不同人工砂與天然砂混合比對混凝土力學(xué)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(xué) 水利水電學(xué)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(yīng)用于結(jié)構(gòu)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(shù)地區(qū)應(yīng)用的是天然砂，其特點是短期內(nèi)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(guī)劃和生態(tài)保護都有著重要的意義。

本文通過力學(xué)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(xué)特性（抗壓強度、抗拉強度）和電鏡掃描實驗中結(jié)果的差異，通過實驗結(jié)果探究人工砂含量對混凝土強度的影響規(guī)律，總結(jié)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(xué)性能試驗

1.1 試驗材料

制備混凝土所用的材料及質(zhì)量比見表1。

表1 試驗制備混凝土配合比

本試驗根據(jù)人工砂與天然砂的質(zhì)量比分為5組，按照規(guī)范《普通混凝土力學(xué)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(jié)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(yǎng)護28天。

表2 人工砂摻和比例方案

1.2 力學(xué)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(jù)彈性力學(xué)可計算出其劈裂抗拉強度為ft=2F/(πA)，根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)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(guān)系：

式中：fcc為混凝土立方體抗壓強度。

1.2.3 力學(xué)試驗結(jié)果

具體試驗結(jié)果如表3和圖1所示。

表3 抗壓性能及劈裂試驗結(jié)果

圖1 混凝土力學(xué)性能與其人工砂含量關(guān)系圖

3 微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成分析

3.1 人工砂

人工砂樣品化學(xué)成分分析結(jié)果如表4所示：

表4 白鶴灘水電站人工砂樣品的化學(xué)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(xué)成分分析

通過X射線衍射儀（XRD）對五組含有不同質(zhì)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(gòu)成物化學(xué)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(xué)成分占比

從混凝土試件的半定量化學(xué)組成來看，混凝土試件的成分十分復(fù)雜。其主要成分是石英、方解石和鈉長石。混凝土微觀結(jié)構(gòu)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(yīng)，生成的膠凝物質(zhì)，與水泥水化生成的膠凝物質(zhì)的化學(xué)組成，結(jié)構(gòu)相似。凝膠產(chǎn)物充填于晶體骨架之間，使混凝土結(jié)構(gòu)變得致密，有利于提高混凝土的力學(xué)性能。方解石是有利于混凝土的力學(xué)性能。鈉長石和石英都是不利于混凝土的力學(xué)性能。相比純天然砂組，天然砂與人工砂質(zhì)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(zhì)量百分比的繼續(xù)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(zhì)量百分比的增加而增加，除了純?nèi)斯ど敖M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(jié)構(gòu)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(yīng)的抗壓性能和抗拉試驗結(jié)果，基于微觀表面形態(tài)分析了玄武巖對混凝土試件力學(xué)性能的影響。從1000倍放大鏡頭下微觀結(jié)構(gòu)的密實程度來看，純?nèi)斯ど盎炷?天然砂與人工砂質(zhì)量比為3：1的混凝土>天然砂與人工砂質(zhì)量比為1：3的混凝土>天然砂與人工砂質(zhì)量比為3：1的混凝土>純天然砂。從針狀晶粒體的發(fā)育情況來看，當(dāng)人工砂質(zhì)量百分比大于25%時，針狀晶粒體開始明顯發(fā)育。同時，隨著人工砂質(zhì)量百分比增加，針狀晶粒體越發(fā)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?nèi)斯ど敖M發(fā)育片狀物質(zhì)填充間隙。結(jié)構(gòu)密實程度的觀察結(jié)果與力學(xué)性能的測試結(jié)果基本一致：雖然天然砂與人工砂質(zhì)量比為 1：1組結(jié)構(gòu)最為松散，孔隙最多，但是人工砂質(zhì)量比為 1：1組發(fā)育有針狀晶粒體填充孔隙，提升了力學(xué)性能。除純?nèi)斯ど敖M，其余間隙都發(fā)育顆粒狀物質(zhì)。人工砂組孔隙發(fā)育片狀物質(zhì)，結(jié)構(gòu)最為密實，對力學(xué)性能有明顯地提升。

4 結(jié)論

基于白鶴灘水電站施工混凝土配合比，含純?nèi)斯ど盎炷翗藴试嚰目箟簭姸染蹬c抗拉強度均值最大。而根據(jù)混凝土試件微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)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(jié)晶發(fā)生火山灰反應(yīng)生成具有膠凝性質(zhì)的產(chǎn)物填充；純?nèi)斯ど敖M的孔隙是由原有的輝石填充。人工砂組孔隙發(fā)育片狀物質(zhì)，結(jié)構(gòu)最為密實，對力學(xué)性能有明顯地提升。從力學(xué)性能測試的結(jié)果來看，純?nèi)斯ど敖M的抗壓性能和抗拉性能最好。