)。

（2）分析機(jī)制砂混凝土28d的強(qiáng)度曲線，砂率在26%～32%、34%～36%的區(qū)間內(nèi)，隨著砂率的提高，混凝土的強(qiáng)度基本呈現(xiàn)出上升的趨勢；在32%～34%的區(qū)間內(nèi)，呈現(xiàn)出下降的趨勢，但因變化幅度不大，得出在C60的設(shè)計配合比下，機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度不隨砂率的變化而變化。在C60機(jī)制砂混凝土中，由于機(jī)制砂含有大量的惰性粉料，這些粉料的體積非常的小，可以填充膠凝材料與骨料的間隙，增加混凝土的密實度，優(yōu)化混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得混凝土的強(qiáng)度得到提升。并且隨著機(jī)制砂砂率的提高，機(jī)制砂的含量越來越多，細(xì)小粉料的含量也越來越多，填充微空隙的作用就越來越明顯，所以混凝土的強(qiáng)度會呈現(xiàn)出上升趨勢。雖然這些細(xì)小的惰性粉料可以通過填充空隙，優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)的方式提高混凝土的強(qiáng)度，但是當(dāng)這些惰性材料過多時，由于其對強(qiáng)度并沒有貢獻(xiàn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果低于惰性材料對混凝土強(qiáng)度的影響，混凝土的強(qiáng)度會出現(xiàn)下降的情況，正如32%～34%砂率處。

（3）通過分析兩條曲線，發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度始終低于普通砂。但在32%砂率處，機(jī)制砂的強(qiáng)度達(dá)到最大值，接近普通砂，所以在C60的配比下，機(jī)制砂的最佳砂率為32%。

結(jié)合混凝土破碎的一般原因分析，在C60強(qiáng)度等級的混凝土中，混凝土的破碎原因來自多方面，有混凝土中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理性，砂石骨料的強(qiáng)度，粘結(jié)層的強(qiáng)度等。

3.3 綜合分析

通過以上對比分析發(fā)現(xiàn)，隨著砂率的增大，混凝土的強(qiáng)度亦隨之發(fā)生較大改變。對其原因結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行合理的分析。

普通砂多為天然河砂，由于大自然的沖刷作用，使得天然砂的顆粒形狀多是呈球形或者橢球形且顆粒表面光滑。致使其在混凝土中的比表面積相對較小，較小的比表面積可能會形成薄弱的粘結(jié)層，成為混凝土破壞的主要原因。

機(jī)制砂多由山石強(qiáng)制破碎而成。生產(chǎn)方式?jīng)Q定了機(jī)制砂多棱角、不規(guī)則的顆粒形狀，也使其具有了較大的比表面積，增大了砂與膠凝材料的接觸面積，間接增強(qiáng)了混凝土粘結(jié)層的強(qiáng)度。由于機(jī)制砂是破碎而來，所以機(jī)制砂中含有較多的石粉。石粉的顆粒較小，適當(dāng)?shù)靥砑涌梢云鸬教畛浠炷林锌障兜淖饔?，增加了混凝土的密實度，?yōu)化了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高了混凝土的強(qiáng)度。又因為石粉多是惰性材料，不參與水泥的硬化，這些小顆粒懸浮在未形成強(qiáng)度混凝土中，產(chǎn)生“晶核”作用，使大量的水泥顆粒團(tuán)聚在石粉周圍，加快了水泥的硬化，從而達(dá)到誘導(dǎo)水泥水化的目地，加快了混凝土強(qiáng)度的形成，間接提高了混凝土的強(qiáng)度。但是，如果機(jī)制砂的石粉的含量過多或者不適合，大量的惰性石粉會依附在砂和石子的表面，減少了膠凝材料與石子或砂的接觸面積，削弱了粘結(jié)層的強(qiáng)度，這也導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度會下降。所以石粉的適當(dāng)與否對混凝土的強(qiáng)度影響非常巨大。又因為混凝土強(qiáng)度形成是一個非常復(fù)雜的組合，所以無法以單一的影響因素對其進(jìn)行規(guī)律性的準(zhǔn)確推算。

結(jié)合文章研究重點(diǎn)，不難得出在一定條件下機(jī)制砂、普通砂的強(qiáng)度與砂率的關(guān)系。

4 結(jié)語

在C30混凝土的設(shè)計配合比下，普通砂混凝土、機(jī)制砂混凝土的最佳砂率分別在32%和42%左右。

在C60混凝土的設(shè)計配合比下，普通砂混凝土和機(jī)制砂混凝土的最佳砂率分別在26%和32%。

根據(jù)試驗結(jié)果并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)分析，在高石粉含量的機(jī)制砂中，機(jī)制砂的強(qiáng)度受石粉含量的影響較大，對于高含粉量的機(jī)制砂，其最佳砂率的取值應(yīng)適當(dāng)偏大。

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作者簡介：何柯毅（1995.03- ），男，江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院；黃獻(xiàn)文（1994.04- ），男，江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院；蔡紅明（1993.08- ），男，江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院。endprint