機制砂對高強度混凝土性能影響研究

康夢安，胡衛濤，周世康

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著我國基礎建設的突飛猛進，一幢幢國家級建筑工程拔地而起，建筑資源在不斷的被消耗，且我國近年來環境保護力度也在不斷加大，對于河道天然砂資源的開采也加強了控制，致使可開采天然砂越來越少，機制砂在工程中的應用也越來越廣泛。機制砂經人工破碎而形成的棱角尖銳、表面粗糙的小級配顆粒，與天然砂相比機制砂石粉含量較高、顆粒內部微裂隙較多，致使新拌混凝土性能差異明顯，目前絕大部分分機制砂替代天然砂使用還僅局限于低標號混凝土中，且石粉含量對混凝土性能的影響，也一直是國內外研究學者存在爭議的地方[1-4]。本文基于機制砂配制的C50、C55高性能混凝土，對機制砂混凝土的工作性能、力學性能、耐久性變形性能等進行了全面的研究，并探討了其適用領域。

1 試驗概況

1.1 原材料特性

本研究涉及試驗用原材料均為某工程實際用材，其中減水劑為減水率為28%的聚羧酸高性能減水劑，其它材料特性見表1。

1.2 混凝土配合比

研究過程中所涉及的配合比均采用工程實際配合比，其中，主要配合比見表2。

表1 原材料特性

表2 混凝土配合比 kg/m3

2 混凝土的工作性

研究采用表2所示的混凝土配合比制備新拌混凝土，其新拌混凝土工作性的試驗結果見圖1。

由圖1可知，同一強度等級混凝土，機制砂混凝土坍落度均較小、坍落度經時損失均較快。這是由于：機制砂表面粗糙、顆粒有尖銳的棱角，致使水泥與集料粘結度提高，拌合物之間的摩擦阻力也較大，使得混凝土的流動性降低；同時機制砂的粉含量較高、細度模數偏大，這種明顯的含粉體系，增加了混凝土的需水量，坍落度的經時損失下降較為明顯，混凝土工作性能降低。

圖1 天然砂與機制砂制備混凝土的坍落度

3 混凝土的力學性能

3.1 立方體抗壓強度

混凝土立方體抗壓強度試驗研究依據GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，其試驗結果見圖2。

圖2 不同齡期機制砂與天然砂混凝土抗壓強度

由圖2可知：各齡期機制砂混凝土強度均高于天然砂混凝土，這主要是由于機制砂是由石材破碎而成，本身強度較高，且含有泥粉的天然砂在混凝土拌合過程中會吸附大量的自由水，混凝土硬化過程中自由水被不斷的蒸發或吸收利用，原有自由水位置就形成了大量的內部孔隙，這種孔隙通常包裹在集料的表面，降低了集料與水泥漿的粘結強度，從而降低了混凝土強度[5]。但礦渣粉和粉煤灰的后期火山灰效應優于機制砂本身的增強效應，隨著齡期的發展混凝土的界面結構和孔隙結構被不斷改善，進而使得機制砂與天然砂所拌制的混凝土強度隨著齡期的增長強度差值呈現先增加后減小的趨勢，最終達到一個相對穩定的狀態。

3.2 劈裂抗拉強度

混凝土劈裂抗拉強度指的是混凝土發生塑性變形直到出現裂隙，混凝土構件所能抵抗的最大拉力[6]，本研究機制砂與天然砂混凝土劈裂抗拉強度試驗結果見圖3。

圖3 混凝土的劈裂抗拉強度試驗結果

由圖3可知：同一混凝土強度等級，機制砂混凝土的劈裂抗拉強度比天然砂混凝土的大，且28 d前強度增長速率也較快，隨著齡期的不斷增長，兩者的強度差值逐漸減小。

3.3 靜壓彈性模量

本研究機制砂與天然砂的靜壓彈性模量參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，其研究結果見圖4。

由圖4可知：各齡期機制砂混凝土的靜壓彈性模量均明顯大于天然砂混凝土，這主要是由于機制砂有較好的咬合力，外力作用下出現的滑動變形較小，這導致在相同工況下機制砂混凝土的靜壓彈性模量更大。

3.4 彈性模量與立方體抗壓強度關系

圖4不同齡期混凝土靜壓彈性模量結果

彈性模量體現了混凝土在荷載作用下應力-應變關系，常用的混凝土彈性模量與立方體抗壓強度之間的關系有如式（1）、式（2）所示兩種[7]。分別計算了C55混凝土的彈性模量計算值與實測值，計算結果見表3。

式中：fcu為立方體抗壓強度（MPa）。

表3 C55混凝土彈性模量實測值與理論值統計

試驗結果表明：各齡期機制砂混凝土彈性木兩實測值均大于理論值，且隨著齡期的增長，兩者間的差值也不斷增加，這表明天然砂立方體抗壓強度與彈性模量間的關系式不適用于高強機制砂混凝土，仍需做進一步修正。

4 混凝土的耐久性

4.1 抗水滲透性能

滲水高度法、相對滲透系數法和逐級加壓法三種方法是國內外較為常用的混凝土抗滲試驗方法，本研究采用逐級加壓法，對比研究了C50、C55機制砂與天然砂混凝土抗水滲透性能，其試驗結果見表4。

試驗結果表明：機制砂混凝土的抗水滲透性能較天然砂差，這主要是由于細集料在混凝土中主要起物理填充作用，為惰性體不參與水化反應，作為填充體，機制砂顆粒多棱角、不規則，顆粒內部有害空隙較多，而天然砂多為表面光滑致密；且經天然砂拌和的混凝土流動性較機制砂混凝土好，致使料過渡區及顆粒與集料之間有害的孔隙較少，從而抗水滲透性能較好。

表4 混凝土抗水滲透試驗結果

4.2 抗氯離子滲透性能

本研究混凝土抗氯離子滲透性能依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中電通量法進行，其試驗結果見圖5。

圖5 混凝土的電通量試驗結果

由圖5可知：隨著齡期的不斷增長混凝土的抗氯離子滲透性能均不斷增強，且在40 d之前機制砂混凝土的抗氯離子滲透性能較天然砂混凝土差，但隨著齡期的不斷增長在40 d以后機制砂混凝土的抗氯離子滲透性能不斷反超天然砂混凝土。這主要是由于機制砂混凝土多為高粉體體系，石粉在混凝土中主要起物理填充作用，增強了混凝土的密實度，同時石粉也具有一定的活性可以與水泥中的C4AF、C3A發生發應，反應產物與其它水化產物之間相互搭接，進一步增加了混凝土的密實度，從而使混凝土的抗氯離子滲透性能得以提高，同時該研究實驗結果也進一步佐證了機制砂混凝土中的石粉在混凝土后期強度增長過程中可參與水泥的水化反應，具有一定活性。

5 混凝土體積變形性能

本試驗研究機制砂與天然砂混凝土不同齡期的收縮值見圖6。

圖6 不同齡期混凝土的收縮性能

由圖6可知：相同工況下機制砂混凝土前期收縮與天然砂混凝土相比相差不大，隨著齡期的增長，約20 d后，天然砂混凝土的收縮值明顯大于機制砂混凝土。這主要是由于機制砂中的石粉具有完善級配、提高混凝土結構密實性的性能，從而可有效抑制混凝土的收縮；同時由于機制砂的微裂隙結構使得混凝土需水量增加，孔隙中吸收的水分降低了混凝土硬化過程中的水分損失，并且在混凝土起到一定的內養護作用，降低了混凝土的收縮性能。

6 結 語

本研究的主要結論：

（1）機制砂不規則的物理形態及自身的增強效應使得機制砂混凝土具有較高的力學性能，但其工作性能和耐久性需進一步改善；

（2）由于機制砂顆粒間較強的嚙合力及石粉的密實作用限制了混凝土的變形，進而使得機制砂混凝土后期抗收縮性能優于天然砂混凝土；

（3）高強機制砂混凝土不適用于普通混凝土彈性模量與抗壓強度的經驗數學模型，其實測值均大于計算值。