人工砂混凝土性能試驗研究①

汪學清， 沈正艷， 潘國棟， 陳劍雷

（1.中國礦業(yè)大學（北京） 力學與建筑工程學院，北京100083； 2.威海市文登區(qū)澤庫鎮(zhèn)人民政府，山東 威海264404）

混凝土中的骨料主要包括石子和砂，目前砂主要采用河沙、海砂、山砂和江砂等天然砂［1］，而自然界中的天然砂石料是不可再生資源，十分有限，為滿足建設施工需求，需要使用人工生產(chǎn)的骨料來替代天然砂石料，因此，深入了解人工砂混凝土力學性能有助于工程建設的順利開展。 前人對人工砂混凝土進行了大量研究［2-6］，但主要考慮單因素對混凝土的影響。 混凝土是多種材料共同膠結而成的產(chǎn)物，本文綜合考慮人工砂、石粉、粉煤灰對混凝土性能的影響，可為人工砂混凝土的配置提供一定參考。

1 材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

本次試驗研究的重點是人工砂混凝土的性能，所采用的細骨料分為天然砂和人工砂兩類，粗骨料是天然碎石。

細骨料人工砂選自山東棗莊所產(chǎn)的碎石，采用小型顎式破碎機和人工破碎所得，其砂粒徑小于4.75 mm。對破碎所得人工砂進行了篩分，結果見表1 和圖1。

表1 人工砂各篩分計篩余量含量

細度模數(shù)Mx計算公式為：

式中Ni為累計篩余百分率，i＝1，2，3，4，5，6。

圖1 人工砂篩分曲線（第一級配區(qū)）

將圖1 數(shù)據(jù)代入式（1），計算得到本次試驗人工砂的細度模數(shù)為3.2，分配曲線為第一級配區(qū)。 根據(jù)篩分曲線和細度模數(shù)判斷為粗砂。

細骨料天然砂為細度模數(shù)2.7 ～3.0 的天然中砂，顆粒級配符合JGJ52—2006《普通混凝土用砂質(zhì)量標準》中砂顆粒級配Ⅱ區(qū)，屬中砂范圍，其物理性質(zhì)如表2 所示。

表2 天然砂物理性質(zhì)

天然粗骨料為4.75 ～16 mm 天然碎石，根據(jù)《建筑用卵石、碎石》（GB／T14685—2011）進行檢驗，其主要物理性質(zhì)如表3 所示。

表3 天然粗骨料物理性質(zhì)

本試驗根據(jù)實際情況采用了山東棗莊中聯(lián)水泥有限公司生產(chǎn)的中聯(lián)PC 32.5 復合硅酸鹽水泥。

水為實驗室普通自來水。

試驗所用減水劑為聚羧酸系和萘系減水劑。 通過水泥凈漿流動性測試試驗，比較了兩種減水劑的水泥凈漿流動度，來選擇減水劑種類和確定合適摻量［7］，結果見表4。 從表4 得出，減水劑摻量不斷增多，兩種減水劑作用下的凈漿流動度都是先增大而后減小，從試驗數(shù)據(jù)中分析得出聚羧酸減水劑摻量為0.25%時，流動度最大且滿足流動性要求。 故此選用聚羧酸系減水劑，最佳摻量為0.25%。

1.2 試驗方法

表5 正交試驗因素水平表

根據(jù)正交試驗方案表計算出每一組試驗的混凝土配合比，將拌好的人工砂混凝土裝入模具，放在混凝土振動臺上振實并將其表面刮平。 將振實后的混凝土在20 ℃下養(yǎng)護24 h 后脫模、編號，再放入養(yǎng)護室。 養(yǎng)護條件：溫度20±3 ℃，濕度90%。

人工砂混凝土性能試驗研究中，設計混凝土目標強度等級為C30。 研究不同人工砂替代率、石粉含量和粉煤灰含量下人工砂混凝土的工作性能及基本力學性能，系統(tǒng)研究人工砂混凝土的坍落度及其在3 d、28 d齡期下的抗壓強度。

試驗采用的配合比是在普通混凝土配合比的基礎上，在水泥、粗骨料、水和減水劑摻量不變的前提下，改變細骨料的取代率以及石粉和粉煤灰的摻量。 參照普通混凝土配合比計算C30 混凝土的配合比為m水泥∶m砂∶m石＝1 ∶1.49 ∶3.02，水灰比W／C ＝0.41，砂率為33%［8］，聚羧酸減水劑摻量為0.25%。

為找出最佳的配比方案，通過盡量少的試驗，來達到相對較好的試驗效果，本試驗采取正交試驗的方法［9］。 選取影響人工砂混凝土性能的人工砂取代率、石粉和粉煤灰摻量3 個因素進行研究。 正交試驗因素水平見表5。 其中，A 為人工砂含量占總細骨料的百分比；B 為石粉含量占總粗骨料的百分比，本試驗所用石粉為制備人工砂過程中篩分所得，粒徑小于0.15 mm；C 為粉煤灰占膠凝材料的百分比。

2 試驗結果及分析

本次試驗測試的是齡期3 d 和28 d 的人工砂混凝土抗壓強度，試驗儀器為YAW-2000 型微機控制電液式壓力試驗機。

采用直觀分析法處理試驗數(shù)據(jù)。 各配合比下混凝土表觀密度、坍落度及3 d、28 d 抗壓強度正交試驗結果見表6，極差分析見表7。

表6 各配合比下混凝土表觀密度、坍落度及3 d、28 d 抗壓強度正交試驗結果

表7 極差分析結果

2.1 人工砂混凝土的和易性能

由表6～7 可以看出在試驗因素水平變化范圍內(nèi)，混凝土流動性受C 因素（極差為5）的影響最顯著，B因素（極差為3.4）次之，A 因素（極差為2.5）對強度指標影響最小，所以各種因素對人工砂混凝土流動性能的影響順序為：C＞B＞A，即粉煤灰摻量＞石粉摻量＞人工砂取代率。

為了更好看出坍落度的變化規(guī)律，將坍落度試驗值繪于圖2 中。 從圖2 可以看出，坍落度對粉煤灰的影響比較敏感，隨著粉煤灰摻量增加，坍落度增加明顯，當粉煤灰摻量為5%時坍落度達到最大值，之后坍落度呈逐漸減小趨勢，但影響并不大。 粉煤灰中的SiO2和Al2O3可以與水泥水化反應后生成的Ca（OH）2發(fā)生反應產(chǎn)生水化硅酸凝膠，與水泥中硅酸鹽的水化產(chǎn)物相同，兩者共同包裹在石子和砂表面，起到了潤滑作用，在相同的用水量下，能使混凝土坍落度加大，采用粉煤灰也有利于降低泌水與離析，由此可得，加入適量粉煤灰可以在一定程度上改善混凝土的坍落度。

圖2 三因素與混凝土坍落度關系

坍落度隨著人工砂取代率增加先增加后減小。 坍落度減小的主要原因是人工砂表面粗糙，棱角較多，使得骨料之間的內(nèi)摩擦力加大，所以混凝土的流動性變差，坍落度降低。 隨著石粉摻量增加，坍落度先減小后增加，摻入適量的石粉能夠填充骨料間的孔隙，使混凝土密實度增加，石粉在骨料孔隙之間能起到微滾珠的作用，減小了骨料之間的摩擦力，能起到改善混凝土坍落度的作用。

2.2 人工砂混凝土的強度性能

從表7 可知，各種因素對人工砂混凝土3 d 抗壓強度的影響順序為：石粉摻量＞粉煤灰摻量＞人工砂取代率；同理可得，各因素對混凝土28 d 抗壓強度的影響為：人工砂取代率＞石粉摻量＞粉煤灰摻量。 為了進一步分析三因素對于混凝土抗壓強度的影響，將三因素與3 d 和28 d 抗壓強度的關系繪于圖3 中。

從圖3 可以看出，隨著人工砂取代率增加，混凝土早期強度逐漸增加，主要原因是人工砂表面粗糙，棱角較多，使得骨料之間的內(nèi)摩擦力加大，所以混凝土的抗壓強度會提高；隨著石粉摻入量增加，早期強度先增加后降低，由于石粉填充人工砂的孔隙，彌補有棱角的人工砂的不足，使得混凝土表觀密度增大，提升了混凝土的抗壓強度，但是過量的石粉摻入造成有些石粉依附在砂的表面，使得砂與水泥的粘結反應受到阻礙，影響混凝土強度，使得混凝土抗壓強度減小；隨著粉煤灰摻入量增加混凝土的強度逐漸降低。

隨著人工砂取代率增加，28 d 抗壓強度逐漸降低，人工砂取代率為10%時混凝土強度達到最大；石粉摻量的影響趨勢同早期強度變化趨勢相似，摻量為3%時，混凝土28 d 抗壓強度最大；隨著粉煤灰摻入量增加，28 d 抗壓強度先增大后減小，存在一個最優(yōu)摻入量5%。 粉煤灰后期充分發(fā)生水化反應，能提高混凝土密實度，從而有利于提高混凝土強度。 由于28 d強度為混凝土的標準抗壓強度，且隨著時間增長，后期強度變化不大，因此通過混凝土28 d 齡期的抗壓強度可以得到混凝土配合比最優(yōu)方案為A1B2C2，即人工砂取代率10%，石粉摻量3%，粉煤灰摻量5%。

圖3 三因素與混凝土抗壓強度關系

2.3 人工砂混凝土最優(yōu)配比驗證

為增加試驗的嚴謹性，特以最佳配合比再進行3組混凝土，進行復驗，并與普通混凝土相比，試驗數(shù)據(jù)見表8。

表8 人工砂混凝土與普通混凝土試驗數(shù)據(jù)

從表8 可以看出，利用最優(yōu)配比加入粉煤灰和石粉可以提高混凝土強度，比設計強度C30 提高了28%，將人工砂取代天然砂可以進一步提高混凝土強度，相比設計強度提高了33.7%，相比普通砂混凝土的抗壓強度提高了4.4%。 與普通混凝土相比，人工砂混凝土中人工砂表面棱角多，使得混凝土骨料之間的鑲嵌緊湊，石粉能夠填充混凝土之間的孔隙，讓混凝土變得更加密實，粉煤灰能夠與水泥發(fā)生化學反應使混凝土流動性增大，所以人工砂混凝土的性能要優(yōu)于普通混凝土。

2.4 人工砂混凝土的經(jīng)濟效益分析

將1 m3的普通混凝土和人工砂混凝土各材料的用量和價格列于表9，可以看出每立方米人工砂混凝土材料費可節(jié)省3.588 元。 人工砂混凝土既滿足了設計要求又提高了抗壓強度，具有較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。 對于某些大型工程，比如隧道開挖，由于道路崎嶇，隧道開采的碎石不易運出，可以利用開采出的碎石制備人工砂，不僅解決了碎石亂堆砌的問題，而且緩解了因材料輸送不及時引起的窩工問題，極大減少了河砂的購買和運輸成本，經(jīng)濟效益顯著。

表9 C30 人工砂混凝土與普通混凝土經(jīng)濟性比較

以三峽二期工程泄洪壩段混凝土工程施工為例進行人工砂混凝土經(jīng)濟分析，在三峽二期工程混凝土工程施工中，混凝土工程施工技術又得到進一步的改進和提高，混凝土澆筑強度連續(xù)三年闖過400 萬立方米大關，多次刷新混凝土澆筑強度世界紀錄，泄洪壩段混凝土澆筑施工工程量較大，混凝土總量700 多萬立方米，施工組織設計高峰月強度達30 萬立方米／月［10］。三峽二期工程泄洪壩段混凝土工程經(jīng)濟性分析如表10 所示。

表10 三峽二期工程泄洪壩段混凝土工程經(jīng)濟性對比分析

由表9 可以得出，C30 人工砂混凝土可以比相同配合比的普通混凝土節(jié)約1.794 元／m3，由表10 可以得出，在三峽二期工程泄洪壩段混凝土工程施工中應用人工砂混凝土可以節(jié)約建筑材料費用1 255.8 萬元。同時，人工砂可就地取材，利用施工中開采出的碎石進行制備，取代一定量的河砂，減少了河砂的運輸成本，解決了碎石亂堆砌的問題，并且緩解了因材料輸送不及時引起的窩工問題，經(jīng)濟效益顯著。

3 結 論

采用正交試驗方法研究了人工砂取代率、石粉摻量和粉煤灰摻量對人工砂混凝土的坍落度和抗壓強度的影響，得出以下結論：

1） 粉煤灰摻量對坍落度影響最大，石粉摻量次之，人工砂取代率對坍落度的影響最小。

2） 石粉摻量對混凝土3 d 抗壓強度的影響最大，粉煤灰摻量次之，人工砂取代率對3 d 抗壓強度的影響最小；而對于混凝土28 d 抗壓強度的影響則表現(xiàn)為人工砂取代率＞石粉摻量＞粉煤灰摻量，摻入石粉能夠提高混凝土的早期性能，摻入粉煤灰和人工砂取代天然砂對于混凝土后期的影響比較大。

3） 通過分析可以得到人工砂混凝土的最佳摻量配比為：人工砂取代率10%，石粉摻量3%，粉煤灰摻量5%，此時混凝土28 d 抗壓強度為40.1 MPa，相對于設計強度30 MPa 有了極大提高。

4） 人工砂取代一定量天然砂配制混凝土能夠節(jié)約建筑材料費用，減少河砂的運輸成本，解決碎石亂堆砌的問題，并且能夠緩解因材料輸送不及時引起的窩工問題，經(jīng)濟效益顯著。