機制砂混凝土力學性能影響因素研究

魯 莊

(湖南省交通科學研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

機制砂作為一種替代天然砂的細集料，逐步在工程界得到廣泛運用，但不同區(qū)域的機制砂物理力學性能不同，運用其配置混凝土需進行物理力學性能分析[1]。關于機制砂各項性能研究較多，一般研究者認為，機制砂混凝土強度略高于天然砂混凝土強度，主要原因是機制砂多棱角性能增加了水泥界面的咬合力[2]。陳濤等[3]分別采用機制砂混凝土和天然砂混凝土制備T梁，然后進行彎曲加載試驗，試驗結果表明： 2種材料制成的T梁彎曲受力性能指標均相差不大，力學行為也相似，但機制砂混凝土的延性、抗裂性較普通砂混凝土強，因此認為可以采用機制砂混凝土代替普通砂混凝土。

機制砂成分較為復雜，石粉等含量較高，石粉組成部分影響機制砂的多種工作性能，尋求合適的石粉最佳含量，使得機制砂混凝土工作性能最佳是當前研究機制砂的一個重要方面。薛曉芳等[4]重點對貴州地區(qū)C50機制砂自密實混凝土的石粉含量如何影響混凝土工作性能進行了試驗研究，研究結果表明：石粉含量適量時可以改善機制砂混凝土工作性能，但較多的石粉含量對機制砂混凝土的抗氯離子滲透等性能有影響。總之，為需求最佳使用性能的機制砂種類及其配比組成，需針對性地進行試驗，通過控制單一變量變化來尋求最優(yōu)性能的機制砂混凝土組合。

本文以天然砂、機制砂、水泥等為原材料，設置4組試驗配比的機制砂混凝土，通過力學性能試驗，研究砂種類、石粉含量、礦物摻合料對混凝土抗壓強度等的影響程度。

1 原材料

1.1 水泥

采用質(zhì)量穩(wěn)定性好、抗裂性能優(yōu)良的P·O42.5級普通硅酸鹽水泥。其各項技術指標檢驗值均滿足《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30—2005)要求值。

1.2 礦物摻合料

選擇的粉煤灰等級為II級，其技術性能指標均滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)要求值。

礦渣粉為S95級，S95級礦渣粉技術性能指標均滿足《水泥制品用礦渣粉應用技術規(guī)程》(JC/T2238—2014)要求值。

1.3 粗集料

采用5～16 mm及16～25 mm連續(xù)級配碎石，按照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTGE42—2015)確定粗集料物理性能，按照《公路橋涵施工技術規(guī)范》(JTG/T F50—2011)確定其級配卵石篩分結果，具體指標均滿足規(guī)范要求。

1.4 機制砂細集料

選用天然砂和原狀機制砂，2種砂的各項指標均滿足規(guī)定要求。篩分試驗結果均滿足級配曲線分區(qū)要求?；炷僚浜媳热绫?、表2所示。

表1 天然河砂配制的C50混凝土配合比(kg/m3)水泥天然河砂碎石水減水劑4787341 0741538.1

表2 機制砂配制的C50混凝土配合比(kg/m3)水泥機制砂碎石水減水劑4837661 0311599.3

1.5 外加劑

采用HXSX-A類高效減水劑，該類外加劑滿足機制砂混凝土的配置。

1.6 水

所涉及的水均采用自來水。綜合考慮各主控因素對機制砂混凝土抗壓強度和工作性的影響，選擇最佳配合比，其中水膠比為0.33、砂率為37.5%、礦物摻合料為4%、外加劑為1.2%。

2 機制砂混凝土力學性能研究

2.1 試驗設計

2.1.1天然砂混凝土與機制砂混凝土試件抗壓強度離散性比較

分別配制含天然砂和機制砂的C50混凝土，比較其抗壓強度的離散性。

2.1.2不同材料含量對機制砂混凝土影響

研究砂種類、石粉含量、礦物摻合料對混凝土力學性能的影響，對比試驗采用天然砂、原狀機制砂、水洗機制砂和石灰?guī)r機制砂4種試件，其中對水洗機制砂設置3種石粉含量(0.5%、3.5%、7.5%)、3種礦物摻合料含量(0、98、147 kg/m3),力學性能試驗主要包括混凝土軸心抗壓強度試驗和混凝土立方體抗壓強度試驗。試驗組用配合比見表3所示。

表3 試驗用配合比試驗組編號砂類細度模數(shù)水膠比水泥/(kg·m-3)礦物摻合料/(kg·m-3)水/(kg·m-3)卵石/(kg·m-3)細集料/(kg·m-3)S1天然砂2.50.372991471651 143686 S2-1原狀機制砂S2 S2-2石灰?guī)r機制砂3.30.352621471601 139683 S2-3水洗機制砂S3水洗機制砂3.30.3545801601 139683S4水洗機制砂3.30.35360981651 143686 注:碎石5～16 mm和16～25 mm的摻加比例為4∶6。

2.2 力學性能試驗

2.2.1不同種類砂的抗壓強度值比較

選用天然河砂和機制砂配制的C50混凝土強度試驗結果如表4所示。求得天然砂標準差為1.2 MPa，變異系數(shù)為4.1；機制砂標準差為3.2 MPa，變異系數(shù)為6.9。

表4 天然河砂和機制砂配制的C50混凝土抗壓強度試驗結果類別以下編號混凝土抗壓強度/ MPa1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#天然砂61.3262.8361.7261.0660.2761.1361.5661.3561.0661.47機制砂62.1862.0659.9863.3660.3961.5663.2159.6562.9862.23

由表4可以看出，采用機制砂配制的C50混凝土抗壓強度明顯要高于天然砂配制的混凝土，機制砂混凝土的強度離散性較大，天然河砂混凝土的強度離散性較小。主要原因如下：

1)機制砂主要通過破碎巖石得到，破碎巖石質(zhì)地堅硬，表面棱角分明，在漿體中粘結更加緊密。河砂主要成分是SiO2，化學性質(zhì)比較穩(wěn)定，而巖石的主要成分是CaCO3，與高濃度的Ca(OH)2會發(fā)生復雜的化學反應，可以在一定程度上增強混合料的粘結力[6]。

2)在粉碎巖石的過程中，將產(chǎn)生部分粒徑小于75 μm的石粉，能夠進一步填充混凝土的空隙，并會與漿體中的某些組分發(fā)生復雜的化學反應，生成的化學物質(zhì)能夠改善混凝土某些方面的性能。而河砂中75 μm以下的組成部分主要是泥土，泥土的存在對混凝土各項性能有非常嚴重影響。尤其是大體積混凝土施工，控制泥漿含量能夠有效防止因水化熱引起混凝土溫差過大而引起裂縫[7]。

3)受石粉含量和裂隙影響，相對于天然砂混凝土，機制砂混凝土的強度離散性較大，在施工中要注意攪拌均勻。這是由于天然河砂顆粒圓潤且分級較均勻，混凝土的強度性能也較平均，在實際施工過程中，天然河砂混凝土的強度更容易控制[8]。

2.2.2混凝土軸心抗壓強度

混凝土軸心抗壓強度試驗參照規(guī)范《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081—2016)，試驗試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，換算系數(shù)為0.95，各組的試驗結果如表5所示。

表5 各試驗組混凝土各齡期軸心抗壓強度fc試驗結果試驗組編號以下齡期各試驗組混凝土軸心抗壓強度/MPa7 d28 d60 d90 d120 dS133.646.450.150.349.5S2-144.660.968.671.172.7S2-239.456.361.762.464.4S2-345.762.670.775.276.3S347.865.773.672.473.1S447.365.173.074.074.7

2.2.3混凝土立方體抗壓強度

混凝土立方體抗壓強度試驗參照規(guī)范《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081—2016)，各組的試驗結果如表6所示。

表6 各試驗組混凝土各齡期立方體抗壓強度fcu試驗結果試驗組編號以下齡期各試驗組混凝土立方體抗壓強度/MPa3 d7 d28 d60 d90 d120 d180 d365 dS138.350.364.468.169.469.571.172.4S2-144.457.671.776.981.784.185.688.0S2-242.053.666.872.776.880.882.288.3S2-348.560.774.979838686.889.4S350.762..678.181.583.584.885.787.4S448.251.676.284.386.488.390.892.9

2.3 影響因素分析

2.3.1砂種類對混凝土抗壓強度影響

本次抗壓強度試驗中各組試件的具體配合比如表3所示，得到立方體抗壓強度試驗和軸心抗壓強度試驗結果如圖1、圖2所示。

圖1 天然砂與機制砂混凝土不同齡期的立方體抗壓強度

圖2 天然砂與機制砂混凝土不同齡期的軸心抗壓強度

由圖1可知，各組天然砂混凝土S1試件的各齡期立方體抗壓強度值明顯要低于機制砂混凝土S2，齡期越大，其立方體抗壓強度差值越大。S2-1和S2-2的120 、180、365 d立方體抗壓強度較28 d分別增加了18.9%、21.1%、24.6%和16.4%、17.5%、21.0%。石灰?guī)r機制砂S2-2各個齡期的抗壓強度均小于原狀機制砂S2-1和水洗機制砂 S2-3，且S2-2在28 d后的強度發(fā)展速率也較S2-3低。由圖2可知，天然砂混凝土試件的各齡期軸心抗壓強度值明顯要低于機制砂混凝土，石灰?guī)r機制砂混凝土S2-2各齡期的軸心抗壓強度值均小于原狀機制砂混凝土S2-1和水洗機制砂混凝土S2-3。

綜上可知，機制砂抗壓強度均高于天然砂，而石灰?guī)r機制砂抗壓強度均低于原狀及水洗機制砂。

2.3.2石粉含量對混凝土抗壓強度的影響

以S2-3試驗組為對象，進行0.5%、3.5%、7.5%這3種不同石粉含量下所軸心抗壓及立方體抗壓強度試驗。試驗結果及強度發(fā)展趨勢如圖3、圖4所示，通過計算得到混凝土各齡期軸心抗壓強度與立方體的抗壓強度比值如圖5所示，由圖3、圖4可知，隨著石粉含量增加，混凝土立方體抗壓強度值和軸心抗壓強度值也隨之變大，石粉含量從0.5%增加到3.5%，混凝土各齡期強度增加值比從3.5%增加到7.5%更大，考慮到機制砂混凝土中石粉含量超過10%時其立方體抗壓強度會下降[5]，可以認為合理的石粉含量能有效地提高混凝土的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度。

圖3 不同石粉含量的混凝土立方體抗壓強度

圖4 不同石粉含量的混凝土軸心抗壓強度

圖5 各齡期軸心抗壓強度與立方體抗壓強度比值

由圖5可知，當石粉摻加量達到一定極限時，混凝土軸心抗壓強度降低的同時，混凝土軸心抗壓強度與立方體抗壓強度比值fc/fcu也會出現(xiàn)下降的變化趨勢，但是仍然滿足相關規(guī)范的要求。

2.3.3礦物摻合料對混凝土抗壓強度的影響

基于不同礦物摻合料含量的混凝土各齡期立方體抗壓強度、軸心抗壓強度試驗結果如圖6、圖7所示。

由圖6可知，S3混凝土的早期立方體抗壓強度值較S2-3和S4大，隨著齡期增加，3種混凝土立方體抗壓強度的差值變小，180 d齡期后S2-3和S4混凝土的立方體抗壓強度均高于S3混凝土，可認為礦物摻合料可以提高混凝土的長期立方體抗壓強度。由圖7可知，在齡期90 d之前，S3混凝土的軸心抗壓強度值較S2-3和S4大，同樣礦物摻合料可以提高混凝土的長期軸心抗壓強度。

圖6 礦物摻合料對混凝土立方體抗壓強度的影響

圖7 礦物摻合料對混凝土軸心抗壓強度的影響

3 小結

1)采用機制砂配制的C50混凝土抗壓強度明顯要高于天然砂配制的混凝土，機制砂混凝土的強度離散性較天然河砂混凝土大。

2)天然砂混凝土試件的各齡期軸心抗壓強度值明顯低于機制砂混凝土，石灰?guī)r機制砂混凝土的各齡期軸心抗壓強度值均小于原狀機制砂混凝土。石灰?guī)r機制砂各個齡期的抗壓強度均小于水洗機制砂，且石灰?guī)r機制砂在28 d后的強度發(fā)展速率也較水洗機制砂低。

3)合理的石粉含量能有效提高混凝土的立方體抗壓強度與軸心抗壓強度。當石粉摻加量超過一定數(shù)值后，混凝土抗壓強度降低的同時，軸心抗壓強度與立方體抗壓強度比值fc/fcu也會出現(xiàn)下降的變化趨勢，但是仍然滿足相關規(guī)范要求。

4) 礦物摻合料可以提高混凝土的長期立方體抗壓強度及軸心抗壓強度。