不同骨料下水泥砂漿抗凍性能研究

孫洪超，臧建斌，常正強，趙瓊琳

（山東省交通規劃設計院有限公司，山東 濟南 250031）

引言

隨著鋼筋混凝土的發展，細骨料（天然砂）不斷的消耗，天然砂必然會出現越來越匱乏現象，進而影響公路及建筑行業的發展，所以使用機制砂替代天然砂必為趨勢所向[1-3]。王稷良[4]研究機制砂特性對混凝土性能及機理的影響，表明機制砂多棱角特性，可以提高混凝土的強度與體積穩定性。王雨利[5]研究了機制砂及石粉對混凝土抗凍性能的影響，表明適量的石粉可提高混凝土的工作性能，并改善混凝土的抗凍性能。抗凍性能是砂漿的耐久性的重要指標之一，水泥砂漿構件在服役過程中，會受到荷載和所處環境的影響，其環境影響主要為干濕和凍融循環作用，砂漿在多種效應耦合作用下進行工作，其耐久性將出現不同程度的降低，從而影響構造的部分功能的使用性和安全性[6-7]。

1 試驗

1.1 試驗原材料

采用普通硅酸鹽水泥（P·O 42.5）。骨料為河砂和機制砂，機制砂為石頭粉碎后的細骨料，對骨料性能測試按照規范《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》（JGJ 52-2006）要求，物理性能見表1。采用自來水。

表1 骨料物理性能

1.2 砂漿配合比

試驗中，水膠比為0.6，水泥為385 g，水為231 g。河砂為1 502 g，機制砂為1 509 g。砂漿試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

1.3 試驗方法

試驗前對兩種骨料進行烘干處理，然后按照規范《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671-2010）對試件進行制作及養護。養護過程中，進行7 d、28 d強度試驗，試驗方法按照規范《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671-2010）進行試驗。養護28 d后，對兩種試件進行凍融試驗，凍融循環試件放入水中進行冷凍12 h，溫度控制在-20±2℃。然后取出試件放入20±2℃的恒溫水箱中12 h，24 h為一循環。4次循環為1周期，每周期結束測試水泥砂漿的力學性能及耐久性能。試驗測試的凍融循環次數為20次。

2 砂漿力學性能總結及分析

以河砂與機制砂分別為骨料的砂漿的力學性能見表2。

表2 水泥砂漿7 d、28 d強度

由表2可知，在7 d強度中，機制砂砂漿的抗折強度比河砂砂漿高0.8 MPa，抗壓強度低3.2 MPa；在28 d強度中，機制砂砂漿的抗折強度比河砂砂漿高1.5 MPa，抗壓強度低6 MPa。由此可知，在該配合比下，機制砂可以提高砂漿的抗折能力，但會降低混凝土的抗壓能力。

3 砂漿抗凍性能對比

3.1 凍融下抗折性能

圖1 凍融循環對砂漿抗折性能影響

在凍融情況下，對兩種砂漿的抗折性能繪圖處理，見圖1。可知兩種砂漿隨著凍融次數的增加，抗折能力下降且幅度較大，兩者下降趨勢基本一致，呈一次函數狀。在凍融過程中，機制砂破壞線性較好，河砂變化有一定的波動性。在凍融8次循環后，河砂砂漿的抗折強度為5.52 MPa，較初始強度降低了19.2%，機制砂砂漿的抗折強度為4.5 MPa，較初始強度降低了45.6%；在凍融16次循環后，河砂砂漿的抗折強度為2 MPa，較初始強度降低了70.7%，機制砂砂漿的抗折強度為2.6 MPa，較初始強度降低了68.5%。由此可知凍融對抗折性能影響較大。

3.2 凍融下抗壓性能

在凍融情況下，對兩種砂漿的抗壓性能繪圖處理，見圖2。可知河砂砂漿與機制砂砂漿的抗壓性能隨凍融次數的增加而降低，兩者的抗凍性能呈一次函數關系。在凍融8次循環后，河砂砂漿的抗壓強度為42.5 MPa，較初始強度降低了6.5%，機制砂砂漿的抗壓強度為36.7 MPa，較初始強度降低了12.3%；在凍融16次循環后，河砂砂漿的抗壓強度為36.1 MPa，較初始強度降低了20.7%，機制砂砂漿的抗壓強度為25.4 MPa，較初始強度降低了37.4%。凍融循環對抗壓強度影響較大，但影響程度小于凍融對抗折強度的影響。

圖2 凍融循環對砂漿抗壓性能影響

3.3 凍融下砂漿質量損失

在凍融情況下，兩種砂漿的質量損失見圖3。可知在砂漿凍融12個循環中，機制砂與河砂做骨料的砂漿質量都有所增加，增加量基本一致，砂漿表面沒有出現脫落現象。在前4次凍融循環中，由于水充分填充于砂漿內部孔隙，導致砂漿質量有所增加，當質量增加一定程度后，在4～8個循環中，砂漿處于飽和狀態，質量較穩定。但過了12～20個凍融循環中，砂漿的質量損失大幅度的上升，表面出現脫落，裸露出骨料。在第20次循環凍融結束后檢測質量時，機制砂和河砂端部脫落嚴重，結構程蓬松狀態，破壞較嚴重。

3.4 凍融下砂漿相對動彈性模量

圖3 凍融循環對砂漿質量損失影響

在凍融情況下，對兩種砂漿的相對動彈性模量繪圖處理，見圖4。可知兩者的凍融循環的線性較相似，在0～16個凍融循環中，相對動彈性模量下降較平緩，在16～20個凍融循環中，相對動彈性模量下降較迅速。16次凍融循環后，河砂和機制砂砂漿的相對動彈性模量的值分別為67.2%和65.2%。與質量損失相比較可知，質量損失在凍融12次循環后出現轉折點后，相對動彈性模量在16次后出現轉折點，由此可推斷，質量損失過大后才會導致相對動彈性模量出現較大的轉折。

圖4 凍融循環對砂漿相對動彈性模量影響

4 結語

研究結果表明機制砂可以提高砂漿的抗折能力，但會降低混凝土的抗壓能力，在凍融循環中機制砂砂漿與河砂砂漿表現出相似抗凍性能。由力學性能和耐久性能兩方面對機制砂砂漿與河砂砂漿進行性能比較可以看出，由兩者試驗結果可知機制砂替代河砂的可取性較好。另外在砂漿凍融循環中發現，砂漿質量損失過大后才會導致相對動彈性模量出現較大的轉折。