高強機制砂混凝土抗壓性能試驗研究

劉春杰，丁新新，盧亞召，韓 冰，凡有紀

(1．焦作市公路管理局，河南 焦作 454152;2．華北水利水電大學 土木與交通學院，河南 鄭州 450045)

隨著對自然環境和天然河道保護的重視，機制砂已逐漸成為替代天然砂的主要人工資源． 目前對采用機制砂配制常用強度等級混凝土的研究已較為成熟，并得到了廣泛的工程應用［1－3］．如王稷良［4］研究了機制砂中石粉含量及機制砂的粒形、級配、壓碎值等機制砂特性指數對混凝土性能的影響． 趙順波等［5］通過試驗研究指出機制砂再生粗骨料混凝土梁的開裂彎矩小于普通鋼筋混凝土梁的開裂彎矩，建議采用普通鋼筋混凝土梁開裂彎矩乘以折減系數的方法來計算機制砂再生粗骨料混凝土配筋梁的正截面開裂彎矩．但對于強度等級在C50 以上的機制砂混凝土的研究還較少，仍然是困擾工程技術人員的技術難題，從而制約了機制砂在混凝土結構中的應用和推廣．鑒于此，筆者開展了高強機制砂混凝土配合比設計、拌合物工作性能和抗壓性能的試驗研究，具有重要意義．

1 試驗概況

1．1 原材料

采用P·O 52．5 普通硅酸鹽水泥，焦作石灰巖質原狀機制砂和石灰巖質碎石，基本性能見表1—3．礦物摻合料為I 級粉煤灰，密度為2 280 kg/m3，細度為3．9，需水量比為95%．減水劑為焦作協力建材TX—102 緩凝高效減水劑，實測減水率為19%．拌合水采用潔凈自來水．

表1 水泥基本物理力學性能指標

表2 機制砂的基本物理性能指標

表3 石子的基本物理力學性能指標

1．2 混凝土配合比

采用絕對體積法進行配合比設計［3，6］． 考慮機制砂石粉含量較多，用機制砂總質量4%的石粉按照等體積替代的方式取代粉煤灰，具體配合比見表4．

表4 配合比設計

1．3 試驗方法

采用臥軸強制式攪拌機進行混凝土拌制，混凝土試件的投料順序及攪拌時間為:細骨料，礦物摻合料，1/3 水(攪拌0．5 min)，水泥、粗骨料，摻入減水劑的剩余水(攪拌2．5 min)．

混凝土拌合物性能試驗按規范GB/T 50080—2002 進行［7］，測試指標為塌落度及其1 h 經時損失．混凝土抗壓性能試驗按規范GB/T 50081—2002進行［8］，測試混凝土的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和受壓彈性模量，采用150 mm × 150 mm ×150 mm標準立方體試塊和150 mm × 150 mm ×300 mm標準棱柱體試塊．

2 試驗結果分析

2．1 混凝土拌合物工作性能

機制砂混凝土拌合物工作性能試驗結果如圖1所示．31FC 系列中，砂率為29% ～35%的混凝土拌合物塌落度在160 ～220 mm，塌落擴展度在520 ～580 mm，1 h 經時損失控制在15 ～48 mm．除31FC—29 組混凝土拌合物存在微量離析現象外，其余混凝土拌合物均具有良好的黏聚性和保水性．28FC 系列中，砂率從31%變化至35%時，混凝土拌合物的塌落度在120 ～200 mm，塌落擴展度在250 ～410 mm，1 h 經時損失控制在75 mm 之內，混凝土拌合物均具有良好的黏聚性和保水性．

圖1 砂率對混凝土工作性能的影響

固定水膠比0．28、用水量156．8 kg/m3、粉煤灰摻量25%的FC—33 與未摻粉煤灰的基準混凝土F0C 拌合物相比，塌落度降低60 mm 左右，塌落擴展度降低190 mm 左右，如圖2 所示．

圖2 粉煤灰對混凝土工作性能的影響

由圖2 可知，隨著粉煤灰替代膠凝材料用量的增加，塌落度和塌落擴展度均明顯增加，并超越基準混凝土．這說明了粉煤灰在增大混凝土拌合物粉體體積、黏聚性與保塌性能等方面的正負效應［3］． 同時，粉煤灰有利于保持混凝土拌合物的工作性能，1 h 經時損失隨粉煤灰摻量的增加而減小． 為了保證粉煤灰混凝土的優良工作性能，水膠比0．28 的混凝土的粉煤灰摻量需大于30%．

2．2 砂率對混凝土抗壓性能的影響

砂率對混凝土立方體抗壓強度的影響如圖3 所示．31FC 系列中，砂率29% ～35%的混凝土立方體抗壓強度:3 d 時為54． 7 ～56． 6 MPa，7 d 時為56．9 ～63．0 MPa，28 d 時為66．6 ～69．9 MPa，56 d時為77．4 ～82．9 MPa．FC 系列中，砂率31% ～35%的混凝土立方體抗壓強度:3 d 時為56． 2 ～63．8 MPa，7 d 時為63． 0 ～67． 5 MPa，28 d 時為73．3 ～77．3 MPa，56 d 時為82．0 ～84．2 MPa． 表明砂率31% ～35%在合理砂率區域，對立方體抗壓強度性能無顯著影響．

圖3 砂率對混凝土立方體抗壓強度的影響

如圖4 所示，31FC 系列中，砂率29% ～35%時，混凝土軸心抗壓強度在50．7 ～59．5 MPa，離散性大于立方體抗壓強度，緣于高強混凝土的脆性較大，最優砂率為35%;該系列混凝土軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值fc/fcu，0在0． 74 ～0． 85，均值為0．79．FC 系列中，軸心抗壓強度隨砂率的增加呈現微幅降低的規律，最優砂率為31%;該系列混凝土fc/fcu，0在0． 76 ～0． 87，均值為0． 81． 與我國規范GB 50010—2010具有一致性［9］．

圖4 砂率對混凝土軸心抗壓強度的影響

如圖5 所示，31FC 系列中，砂率29% ～35%時，混凝土彈性模量為(4．45 ～4．69)×104MPa，最優砂率為35%．FC 系列中，砂率31% ～35%時，混凝土彈性模量為(4．67 ～5．01)×104MPa，最優砂率為33%和35%．

圖5 砂率對混凝土抗壓彈性模量的影響

綜上分析，采用機制砂配制C60 ～C80 混凝土時，砂率不宜小于33%．

2．3 粉煤灰摻量對混凝土抗壓性能的影響

粉煤灰摻量對混凝土立方體抗壓強度的影響如圖6 所示． 齡期3 d 時，FC 強度均小于未摻加粉煤灰的基準混凝土強度，FC，F35C，F45C 與基準混凝土F0C 抗壓強度的比值依次為0．92，0．81，0．76;齡期7 d 時，抗壓強度比值依次為1．01，0．87，0．80，FC 的抗壓強度與F0C 相當;齡期28 d 時，抗壓強度比值依次為1．11，0．96，0．94，F35C 和F45C 抗壓強度與F0C 逐步接近;齡期56 d 時，抗壓強度比值依次為1．07，0．98，1．07，三種粉煤灰摻量的混凝土抗壓強度均達到并超過基準混凝土的抗壓強度．因此，粉煤灰作為礦物摻合料在高強混凝土中的水化過程是緩慢而持續的，粉煤灰摻量25% ～45%對混凝土的長期強度無不利影響．

圖6 粉煤灰摻量對混凝土立方體抗壓強度的影響

如圖7 所示，FC，F35C，F45C 組混凝土與基準混凝土F0C 的混凝土軸心抗壓強度比值分別為1．04，1．08，0．88．FC 和F35C 軸心抗壓強度均大于基準混凝土F0C，基于軸心抗壓強度得到的粉煤灰最佳摻量為35%． 此外，混凝土軸心抗壓強度與標準立方體抗壓強度的比值fc/fcu，0為0．80 ～0．96．其中粉煤灰摻量為35%時，fc/fcu，0為0．96;粉煤灰摻量為25%和45%時，fc/fcu，0約為0．79． 隨著粉煤灰摻量的變化，fc/fcu，0的離散性較大，就本次試驗而言，粉煤灰的最佳摻量為35%．

圖7 粉煤灰摻量對混凝土軸心抗壓強度的影響

受壓彈性模量隨粉煤灰摻量的變化情況如圖8所示．

圖8 粉煤灰摻量對受壓彈性模量的影響

由圖8 可知，彈性模量隨粉煤灰摻量的增加有微幅的增長． FC，F35C，F45C 組混凝土與基準混凝土F0C 的彈性模量比值分別為1．04，1．01，1．10．說明粉煤灰的摻加對混凝土彈性模量無不利影響，就本次試驗而言，基于彈性模量粉煤灰摻量可達到45%．

2．4 骨料最大粒徑對混凝土抗壓性能的影響

骨料最大粒徑對混凝土抗壓強度的影響如圖9所示．3 d、7 d 和28 d 齡期時，混凝土抗壓強度均表現出隨骨料最大粒徑減小而降低的趨勢，28 d 齡期時強度差最明顯，FC—33 與FC05 立方體抗壓強度之差達到15．7 MPa．而56 d 齡期時，骨料最大粒徑為16 mm 和10 mm 的FC16 和FC10 強度基本與FC—33 持平，最大骨料粒徑為5 mm 的FC05 強度較FC—33 低7 MPa 左右． 這說明骨料的級配和骨架作用對混凝土前期強度影響較明顯，隨著養護齡期的增加，混凝土中水化反應的發展，骨料的作用逐漸減弱，混凝土的均質化逐漸加強［10］．

圖9 骨料最大粒徑對混凝土立方體抗壓強度的影響

軸心抗壓強度隨骨料最大粒徑的變化情況如圖10 所示．軸心抗壓強度隨骨料最大粒徑的減小有微幅的降低，FC 與FC05 軸心抗壓強度之差為2．8 MPa．軸壓強度與立方體強度之比fc/fcu，0表現出明顯的變化趨勢，骨料粒徑從20 mm 減小至5 mm時，fc/fcu，0由0．80 增大至0．95． 骨料最大粒徑對軸心抗壓強度和立方體抗壓強度的影響程度不相同，也是fc/fcu，0比值變化的原因．

圖10 骨料最大粒徑對混凝土軸心抗壓強度的影響

彈性模量隨骨料最大粒徑的減小而減小，如圖11 所示．骨料的骨架作用隨骨料最大粒徑的減小而減弱，從而引起混凝土彈性模量的降低．

圖11 骨料最大粒徑對受壓彈性模量的影響

3 結 語

對高強機制砂混凝土工作性能和抗壓性能試驗研究的結果表明，采用機制砂配制C50 ～C80 高強混凝土的砂率可取33%;粉煤灰摻量在25% ～35%范圍之內對混凝土的工作性能和基本抗壓性能影響不大;抗壓性能最優的連續級配碎石的最大骨料粒徑為20 mm．

［1］劉春杰．機制砂粉煤灰混凝土性能研究［D］．鄭州:華北水利水電學院，2007．

［2］劉春杰，賈春燕，李長永． Evaluation of relations among basic mechanical properties of fly-ash concrete with machine-made sand［J］． Applied Mechanics and Materials，2013(438 －439):15 －19．

［3］李鳳蘭，劉春杰，潘麗云，等． 機制砂混凝土概論［M］．北京:中國水利水電出版社，2014．

［4］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，2008．

［5］趙順波，邵文靜，李長永． 機制砂再生粗骨料混凝土配筋梁正截面抗裂試驗研究［J］． 華北水利水電學院學報，2013，34(4):46 －49．

［6］中國建筑科學研究院． JGJ 55—2011． 普通混凝土配合比設計規程［S］．北京:中國建筑工業出版社，2002．

［7］中國建筑科學研究院．GB/T 50080—2002．普通混凝土拌合物性能試驗方法標準［S］．北京:中國建筑工業出版社，2002．

［8］中國建筑科學研究院．GB/T 50081—2002．普通混凝土力學性能試驗方法標準［S］．北京:中國建筑工業出版社，2002．

［9］中國建筑科學研究院．GB 50010—2002．混凝土結構設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2002．

［10］蒲心誠．超高強高性能混凝土原理、配制、結構性能應用［M］．重慶:重慶大學出版社，2004．