機制砂混凝土早期開裂及抗滲透性影響因素分析

摘要 機制砂混凝土施工中，砂類、石粉含量、礦物摻配料占比等直接影響其早期開裂性能、抗水滲透性能。文章針對機制砂混凝土早期開裂及抗滲透性影響進行研究，基于對砂類、石粉含量、礦物摻配量三大變量的試驗進行分析，提出其變化對機制砂混凝土早期開裂性能及抗滲透性帶來的影響。試驗研究表明：天然砂混凝土的抗水滲透性能，優于機制砂混凝土;石粉含量與混凝土抗早期開裂性能無直接關系，與混凝土抗水滲透性能成正比;粉煤灰礦物摻合料占比與混凝土抗早期開裂性能成反比，與混凝土抗水滲透性能成正比。

關鍵詞 機制砂種類;早期開裂;抗水滲透

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）12-0132-03

收稿日期：2022-03-18

作者簡介：張克永（1976—），男，本科，高級工程師，從事公路橋梁施工工作。

0 引言

隨著城市化建設進程的加快，基礎建筑建設中，砂子作為混凝土的主要原材料，用量也隨之快速增長。考慮到天然砂的不可再生性，為降低城市建設需求對資源的依賴及環境的影響，混凝土中配置機制砂的生產方式得到了廣泛推廣使用[1]。該文以某機制砂混凝土為例，基于其原材料構成，對砂類、石粉含量、礦物摻和量三個參數的變化所引起的機制砂混凝土早期抗裂性及抗滲透性能的變化進行了重點分析，以供機制砂混凝土的研究參考與借鑒。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

機制砂又稱人工砂，主要由礦物摻合料、石粉等材料構成，分為原狀機制砂、石灰巖機制砂、水洗機制砂等幾種類型，是一種廣泛應用于基礎建筑施工的新型混凝土原材料，可以有效改善混凝土的工作性能，機制砂混凝土主要原材料如下：

（1）水泥。水泥是混凝土的主要原材料之一，其型號、配比的選用對于保證混凝土強度達標具有重要意義。該試驗統一選用P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，其穩定性、抗裂性均達到標準;

（2）礦物摻合料。礦物摻合料的引入對機制砂混凝土性能有很大影響，既可以節約水泥用量、降低水泥水化熱，又可以優化混凝土結構性能和工作性能，從而提升混凝土的穩定性[2]。其摻量應視工程性質、環境因素、現場條件等因素而選擇。該文機制砂混凝土選用粉煤灰作為礦物摻合料，其性能指標可匹配要求參數。

（3）粗集料。粗集料粒徑對于平衡機制砂混凝土的流動性、保水性和粘聚性具有重要意義，應遵循優先選擇粒徑均勻、最大粒徑較小的原則。查閱相關文獻可知，國內工程粗集料最大粒徑控制在20 mm以內，該文機制砂混凝土選用5～16 mm及16～25 mm連續級配碎石，其物料性能、級配碎石篩分結果均可匹配規范要求。

（4）細集料。細集料的選用對于促進水泥水化、提升水泥微觀結構密實性至關重要。該試驗細集料選用天然砂、原狀機制砂、石灰巖機制砂和水洗機制砂4種，結合相關文獻及篩分實驗結果可知其各項指標均滿足建筑規范中級配曲線分區等規定要求[3]。

（5）外加劑、水，全部用水選用自來水。

（6）基準配合比。混凝土基準配合比的設計要結合砂類等原材料的性能特點，例如在選擇機制砂時要重點關注其針片狀顆粒混雜、石粉含量較高的特性。該試驗水、水泥、砂、石、外加劑的比例按照150∶428∶692∶1 130∶4.28執行。

1.2 試驗方案

該試驗設計主要為研究砂類、石粉含量、礦物摻合料三大變量所引起的混凝土耐久性能變化，其中三大變量的砂類主要分為天然砂、原狀機制砂、石灰巖機制砂、水洗機制砂4種，其石粉含量分別為：0.5%、3.5%和7.5%;礦物摻和料含量為：0%、6%，其他材料種類和含量保持不變。試驗組設計如表1所示。

2 機制砂混凝土早期開裂影響因素試驗研究

混凝土結構性能受外界環境因素影響較大，特別是在炎熱或多風等干燥天氣時，混凝土結構表面水分的蒸發流失與內部補給失衡，混凝土未凝結硬化前，其表面所承受較大的收縮應力大于抗拉強度，內外應力的差異形成收縮裂縫，降低了混凝土結構性能，導致早期開裂。機制砂混凝土試件尺寸及環境標準設置具體如下：

（1）尺寸。試件尺寸設置為800 mm×600 mm×100 mm。

（2）環境標準。溫度控制在（20±2）℃，相對濕度保持在（60±5）%，控制風速保持在（5±0.5）m/s。

（3）監測儀器選用MG10085-1A100X顯微鏡。

混凝土早期抗裂性能的等級劃分見表2。

2.1 砂種類對機制砂混凝土早期開裂的影響

保證配合比一致的情況下，研究X1（天然砂）、X2-1（原狀機制砂）、X2-2（石灰巖機制砂）和X2-3（水洗機制砂）4種砂類混凝土的開裂變化，分析表3、圖1可以得出以下結論：

（1）總開裂面積：機制砂混凝土小于天然砂混凝土。

（2）彈性模量：天然砂小于石灰巖。

（3）砂類、彈性模量是影響機制砂混凝土早期開裂的主要因素，由機制砂或彈性模量較大集料構成的混凝土具有較好的抗裂性能[4]。

2.2 石粉含量對機制砂混凝土早期開裂的影響

分析X2-1（含量為0.5%）、X4-1（含量為3.5%）、X4-2（含量為7.5）三種不同石粉含量的原狀機制砂混凝土早期開裂情況，試驗結果見圖2。

觀察圖2 中各試驗組對應的開裂面積數值及隨著石粉含量增加所引起的開裂面積變化趨勢可以看出，X4-1（含量為3.5%）具有最高的早期抗裂性能，石粉含量與混凝土的早期抗開裂性能并無絕對的正比關系。

2.3 礦物摻合料對機制砂混凝土早期開裂的影響

分析X-1、X3-1兩種不同礦物摻合料配比的天然砂混凝土早期開裂情況，試驗結果見表4。

對比表4數據可以看出，摻配量比值較高的X3-1出現的早期開裂病害情況較少，因此可知礦物摻和料占比與混凝土的抗早期開裂性能成反比關系，摻合料占比越大，混凝土的抗早期開裂性能越好。

3 機制砂混凝土抗水滲透性影響因素試驗研究

混凝土水化硬結過程中容易形成大小孔徑不一的孔隙，水分在孔隙間流動所形成的水壓力及液體表面壓力都會引起混凝土結構的耐久性變化[5]。根據混凝土耐久性能試驗等相關文獻，該試驗通過逐級加壓法測試機制砂、天然砂兩種砂質的抗水滲透性能。試驗標準如下：

（1）監測儀器選用HP-4.0型混凝土抗滲儀。

（2）混凝土試件抗滲等級的計算公式為：P=lOH-1 （1）

式中，H——50%的試件出現滲水時的水壓力（MPa）;P——混凝土的抗滲等級。

獲得的抗水滲透結果見表5。

觀察表5數據可知，各試驗組混凝土的抗滲等級均≥P15級。

3.1 砂種類對機制砂混凝土抗水滲透能力的影響

基于同等配合比時可知，X1（天然砂混凝土）的抗水滲透性最佳，滲水壓力臨界值為2.1 MPa;X2-3（水洗機制砂混凝土）的抗水滲透性最差，滲水壓力臨界值僅為1.6 MPa，其主要原因為機制砂在水洗工序時細料流失，摻入混凝土后形成較多孔隙，水在孔隙間的流動會降低混凝土的穩定性，故其抗滲透性能劣于天然砂混凝土[6]。

3.2 石粉含量變化對機制砂混凝土抗水滲透能力的影響

根據表5數據可知，抗滲級別最高的是X4-2混凝土，最差的是X4-3混凝土，同時從表中數據可以看出，同類機制砂混凝土的石粉含量與抗滲透性能成正比關系，石粉含量越大對應的混凝土抗滲透等級越高，主要原因為機制砂經水洗工序后粒徑0.6 mm以下的顆粒流失，所構成的混凝土孔隙率較大，石粉的添加可以填實水洗工序造成的孔隙，混凝土密實度得以提升，水在空隙間的流動性減弱，進而提升混凝土的抗水滲透性。

3.3 機制砂混凝土抗水滲透能力受礦物摻合料影響

對比表5中X3-1與X1的抗滲級別可知，提高礦物摻合料占比可以優化混凝土的抗水滲透性，主要原因為在水泥水化過程中礦物摻合料會發生一系列的物理、化學反應，從漿體變成堅固的石狀體，并能膠結其他物料，制成有一定機械強度的復合固體的物質，能填充混凝土內部的孔隙和提升混凝土的密實性及優化混凝土的抗水滲透性。

4 結論

綜上所述，機制砂混凝土改變砂類、石粉含量、礦物摻配料占比等，分析其早期開裂及抗滲透性，試驗研究結論如下：

（1）機制砂混凝土彈性模量與混凝土抗裂性成正比，彈性模量越大，混凝土抗裂性越好。

（2）天然砂混凝土的抗水滲透性能，優于機制砂混凝土。

（3）石粉含量與混凝土抗早期開裂性能無直接關系，而石粉含量與混凝土抗水滲透性能成正比，石粉含量越大，混凝土抗水滲透性越佳。

（4）粉煤灰礦物摻合料占比與混凝土抗早期開裂性能成反比，礦物摻合料越大，混凝土的早期抗裂性能越差。

（5）粉煤灰礦物摻合料占比與混凝土抗水滲透性成正比，礦物摻合料越大，混凝土的抗水滲透性能越佳。

總之，機制砂作為一種新型的建筑材料，其在混凝土中的應用對于緩和建設需求與資源、環境的矛盾具有重要意義，只有加以科學合理地控制運用，才能充分發揮機制砂的綜合效益。

參考文獻

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