機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)研究

劉曉龍

（中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司， 北京 101300）

0 引言

隨著我國(guó)建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，基于混凝土設(shè)計(jì)的主要趨勢(shì)，越來(lái)越多的大型土木工程項(xiàng)目要求河砂作為普通細(xì)集料。河沙枯竭可能發(fā)生在許多地方，特別是遠(yuǎn)離任何河流的地方。在這種情況下，使用機(jī)制砂可能是一個(gè)簡(jiǎn)單可行的選擇。與河砂相比，機(jī)制砂具有一些優(yōu)點(diǎn)，如可以存在聚晶微粉(AMF)。關(guān)于 AMF 在機(jī)制砂混凝土(MSC)性能方面的作用，有相互矛盾的報(bào)道。一些研究人員報(bào)告了在 MSC 中隨著 AMF 含量的增加，坍落度減少和需水量增加。另一些文獻(xiàn)認(rèn)為，對(duì)于 MSC 的性能而言，AMF 存在一個(gè)最佳含量，AMF 的存在可能有助于獲得更高的抗壓強(qiáng)度。據(jù)報(bào)道，抗壓強(qiáng)度受到許多不同因素的影響，這可能導(dǎo)致不同的報(bào)道結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，AMF 對(duì)水泥漿體流變性能的影響受到表面性質(zhì)、粒徑和礦物類(lèi)型的影響。

1 機(jī)制砂混凝土性質(zhì)概述

機(jī)制砂是用碎石或碎石經(jīng)機(jī)械破碎分離而成的粒徑小于5mm 的人造砂，近年來(lái)已成為河道防護(hù)用天然砂的替代品。與天然砂相比，機(jī)制砂具有表面粗糙、棱角多、石粉含量大等特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝中，碎石或礫石直接放入破碎機(jī)中，粒度小于75 μm 的石粉易與泥塊或風(fēng)化層中形成的泥粉混合。因此，對(duì)于機(jī)制砂中石粉對(duì)混凝土性能的影響有不同的看法。為了避免石粉的不利影響，現(xiàn)行《建筑用砂標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14684-2001)對(duì) C30-C60級(jí)澆注混凝土的機(jī)制砂石粉含量相對(duì)嚴(yán)格的限值低于5.0% ，極大地限制了機(jī)制砂在結(jié)構(gòu)混凝土中的應(yīng)用。

2 機(jī)制砂混凝土試驗(yàn)探究方法概述

機(jī)制砂由機(jī)械按照一定的破碎和篩分工序用碎石制成，具有不同于天然砂的許多特性，如不規(guī)則多邊形顆粒尖銳、表面粗糙新穎、充滿石粉等，使混凝土在新鮮和硬化狀態(tài)下具有不同的性能。因此，近年來(lái)我國(guó)對(duì)機(jī)制砂混凝土進(jìn)行了大量的研究。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在混凝土與機(jī)制砂混合時(shí)，應(yīng)清楚地了解混凝土的基本性能，包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂模數(shù)和彈性模量之間的關(guān)系。然而，以往對(duì)機(jī)制砂混凝土的研究很少涉及這一方面。關(guān)于這些屬性的部分測(cè)試數(shù)據(jù)在已發(fā)布的參考文獻(xiàn)中被分離。在這種情況下，我國(guó)現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范沒(méi)有對(duì)機(jī)制砂混凝土與普通天然砂混凝土進(jìn)行區(qū)分，也沒(méi)有對(duì)其適應(yīng)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本文在總結(jié)已發(fā)表文獻(xiàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，探討了機(jī)制砂混凝土的上述性能之間的關(guān)系，并與普通混凝土進(jìn)行了比較。對(duì)機(jī)制砂混凝土這些性能的設(shè)計(jì)應(yīng)用提出了一些建議。

然而，為了確保石粉的極限含量，盡可能地消除粉末泥漿，傳統(tǒng)的機(jī)制砂方法往往將水洗作為最終的測(cè)定方法。由此產(chǎn)生了兩個(gè)問(wèn)題: 一是機(jī)制砂中大量石粉被沖刷出來(lái)排入河道造成的二次環(huán)境污染，二是混凝土綜合利用中自然資源的浪費(fèi)。針對(duì)這一情況，提出了將傳統(tǒng)的水洗工藝改為第一步工藝的技術(shù)改進(jìn)方案，使石材在破碎前進(jìn)行清洗，避免將泥漿混入原料中，最后保留完整的石材粉末。與傳統(tǒng)的機(jī)制砂不同，全石粉砂被稱為原機(jī)制砂。原機(jī)制砂中石粉的含量一般都超過(guò)規(guī)定的限量。

3 機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)

3.1 機(jī)制砂混凝土軸向壓縮強(qiáng)度與立方壓縮強(qiáng)度的理論關(guān)系研究

首先本文從已有的文獻(xiàn)中收集了55 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，混凝土的立方抗壓強(qiáng)度范圍為28.8 MPa 至102.5 MPa。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，軸向壓縮強(qiáng)度與立方體壓縮強(qiáng)度之間的關(guān)系符合0.947 的關(guān)系系數(shù)和0.081 的標(biāo)準(zhǔn)差，GB50010 中規(guī)定的普通混凝土的關(guān)系式和機(jī)制砂的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比能夠得出，普通混凝土的試驗(yàn)結(jié)果在混凝土立方抗壓強(qiáng)度測(cè)試值小于60MPa 時(shí)接近試驗(yàn)值的下限，而混凝土立方抗壓強(qiáng)度大于60MPa 時(shí)接近于標(biāo)準(zhǔn)中提出的公式關(guān)系。因此，GB50010 中規(guī)定的普通混凝土的關(guān)系式可用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)制砂預(yù)測(cè)混凝土的軸向抗壓強(qiáng)度。在已有試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，原機(jī)制砂性能和石粉摻量對(duì)新拌混凝土工作性能和硬化混凝土性能有不同的影響。為此，進(jìn)行了原機(jī)制砂、石粉固有特性的系列試驗(yàn)，研究了石粉含量對(duì)砂性能和水泥砂漿強(qiáng)度的影響，并介紹了主要試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 原機(jī)制砂石粉含量對(duì)強(qiáng)度發(fā)展的影響試驗(yàn)探究

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中選擇具有合格穩(wěn)定性的42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥和具有已知的物理力學(xué)性能的原機(jī)制砂進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)原機(jī)制砂進(jìn)行分選和測(cè)定后，重新調(diào)整了具有砂質(zhì)的石粉含量。5 毫米-10 毫米和10 毫米-25 毫米系列的石灰石粉按1:1 的比例混合，并且對(duì)其物理和機(jī)械性能進(jìn)行檢測(cè)和記錄。在混凝土配比的控制方面將混凝土的設(shè)計(jì)等級(jí)為 C50，只需改變石粉含量分別為3% 、7% 和13% ，減水劑含量為水泥質(zhì)量的0.75% 。試驗(yàn)方法符合《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)的規(guī)定。對(duì)150mm 的立方體進(jìn)行了3 d、4 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d、120 d、150 d 和180 d 的立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試，共測(cè)試了27 個(gè)周期。

首先對(duì)砂礫的特征進(jìn)行研究和分析，圖1 示出了天然砂和原機(jī)制砂的圖片，可以看出天然砂呈淡黃色，顆粒較大的圓形平原表面，粉砂含量較高，原機(jī)制砂呈凹凸灰色，顆粒呈不規(guī)則多邊形顆粒狀，表面粗糙，邊緣尖銳，石粉含量較高。粒度特征通常用點(diǎn)狀、長(zhǎng)寬比和豐滿度三個(gè)指標(biāo)來(lái)描述。指向性反映了籽粒邊緣和角點(diǎn)的相對(duì)敏銳度，長(zhǎng)寬比用于評(píng)價(jià)籽粒是否呈針狀，豐滿度是與籽粒表面光滑程度有關(guān)的籽粒凸度的度量。與天然砂相比，原機(jī)制砂的點(diǎn)狀和長(zhǎng)寬比較大，含有更多的針狀顆粒。然而，天然砂由于長(zhǎng)期磨損而表面光滑，所以充滿率較大。

圖1 天然砂(左)和原機(jī)制砂(右)的外觀示意圖

原機(jī)制砂的顆粒特性一般會(huì)導(dǎo)致顆粒之間產(chǎn)生較大的機(jī)械嚙合力，有利于砂與水泥的粘結(jié)，但不利于新拌混凝土的流動(dòng)性，在拌制混凝土?xí)r應(yīng)予以注意。

之后對(duì)于砂礫的級(jí)配進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，根據(jù)顆粒組成的統(tǒng)計(jì)分析，天然砂屬于 II 級(jí)配上下限中間具有理想級(jí)配曲線的中型砂，原機(jī)制砂屬于末端過(guò)粗級(jí)配、中間極少級(jí)配的粗砂，顆粒大于2.36 mm 或小于0.15 mm，但小于0.6 mm ー1.18 mm，符合 I 級(jí)配砂的技術(shù)要求。砂的級(jí)配對(duì)于控制新拌混凝土的含水量具有重要意義。4.75 mm 至0.15 mm 的顆粒效果更好，特別是4.75 mm 至2.36 mm 的顆粒效果更好。因此，應(yīng)采取相應(yīng)的措施來(lái)滿足新拌混凝土的工作性能。

在此基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)制砂的細(xì)度分布進(jìn)行分析和研究，圖2 示出原機(jī)制砂中石粉的細(xì)度分布和各粒度級(jí)的合格率。原石粉的平均粒徑為29.99 μm，小于75 μm 的顆粒含量為90.2% ，小于10 μm 的顆粒含量為24.6% ，小于10 μm 的顆粒含量為25.5% ，小于30 μm 的顆粒含量為40.2% 。由于水泥漿體系中石粉微細(xì)顆粒的填充作用以及集料孔隙等因素的影響，石粉細(xì)度呈均勻連續(xù)分布，有助于提高混凝土的密實(shí)度。根據(jù)相關(guān)研究，石粉的微細(xì)晶粒，尤其是小于10μm 的微細(xì)晶粒，有促進(jìn)水泥水化的晶核效應(yīng)。

圖2 細(xì)度分布(左)及各粒度級(jí)石粉的通過(guò)率

通過(guò)試驗(yàn)?zāi)軌虻贸霾煌酆俊⒉煌瑫r(shí)間的混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展情況。石粉含量對(duì)砂性能的影響從圖3 可以看出，在0.15ー2.36 mm 的水平范圍內(nèi)，石粉含量對(duì)篩子累積剩余量(ATR)的影響為負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.99。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可將分級(jí)范圍劃分為0.6 mm 水平篩余物的累計(jì)剩余量。當(dāng)石粉含量低于6% 時(shí)，砂的級(jí)配屬于 I 級(jí)。當(dāng)含量在6% ー14% 之間時(shí)，屬于范圍 II。當(dāng)含量在14% ー20% 之間時(shí)，屬于范圍 III。

圖3 石粉含量對(duì)砂級(jí)配的影響示意圖

綜合來(lái)看，原機(jī)制砂的石粉含量在試驗(yàn)范圍內(nèi)是合適的。通過(guò)試驗(yàn)研究了原機(jī)制砂、石粉的性能，以及石粉摻量對(duì)砂性能和水泥砂漿強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果有助于解釋原機(jī)制砂在不同石粉摻量下混凝土的一些特性。與普通混凝土相比，混凝土的增量更為理想。并且根據(jù)得到的混凝土配比對(duì)機(jī)制砂強(qiáng)度的影響機(jī)制關(guān)系能夠?qū)炷恋膹?qiáng)度進(jìn)行有效準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，原機(jī)制砂中的石粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響與普通機(jī)制砂中摻入石粉的混凝土強(qiáng)度的影響差別很大，原機(jī)制砂中石粉含量低于5% 的極限值不適合用于 C50 級(jí)混凝土。

3.3 石粉摻雜量對(duì)機(jī)制砂的彈性模量的影響試驗(yàn)探究

在進(jìn)行石灰石彈性模量檢測(cè)的過(guò)程中利用高摻量石粉制備高強(qiáng)高性能混凝土，以擴(kuò)大石灰石粉碎廢料的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)石灰石粉碎廢料的利用。采用52.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，3 天抗壓強(qiáng)度為30.3 MPa，28 天為62.4 MPa。礦物摻合料為I 級(jí)粉煤灰(FA)和磨細(xì)高爐礦渣（GFBS）。粗集料為5ー25mm 連續(xù)級(jí)配的石灰石碎料。采用兩種不同的砂作為細(xì)集料。第一種是細(xì)度模數(shù)為3.4 的石灰石砂，原始粉塵含量(＜ 75μm)為3.5% 。用河砂與質(zhì)譜進(jìn)行比較，其細(xì)度模數(shù)為2.7。采用濕篩法從剩余石灰石砂中分離出目數(shù)小于75μm 的石灰石粉塵。采用105 ° c 干燥24h，研磨至75μm 的方法制備粘土粉。摻合料為 JG-2 高效減水劑和 JG-3 緩凝超級(jí)塑化劑，按重量1:1 混合。

人們普遍認(rèn)為，混凝土的彈性模量取決于其抗壓強(qiáng)度、體積密度、骨料的相對(duì)體積和剛度(剛度與骨料來(lái)源密切相關(guān))。本文的結(jié)果表明，MS 混凝土與 RS 混凝土的彈性模量沒(méi)有明顯差別，微細(xì)粒含量最高的 MS 混凝土的彈性模量為14% ，而 MS 混凝土的彈性模量隨微細(xì)粒含量的增加而降低。微細(xì)粉含量的增加，一方面改善了混凝土的抗壓強(qiáng)度，使彈性模量趨于增加，但另一方面增加了漿體體積，然后降低了混凝土的彈性模量。用 FA 或 GBFS 替代水泥后，材料的彈性模量降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，機(jī)制砂具有不規(guī)則多邊形顆粒尖邊、表面粗糙、石粉含量大等特點(diǎn)，對(duì)混凝土的性能影響不大。作為混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，必須清楚地了解混凝土的基本力學(xué)性能，如抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂模數(shù)和彈性模量之間的關(guān)系。本文總結(jié)了已發(fā)表文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)與普通混凝土的統(tǒng)計(jì)分析比較，討論了這些性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明，按照我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定的普通混凝土的抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式，可以預(yù)測(cè)混凝土的軸壓抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)低于 C30 時(shí)，預(yù)測(cè)抗拉強(qiáng)度應(yīng)乘以減小系數(shù)。機(jī)制砂混凝土的彈性模量大于普通混凝土的彈性模量，本文應(yīng)用公式進(jìn)行展望。同時(shí)，提出了斷裂模數(shù)的計(jì)算公式。