不同細骨料對混凝土強度及抗裂性能的影響試驗研究

呂 寅，徐 敏，周 煒

(武漢路通市政工程質量檢測中心，武漢 430010)

目前政府部門對河道周邊的水土保護日益重視，天然河砂的開采與使用受到諸多限制。機制砂作為碎石骨料開采的副產物，正在逐步取代天然河砂大量應用到混凝土的生產中。然而在機制砂作為混凝土細骨料的使用過程中，存在混凝土工作性能損失大、外加劑摻量高，且構造物表面易引發開裂的問題，引起了大家的廣泛重視[1,2]。由于機制砂自身顆粒形貌和生產制備工藝的影響，使得機制砂混凝土配合比不同于普通混凝土配合比，需針對性解決上述工作性能和耐久性能不良的問題。試驗就混凝土中細骨料分別采用河砂、“河砂+機制砂”及“江砂+機制砂”等三種不同細骨料情況對混凝土各項強度性能及抗裂性能展開對比驗證，探討不同的細骨料使用方案對混凝土工作性能、力學性能和耐久性能的影響，同時就機制砂應用于混凝土中的配合比優化措施給予建議[3]。

1 試驗原材料及方法

1.1 試驗原材料

1)水泥：尖峰PO 42.5水泥，比表面積363 m2/kg，28 d抗壓強度52.3 MPa；

2)礦粉：新冶鋼S95級，流動度比103%，7 d活性81%，28 d活性100%；

3)粉煤灰：青山Ⅱ級粉煤灰，細度18.1%，需水量比102%，7 d活性67%，28 d活性68%；

4) 機制砂：細度模數為3.4，MB值1.25；

5) 天然砂：江砂—細度模數1.2，河砂—細度模數2.4；

6) 碎石：5～25 mm連續級配；

7)外加劑：聯化聚羧酸減水劑，含固量19%，減水率28%。

1.2 試驗方法

1)混凝土的制備、坍落度與擴展度測定方法，均按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T50080—2016)進行。成型試塊在標準養護后，分別測定其3 d、7 d、28 d抗壓強度。

2)混凝土抗裂性能試驗，采用《混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082—2009)中的“早期抗裂試驗”方法。

2 不同細骨料對混凝土工作性能及力學性能的影響

試驗采取了不同的細骨料摻配方式和不同的機制砂摻入比例，研究其機制砂摻量對于混凝土坍落度和抗壓強度的影響，見表1。其中配合比A1采用“河砂+機制砂”，機制砂摻量為64%；配合比A2和A3均采用“江砂+機制砂”，砂率與A1保持一致，機制砂摻量分別為76%和71%；配合比A4采用“江砂+機制砂”，其砂率由47%調整至49%，機制砂摻量與A3保持一致。

表1 試驗配合比及工作性能

配合比A1與A2，通過在砂率一致的情況下，探討分別采用河砂和江砂對于混凝土的性能影響；對比配合比A2與A3，通過提高江砂的比例，探討江砂摻量提高，改善細集料顆粒級配后對于混凝土工作性能與力學性能的影響；對比A3與A4配合比，探討相同的江砂摻配比例下，調整砂率對于混凝土的工作性能的改善。

對配合比A1，由于細集料合成后的細度模數較大，制備的混凝土工作性能極差，基本無流動性，無法滿足施工要求，必須對混凝土配合比進行調整[4]。

對于配合比A2、A3，在砂率相同的情況下，隨著機制砂摻入比例的降低(由76%減少至71%)，即使大幅提升外加劑摻量，混凝土工作性仍然較差，同時還導致混凝土生產成本上升。根據混凝土出機狀態可知，由于粗、細骨料之間的級配情況不良，混凝土整體骨料中的細顆粒較少，并無法有效填充粗集料間的間隙，導致粗集料松散，包裹性能不良，需要對混凝土的砂率進行調整。

試驗結果表明，配合比A3與A4在機制砂摻入比例相同的情況下(摻入比例為71%)，隨著砂率的提高(由47%提升至49%)，工作性能得到顯著改善。當砂率為47%時，無論采用河砂或是江砂與機制砂摻配后所制備的混凝土，其工作性能均較差無法滿足泵送施工要求。當砂率提升至49%時(見圖1)，漿體包裹狀態良好，工作狀態亦最佳，其2 h后塌落度為175 cm，擴展度為370 cm，由此得出機制砂制備混凝土的保塌能力較普通混凝土而言，雖1 h坍落度略有下降，但仍能滿足泵送施工要求[5]。

就混凝土力學性能試驗結果可知(見表2)，采用“河砂+機制砂”配合比A1的強度最好，隨著混凝土砂率和江砂摻量的提高，強度有逐漸降低的趨勢，故為保證混凝土工作性能和力學性能，應當嚴格控制砂率和江砂的摻入量。由此，當采用“江砂+機制砂”摻配方案下，需一定程度下提高膠凝材料用量，以保障混凝土強度要求。

表2 混凝土強度試驗結果

3 不同細骨料對于混凝土抗裂性能的影響

試件早期的開裂敏感性評價準則如下：1)僅有非常細的裂紋；2)裂縫平均開裂面積<10 mm2；3)單位面積開裂裂縫數目<10根/m2；4)單位面積上的總裂開面積<100 mm2/m2。按照上述四個準則，將開裂敏感性劃分為五個等級：

Ⅰ級—全部滿足上述四個條件；

Ⅱ級—滿足上述四個條件中的3個；

Ⅲ級—滿足上述四個條件中的2個；

Ⅳ級—滿足上述四個條件中的1個；

Ⅴ級—一個也不滿足。

為探明不同細骨料使用方案對于混凝土抗裂性能的影響設計了實驗方案，見表3。

表3 試驗配合比及工作性能

1)通過B1和B2這兩組均采用河砂的普通混凝土的配合比，比較在膠凝材料及水灰比相同的情況下，砂率對于混凝土抗裂性能的影響；

2)通過B2和B3此兩組配合，比較在砂率相同的情況下，采用“河砂+機制砂”混凝土方案與采用純河砂普通混凝土抗裂性能的差異；

3)通過B2和B4此兩組配合，比較在砂率相同的情況下，采用“江砂+機制砂”混凝土方案與采用純河砂普通混凝土抗裂性能的差別；

4)通過B3和B4這兩組機制砂混凝土的配合比，比較“河砂+機制砂”與“江砂+機制砂”此兩組細集料組合方案對混凝土抗裂性能的影響。

由表4可知，1)根據配合比B1和B2對比結果，對于普通混凝土而言，隨著混凝土砂率從43%提高至49%，混凝土的抗裂性能得到較大的改善，采用配合比B2的試驗中試樣表面未見裂縫產生，抗裂等級為Ⅰ級；2)根據配合比B2、B3與B4對比結果可知，在砂率相同的情況下，普通混凝土的抗裂性能均優于機制砂混凝土，產生此結果的原因除了機制砂本身的粒形原因外，由于此機制砂本身的含泥量較高，泥漿上浮后易在混凝土上表面形成一種膜結構，阻礙了混凝土內部水分向表面的擴散，表層混凝土的水分蒸發無法得到及時補充，易引發開裂[6]；3)根據B3和B4對比結果可知，“河砂+機制砂”與“江砂+機制砂”方案下混凝土的抗裂性能評定等級均為Ⅲ級，同時兩者的單位面積的總開裂面積相當，而兩者的差別在于“河砂+機制砂”方案下，混凝土表面裂縫較寬(最大裂縫寬度0.4 mm)、長度較短，而“江砂+機制砂”方案下，混凝土表面裂縫較窄(最大裂縫寬度0.2 mm)、長度較長[7]。

表4 混凝土抗裂性能

4 結 論

a.當采用“江砂+機制砂”摻配方案時，江砂中的細顆粒分布對機制砂級配狀況起到了較大的改善作用，在江砂較小的摻量情況下，機制砂混凝土的工作狀態產生了較大的改善，實現了機制砂混凝土的良好工作性能，但混凝土強度的下降趨勢也較為明顯。為兼顧混凝土工作性能和力學性能，建議江砂的摻量不宜大于30%，砂率宜控制在48%～50%之間。

b.當采用“河砂+機制砂”摻配方案時，由于河砂的細度模數較大，無法對機制砂的級配狀況做出明顯改善，雖然對于混凝土強度無明顯影響，但工作狀態不滿足施工要求。

c.混凝土隨著砂率的提高，抗裂性能得到較大的改善，而在砂率相同的情況下，普通混凝土的抗裂性能均優于機制砂混凝土。“河砂+機制砂”與“江砂+機制砂”方案下混凝土的抗裂性能評定等級一致，兩者的抗裂性能均為Ⅲ級，有較高的開裂風險，故對于機制砂混凝土，建議其在施工過程中加強混凝土的養護。