機制砂對水工混凝土性能影響分析

徐赫峰

（撫順海峰水利工程有限公司，遼寧 撫順 113300）

隨著我國水利工程建設數量的不斷增多，砂石作為一種用量最多的建筑材料，工程建設對其需求量持續增大，而現有河砂儲量已無法滿足建設發展需求；另外，在天然砂開采運輸過程中會造成農田、河道、山體破壞以及生態環境污染等問題[1-2]。因此，為嚴格管制河道采砂我國先后出臺了一系列的限采、禁采法令，致使許多地方出現無砂可用或砂供應不足的情況，故用機制砂替代天然砂逐漸成為支撐水利工程持續發展的主力資源[3]。

經機械破碎、篩分、整形等技術工藝生產而成的機制砂，一般具有堆積空隙率高、比表面積大、表面多棱角等特點，在配制和易性相同的混凝土時相比于天然砂需要增大膠凝材料和用水量[4]。一般地，制作工藝不同生產出的機制砂顆粒也不盡相同，研究認為針片狀少、表面比較圓滑的顆粒配制的混凝土性能較優，或達到工作性能相同時需要的漿體包裹量較少，這可以減小膠凝材料和用水量。研究表明[5]，在和易性及水膠比相同條件下，多棱角顆粒可增大漿體與機制砂的接觸面積及其黏結力，有利于提高混凝土的抗折與抗壓強度，但同時也降低了抗滲透性；有學者[6]認為復摻粉煤灰與硅灰可以有效防止泌水現象，并且用石灰石粉與礦渣復配的機制砂砂漿保水性、稠度、強度均明顯優于其與粉煤灰的復配[6]；李潛等[7]試驗探討了礦粉和粉煤灰對機制砂混凝土早期收縮性能的影響，結果發現單摻礦粉會增大早期收縮，并且隨著齡期的延長收縮率逐漸增加，單摻粉煤灰優于兩者復摻時的早期收縮。

機制砂相比于天然砂的研究應用起步較晚，在推廣使用過程中機制砂混凝土還存在一些不足，特別是在水工結構中的使用非常謹慎。近年來，隨著技術的發展和研究深入，在水利工程主體結構中機制砂混凝土才逐漸得以應用。因此，本研究以天然河砂為對照組，按相同配比對比分析了河砂和機制砂水工混凝土的早期收縮性能、力學強度和工作性能，并進一步揭示機制砂的影響機理，以期為水利工程中機制砂混凝土的廣泛應用提供科學依據。

1 試驗方案

1.1 配合比設計

水泥：吉林亞泰P·O42.5 級普通硅酸鹽水泥，安定性(雷氏法)合格，7d 水化熱220J/g，標稠用水量25.8%，比表面積366m2/kg，初、終凝時間215min 和260min，7d、28d 抗壓強度29.5MPa 和46.2MPa。

粉煤灰：鞍山誠達生產Ⅱ級粉煤灰，細度18.5%，密度2.35g/cm3，需水量比102%，燒失量2.81%，7d、28d 活性指數68%和76%。

礦粉：S95 級礦渣粉，燒失量1.2%，比表面積20800m2/kg，SiO2含量97.5%，需水量比110%，28d 活性指數125%。

集料：粗集料選用石灰巖碎石，顆粒級配5～25mm，含泥量0.2%，表觀密度2700kg/m3，堆積密度1610kg/m3，空隙率40.0%，吸水率0.1%，含水率0.4%，壓碎指標8%，針片狀含量2.5%；細集料選用天然河砂和人工機制砂，砂的性能指標如表1 所示。將天然河砂與機制砂按質量比4 : 6 配制成混合砂1，按質量比6 : 4 配制成混合砂1，細度模數均為2.7。

表1 砂的主要性能指標

外加劑：含一定保坍組分的聚羧酸高性能減水劑，固含量23%，減水率28%～35%。

試驗設計不同細集料摻配比、礦摻比、水膠比的機制砂和天然砂混凝土配合比，并對比分析相關性能。試驗時，要求新拌混凝土的擴展度≥400mm，坍落度≥180mm，鑒于機制砂具有棱角粗糙、級配較差、細度模數大等特點，在設計配合比時適當增大砂率。參照《水工混凝土配合比設計規程》中的計算方法，固定各組砂率為40%，通過水洗或外摻石粉的方式調整機制砂石粉含量處于5%～10%之間，同等條件下試驗配合比及拌合物性能如表2 所示。

表2 試驗配合比

1.2 試驗方法

依據《水工混凝土試驗規程》測試拌合物的工作性能和硬化混凝土標養3d、7d、14d、28d 的抗壓強度及劈拉強度，參照《水工混凝土耐久性技術規范》測試混凝土的早齡期收縮性能，為保證數據精度每組配制3 個試件，取平均值。試驗時，將515mm×100mm×100mm 試件帶模放入相對濕度(60±5)%、溫度(20±2)℃環境中養護至初凝前后，然后取出利用NES 非接觸式收縮變形測定儀測試各組試件的收縮率，測量精度2μm，位移測量量程3.0mm。

2 結果與分析

2.1 拌合物工作性

由表2 可知，不同細集料摻配比、礦摻比、水膠比的拌合物工作性能均符合設計要求。在配合比相同情況下，機制砂優于河砂混凝土的黏聚性，且隨著水膠比的減小其黏聚性逐漸增強，但機制砂小于河砂混凝土的擴展度、坍落度。減小水膠比會有效提高機制砂混凝土的坍落度，而對擴展度的影響較小，這是因為機制砂的多棱角、顆粒粗糙等特性有利于改善拌合物黏聚性，對流動性會產生不利影響。

雙摻礦粉與粉煤灰的機制砂(P-2、P-3、P-4 組)與河砂(Q-2 組)混凝土工作性相當，表明雙摻礦粉與粉煤灰有利于提高機制砂混凝土的包裹性、擴展度和坍落度，避免泌水離析現象的發生，有效改善其工作性。究其原因，在混合料中粉煤灰發揮著軸承滾珠作用，可以減少顆粒間的摩擦力，增加漿體含量和拌合物流動性；另外，水泥和礦粉所構成的復合材料可以提高骨料與水泥石界面之間的黏結力，改善漿體孔隙結構，且機制砂中的石粉還具有一定的潤滑作用，能夠減小拌合物中的骨料與砂的相互摩擦，達到改善其工作性的效應[8-10]。混合砂(PQ-2)優于全機制砂混凝土的工作性，但機制砂占比越高混合砂混凝土工作性越差。

2.2 力學性能

1）抗壓強度。試驗測定不同細集料摻配比、礦摻比和水膠比的各齡期混凝土抗壓強度，如圖1～3 所示。

圖1 不同水膠比的抗壓強度

由圖1 可知，配合比相同情況下，機制砂略大于河砂混凝土28d抗壓強度，但水膠比為0.36時P-0組小于Q-1 組的28d 抗壓強度，這可能與機制砂級配較差有關。

由圖2 可知，隨水膠比的減小機制砂混凝土抗壓強度逐漸增大，雙摻礦粉與粉煤灰會在一定程度上降低機制砂混凝土早期抗壓強度，但后期強度明顯增大，相較于礦粉和粉煤灰摻量相同的P-3 組試件，減少礦粉摻量(P-4 組)或增加粉煤灰摻量(P-2)都會在一定程度上降低早期抗壓強度，這表明增加粉煤灰摻量會對早期強度發展產生不利影響，而礦粉摻量不會產生顯著影響。

圖2 不同礦物摻合料的抗壓強度

由圖3 可知，混合砂大于河砂和全機制砂混凝土的28d 抗壓強度，并且機制砂摻配比例越高則混合砂混凝土抗壓強度越大，說明混合砂具有一個最佳摻配比。由于具有堅固性強、多棱角、顆粒粗糙等特點，機制砂的嵌套和骨架作用要優于河砂，可以增強水泥漿界面的咬合力。雙摻礦粉與粉煤灰既具有改善機制砂級配、填充集料孔隙的作用，還發揮著一定的微集料和火山灰效益，有利于改善漿體孔結構和混凝土密實性，從而增強整體抗壓強度；同時，機制砂中的石粉也發揮著微集料填充與晶核作用，可以減小內部孔隙率，提高密實度和強度。因此，雙摻礦粉與粉煤灰能夠獲取與水泥混凝土早期強度相當，后期具有較大強度增長空間的混凝土。

圖3 不同礦物摻合料的抗壓強度

2）劈拉強度。試驗測定不同細集料摻配比、礦摻比和水膠比的各齡期混凝土劈拉強度，如表3所示。

表3 劈拉強度測試結果

從表3 可以看出，隨水膠比的減小機制砂混凝土劈拉強度逐漸增大，其發展規律與抗壓強度相近。機制砂混凝土雙摻礦粉與粉煤灰時，其早期劈拉強度有所下降，這是因為早期尚未完全激發出礦物摻合料的微集料效應[11]。配合比相同情況下，復摻礦粉與粉煤灰的機制砂高于河砂混凝土劈拉強度，混合砂整體高于其它各組的劈拉強度，并且機制砂占比越大則劈拉強度越高，這是由于混合砂改善了混凝土的孔隙結構，有效解決了全機制砂級配差的問題，從而提高了混凝土的密實度和劈拉強度。

2.3 早期收縮性能

試驗測定不同細集料摻配比、礦摻比和水膠比的各齡期混凝土早期收縮率，如圖4～6 所示。

圖4 不同水膠比的早期收縮率

由圖4 可知，在8～10h 內河砂和機制砂混凝土的早期收縮率較大，隨齡期的延長而逐漸放緩。水膠比相同情況下，機制砂大于河砂混凝土的早期收縮率，尤其是水膠比較小時機制砂相比于河砂混凝土的早期收縮增幅更加明顯。

由圖5 可知，機制砂混凝土雙摻礦粉與粉煤灰時，其早期收縮速率明顯下降，并且早期收縮發展隨粉煤灰摻量的增大而減小，礦粉摻量對早期收縮的影響不顯著。另外，配比相同情況下，雙摻礦粉和粉煤灰的機制砂(P-3 組)與河砂(Q-2 組)混凝土早期收縮速率相差較小。

圖5 不同礦摻比的早期收縮率

由圖6 可知，水膠比相同情況下，混合砂(PQ-1 組、PQ-2 組)均小于全機制砂(P-1)混凝土的早期收縮率，并且混合砂混凝土的早期收縮率隨著機制砂比例的增大而減小，即PQ-1 組小于PQ-2 組的早期收縮率。降低混凝土用水量和水膠比，其收縮變形增加，并且機制砂中的石粉也會消耗一定水分，水泥水化釋放出的CH 易與石粉中Al2O3、SiO2反應生成穩定的水化鋁酸鈣及硅酸鈣水化物凝膠，從而加速水化反應和早期收縮變形[12-13]；礦粉的微集料效應能夠與Ca(OH)2反應生成水化硅酸鈣凝膠，有利于改善骨料與砂漿界面結構；粉煤灰中的Al2O3、SiO2可以與Ca(OH)2反應抑制或減少薄弱晶體的生成，另外雙摻礦粉與粉煤灰能夠提高漿體含量，填充內部空隙，減少孔隙率和早期收縮變形[14-15]。

圖6 不同礦摻比的早期收縮率

3 結 論

1）研究表明，機制砂相比于河砂混凝土的粘聚性較好，坍落度與擴展度稍差，為改善機制砂混凝土工作性可以選用混合砂以及復摻礦粉和粉煤灰。配比相同情況下，機制砂高于河砂混凝土的抗壓強度，雙摻礦粉與粉煤灰能夠獲取與水泥混凝土早期強度相當，后期具有較大強度增長空間的機制砂混凝土。相同配比和水膠比條件下，混合砂優于河砂和全機制砂混凝土的力學性能。

2）配比相同條件下，機制砂大于河砂混凝土的早期收縮率，尤其是水膠比較小時機制砂相比于河砂混凝土的早期收縮增幅更加明顯；機制砂混凝土雙摻礦粉與粉煤灰時，其早期收縮速率明顯下降，并且早期收縮發展隨粉煤灰摻量的增大而減小，礦粉摻量對早期收縮的影響不顯著。混合砂大于河砂并小于全機制砂混凝土的早期收縮率，摻配比李適當時混合砂可以優于河砂混凝土的早期性能。鑒于機制砂富含石粉、粗糙多棱角、級配較差和細度模數較大等特點，必須科學分析機制砂對混凝土特別是水工結構的影響合理設計配合比。