機制砂與普通砂混凝土在不同砂率下的強度試驗研究

何柯毅　黃獻文　蔡紅明

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

關鍵詞：機制砂；天然砂；混凝土；砂率；強度

進年來，隨著可開采的天然砂資源日益減少，特別是一些山區，偏遠地區，石多砂少的現象尤為嚴重。將山石破碎為機制砂代替天然砂配置混凝土是混凝土材料發展的一個趨勢。通過實地調研和查閱相關文獻，發現大量的試驗數據顯示機制砂由于其良好的顆粒形狀、較大的比表面積、適當的石粉摻量，使其強度高于普通砂。然而大部分商品混凝土公司則得出了完全相反的結論，認為在相同條件下，配置的機制砂混凝土強度不及普通砂。因此作者對機制砂混凝土的施工和易性、強度等性能產生了質疑。

針對文獻資料與工程實例相矛盾的情況，文章試配了C30、C60兩種強度的混凝土，通過改變機制砂混凝土和普通砂混凝土的砂率，并對他們的28d抗壓強度進行測試、對比，結合相關文獻進行分析，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-強度曲線的變化規律進行了合理的解釋。

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；

機制砂：鎮江某公司破碎的山石砂；

石子：鎮江市某采石場生產的石子，堆積密度1660kg/m3，表觀密度2850kg/m3；

水：自來水。

1.2 配合比設計

為研究不同砂率下機制砂混凝土與普通砂混凝土的強度，根據《混凝土配合比設計規范》（JGJ55-2011）設計C30、C60混凝土配合比。在C30設計強度下：水泥325kg、水195kg、砂石1880kg；在C60強度下：水泥476kg、水195kg、砂石質量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

準確稱量各種物料，采用二次投料法進行拌制。采用HJW-60升混凝土強制式攪拌機，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《混凝土強度檢驗評定標準》（GB/T50107-2010）將試塊放入20攝氏度，濕度大于95%的標準養護室內，對其養護2d后拆模，繼續養護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水潤濕。在坍落度桶裝料的過程中，拌合物分三層裝入桶內，每次裝到三分之一處，用搗棒插搗，插搗需由外至內，每次插搗需貫穿本層，插搗次數25次宜。混凝土填滿坍落度筒并搗實后，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

試驗機選取TYE-2000B型壓力試驗機，將試件的側面置于壓力板中心位置，調節送油閥調整試驗機加載速率，持續加載直至試件破壞，記錄破壞時的極限荷載值。

2 試驗結果

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

3 試驗結果分析

3.1 C30機制砂與普通砂混凝土的強度對比分析

將C30機制砂與普通砂混凝土的試驗數據繪制在圖1上，橫坐標為砂率，縱坐標為抗壓強度值。通過對比發現：

（1）分析普通砂強度曲線：在32%～44%的砂率范圍內，普通砂混凝土28d抗壓強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層強度的作用，但是當膠凝材料不足時，過大的接觸面無法都和膠凝材料結合，使得接觸面存在沒有粘結力的微裂紋，當混凝土受壓時，這些微裂紋會逐漸的擴展，形成連續裂紋，使混凝土無法繼續受壓，降低了混凝土的抗壓強度。而且這種對混凝土強度影響的情況隨著混凝土強度的提高而越發的明顯。

（2）分析機制砂強度曲線：機制砂混凝土28d抗壓強度在砂率32%～44%之間呈現出U形，在39%處達到最低值。所以判定在C30的設計強度下，機制砂混凝土中機制砂的最佳砂率在44%左右。機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，所以對于機制砂強度曲線的分析更側重于石粉含量的影響。在砂率由32%～40%區間內，由于石粉是惰性材料不參與混凝土強度的形成，所以隨著砂率的升高，單位體積里機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制砂與水泥的膠結層中，使混凝土的粘結層出現缺陷，這些缺陷在混凝土受壓時很快就達到了極限，形成裂紋，隨著壓力的繼續增大，這些裂紋繼續擴展，使混凝土很快達到其抗壓極限，并且這種粉料對強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，誘導水泥的水化反應，間接增強到了混凝土的強度，但是由于這種晶核效應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水泥水化的反應，所以僅在42%砂率處出現突變，混凝土的強度突然提高。endprint

（3）綜合分析2條曲線，在《混凝土配合比設計規范》（JGJ55- 2011）推薦砂率下，發現機制砂混凝土的強度在砂率為32%～41%區間內時低于普通砂，在41%～44%時超過普通砂。結合混凝土破碎的一般原因分析，在C30強度等級的混凝土中，混凝土的強度極限一般取決于骨料和膠凝材料的粘結層，所以本段分析側重于從粘結層強度方面的解釋和分析。

3.2 C60機制砂與普通砂混凝土的強度對比

將C60機制砂與普通砂混凝土的試驗數據繪制在圖2上，橫坐標為砂率，縱坐標為抗壓強度值。通過對比發現：

（1）分析普通砂混凝土28d強度曲線，砂率在26%～28%、30%～32%區間內，隨著砂率的提高，混凝土的強度降低；在28%～30%的區間內，隨著砂率的提高，混凝土的強度增加。在區間32%～36%內，混凝土的強度基本不變。在C60設計強度的混凝土中，隨著砂率的提高，混凝土中的細骨料增加，粗骨料減少，細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層，這就導致薄弱粘結層的出現，當混凝土受壓時，這些粘結層很快就破壞，并隨著壓力的增大，這些粘結層迅速的擴展，很快就使混凝土達到抗壓強度極限，并且這種強度下降的趨勢隨著砂率的提高而越發的明顯。優良的級配對于混凝土的強度提高也會有幫助，當混凝土中的粗骨料、細骨料、膠凝材料合適時，即細骨料的正好填充粗骨料的空隙，膠凝材料填充粗細骨料的空隙，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良的結構受力特性充分發揮其內部材料的性能，使得混凝土的抗壓強度的到提高，但這種強度的提高對于粗細骨料、膠凝材料的配比要求比較苛刻，所以只在30%砂率時出現。

（2）分析機制砂混凝土28d的強度曲線，砂率在26%～32%、34%～36%的區間內，隨著砂率的提高，混凝土的強度基本呈現出上升的趨勢；在32%～34%的區間內，呈現出下降的趨勢，但因變化幅度不大，得出在C60的設計配合比下，機制砂混凝土的強度不隨砂率的變化而變化。在C60機制砂混凝土中，由于機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，優化混凝土的內部結構，使得混凝土的強度得到提升。并且隨著機制砂砂率的提高，機制砂的含量越來越多，細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，所以混凝土的強度會呈現出上升趨勢。雖然這些細小的惰性粉料可以通過填充空隙，優化混凝土結構的方式提高混凝土的強度，但是當這些惰性材料過多時，由于其對強度并沒有貢獻，結構優化的效果低于惰性材料對混凝土強度的影響，混凝土的強度會出現下降的情況，正如32%～34%砂率處。

（3）通過分析兩條曲線，發現機制砂混凝土的強度始終低于普通砂。但在32%砂率處，機制砂的強度達到最大值，接近普通砂，所以在C60的配比下，機制砂的最佳砂率為32%。

結合混凝土破碎的一般原因分析，在C60強度等級的混凝土中，混凝土的破碎原因來自多方面，有混凝土中內部結構的合理性，砂石骨料的強度，粘結層的強度等。

3.3 綜合分析

通過以上對比分析發現，隨著砂率的增大，混凝土的強度亦隨之發生較大改變。對其原因結合相關文獻進行合理的分析。

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層，成為混凝土破壞的主要原因。

機制砂多由山石強制破碎而成。生產方式決定了機制砂多棱角、不規則的顆粒形狀，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，間接增強了混凝土粘結層的強度。由于機制砂是破碎而來，所以機制砂中含有較多的石粉。石粉的顆粒較小，適當地添加可以起到填充混凝土中空隙的作用，增加了混凝土的密實度，優化了混凝土的內部結構，從而提高了混凝土的強度。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度混凝土中，產生“晶核”作用，使大量的水泥顆粒團聚在石粉周圍，加快了水泥的硬化，從而達到誘導水泥水化的目地，加快了混凝土強度的形成，間接提高了混凝土的強度。但是，如果機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，削弱了粘結層的強度，這也導致混凝土的強度會下降。所以石粉的適當與否對混凝土的強度影響非常巨大。又因為混凝土強度形成是一個非常復雜的組合，所以無法以單一的影響因素對其進行規律性的準確推算。

結合文章研究重點，不難得出在一定條件下機制砂、普通砂的強度與砂率的關系。

4 結語

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

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

根據試驗結果并結合相關文獻分析，在高石粉含量的機制砂中，機制砂的強度受石粉含量的影響較大，對于高含粉量的機制砂，其最佳砂率的取值應適當偏大。

參考文獻

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