不同人工砂與天然砂混合比對混凝土力學性能的影響

王洪濤 陳方斌 談安建 邱 劍 郭子晗 郭勇軍

（1.四川大學 水利水電學院， 四川 成都 610065；2.中國水利水電第七工程局有限公司， 四川 成都 610213）

0 引言

我國建筑中應用于結構的主要建筑材料是混凝土，而砂是混凝土主要的骨架。目前多數地區應用的是天然砂，其特點是短期內不可再生且總量逐年減少。因此，探尋不同巖性人工砂對水工混凝土的影響對資源規劃和生態保護都有著重要的意義。

本文通過力學特性實驗、XRD圖譜分析和SEM電鏡掃描的方法，比較基于白鶴灘水電站施工混凝土原料的不同人工砂含量混凝土在力學特性（抗壓強度、抗拉強度）和電鏡掃描實驗中結果的差異，通過實驗結果探究人工砂含量對混凝土強度的影響規律，總結出基于白鶴灘水電站施工混凝土原料的既能提高混凝土強度又在一定程度上保持其拌和流動性的最佳人工砂含量。

1 力學性能試驗

1.1 試驗材料

制備混凝土所用的材料及質量比見表1。

表1 試驗制備混凝土配合比

本試驗根據人工砂與天然砂的質量比分為5組，按照規范《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行制備。混凝土標準試件的尺寸為150mm×150mm×150mm的立方體，每組制備6個，具體細節見表2。制備后，將混凝土試件放在溫度為20±3℃及相對濕度90%以上的條件下養護28天。

表2 人工砂摻和比例方案

1.2 力學性能試驗

1.2.1 抗壓性能檢測試驗

混凝土立方體試件抗壓強度fcu（以MPa表示）按下式計算：

式中：F-極限荷載(N)；A-受壓面積(mm2)。

1.2.2 抗拉強度檢測試驗

根據彈性力學可計算出其劈裂抗拉強度為ft=2F/(πA)，根據大量試驗數據統計結果表明，混凝土軸心抗拉強度和立方體抗壓強度之間符合以下關系：

式中：fcc為混凝土立方體抗壓強度。

1.2.3 力學試驗結果

具體試驗結果如表3和圖1所示。

表3 抗壓性能及劈裂試驗結果

圖1 混凝土力學性能與其人工砂含量關系圖

3 微觀結構與化學組成分析

3.1 人工砂

人工砂樣品化學成分分析結果如表4所示：

表4 白鶴灘水電站人工砂樣品的化學成分含量百分比

可知，白鶴灘水電站人工砂樣品的主要成分是石英、鈉長石、斜綠泥石和輝石。從成分組成來看，白鶴灘水電站人工砂樣品是由玄武巖制備而成。

3.2 混凝土

3.2.1 混凝土試件化學成分分析

通過X射線衍射儀（XRD）對五組含有不同質量百分比人工砂的混凝土試樣進行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料構成物化學成分的分子式以及含量百分比如下圖2。

圖2 不同人工砂含量混凝土中主要化學成分占比

從混凝土試件的半定量化學組成來看，混凝土試件的成分十分復雜。其主要成分是石英、方解石和鈉長石。混凝土微觀結構的孔隙較大，其中存在大塊的、片狀的Ca(OH)2晶體。高嶺石與水泥水化釋放出的Ca(OH)2反應，生成的膠凝物質，與水泥水化生成的膠凝物質的化學組成，結構相似。凝膠產物充填于晶體骨架之間，使混凝土結構變得致密，有利于提高混凝土的力學性能。方解石是有利于混凝土的力學性能。鈉長石和石英都是不利于混凝土的力學性能。相比純天然砂組，天然砂與人工砂質量比為 3：1組的高嶺石和方解石含量增加，石英和鈉長石含量減少。但是，隨著人工砂質量百分比的繼續增加，石英和鈉長石的含量開始增加，方解石的含量開始減少。然而，高嶺石含量是隨著人工砂質量百分比的增加而增加，除了純人工砂組中不含高嶺石。只有人工砂組含有輝石，輝石是玄武巖的主要成分。

3.2.2 混凝土試件微觀結構分析

圖3 SEM照片：（a）組1；（b）組2；（c）組3；（d）組4；（e）組5

對比圖3五組混凝土試件樣品的電鏡掃描圖以及對應的抗壓性能和抗拉試驗結果，基于微觀表面形態分析了玄武巖對混凝土試件力學性能的影響。從1000倍放大鏡頭下微觀結構的密實程度來看，純人工砂混凝土>天然砂與人工砂質量比為3：1的混凝土>天然砂與人工砂質量比為1：3的混凝土>天然砂與人工砂質量比為3：1的混凝土>純天然砂。從針狀晶粒體的發育情況來看，當人工砂質量百分比大于25%時，針狀晶粒體開始明顯發育。同時，隨著人工砂質量百分比增加，針狀晶粒體越發育，但在 1000倍放大鏡頭并不明顯。五組混凝土試件都觀察到有大小不一的球狀物體存在，但是只有純人工砂組發育片狀物質填充間隙。結構密實程度的觀察結果與力學性能的測試結果基本一致：雖然天然砂與人工砂質量比為 1：1組結構最為松散，孔隙最多，但是人工砂質量比為 1：1組發育有針狀晶粒體填充孔隙，提升了力學性能。除純人工砂組，其余間隙都發育顆粒狀物質。人工砂組孔隙發育片狀物質，結構最為密實，對力學性能有明顯地提升。

4 結論

基于白鶴灘水電站施工混凝土配合比，含純人工砂混凝土標準試件的抗壓強度均值與抗拉強度均值最大。而根據混凝土試件微觀結構與化學成分分析，純天然砂組的孔隙是由球狀粉煤灰以及與周圍的氫氧化鈣結晶發生火山灰反應生成具有膠凝性質的產物填充；純人工砂組的孔隙是由原有的輝石填充。人工砂組孔隙發育片狀物質，結構最為密實，對力學性能有明顯地提升。從力學性能測試的結果來看，純人工砂組的抗壓性能和抗拉性能最好。