機制砂混凝土的配合比及抗壓強度研究

李先重LI Xian-zhong；荊月飛JING Yue-fei；符益銘FU Yi-ming；秦曉雨QIN Xiao-yu；崔偉CUI Wei

（①山東高速工程建設集團有限公司，濟南 250014；②山東大學土建與水利學院，濟南 250061）

0 引言

建設過程中由于過度開采天然砂來配制混凝土，造成了部分地區天然砂資源短缺，且運輸過程中易造成環境破壞、開采難度大、受地域限制以及使用成本高等因素都給天然砂的使用帶來了一定影響。因此許多學者開始研究使用機制砂來替換天然砂，相關研究能起到資源有效利用、環境保護及節約成本的目的[1-3]。機制砂是人工處理巖石后制成的人工砂，其顆粒級配偏于Ⅰ區，中間粒徑顆粒偏少、顆粒孔隙率偏大，級配不佳，同時也存在粒徑不規則，制砂過程中石粉含量難以控制等特性，這些特性都會對所制混凝土的性能產生很大影響[4-5]。相關研究提出在原料中摻入復合摻合料，并設計合理配合比來配制混凝土，同時通過抗壓試驗、影響因素正交試驗及相關預測模型等方法來分析混凝土相關性能，以研究出符合預期的機制砂混凝土配制方案[6-7]。此外關于高石粉含量下機制砂混凝土的復摻技術研究較少，有試驗表明一般情況下石粉含量在16%為佳[8]，但不同地區所用機制砂的特性存在差異，并不存在絕對完善的方案。

鑒于砂率、粉煤灰摻量及復合摻合料種類等影響因素都會對混凝土成品的強度產生影響[6-9]，因此本文的混凝土配制基于復合摻合料的使用出發，選擇合適的砂率、復合摻合料占比及種類來確定合理的配合比進行相關試驗研究。

1 試驗原材料與方法

1.1 試驗原材料 原材料主要包括水泥、機制砂、碎石、水、復合摻合料、減水劑。水泥采用P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，機制砂由某高速公路修建過程中的廢棄巖石制成，細度模數約為3.4，其所含石粉含量偏高（15.9%）。機制砂相關技術指標參照GB/T 14684-2022 進行檢測。基于混凝土拌合物所用的模具尺寸為50×100，選取碎石粒徑為4.75～9.50mm。試驗所用復合摻合料是由粉煤灰分別與S95礦渣粉及磷渣粉按一定比例經球磨機磨制而成，主要分為FS 和FP 系列。本文中FS 系列由粉煤灰和S95 礦渣粉共同粉磨而成，包括FS40、FS55、FS70 三個種類，FP 由粉煤灰和磷渣粉共同粉磨而成，包括FP40、FP55、FP70 三個種類。FS 系列的三個種類具體指將粉煤灰與S95 礦渣粉分別按照0.40:0.60、0.55:0.45、0.70:0.30 的比例進行混合研磨，FP 系列的種類同理。減水劑采用粉劑的聚羧酸高性能減水劑，其減水率為35%，泌水率為29%，含氣量為4.0%。

1.2 試驗方法及配合比設計 機制砂混凝土配合比設計參考《機制砂高性能混凝土》及《普通混凝土配合比設計規程》來進行。設置基準配合比，基于此配合比設置實驗組。在基準配合比基礎上，通過控制水膠比不變，改變砂率，以及通過控制砂率及用水量不變，改變復合摻合料摻量占比來設置兩組對照組的配合比。具體配合比設計如表1 所示。

表1 配合比設計

混凝土試件24 小時脫模后，在溫度為20℃，濕度為95%的恒溫恒濕條件下養護28 天后進行單軸壓縮試驗及三軸壓縮試驗。試驗前試件兩端需進行打磨，以減小端面不平整帶來的誤差。

2 試驗結果討論

單軸壓縮試驗：

2.1 試驗程序

①啟動萬能試驗機及配套試驗軟件，以位移加載方式操控試驗機壓縮軸上升至合適高度后，在試件臺上安放試件，試件需居于試件臺中心（見圖1），以保證試件受壓時受力均勻。②以10mm/min 的位移加載速率使壓縮軸緩慢下降直至接近試件上端，繼而切換下降速率為1mm/min，直至壓縮軸完全接觸試件上端，當軟件顯示試件所受負荷上升時，切換0.5mm/min 的位移加載速率對試件進行單軸壓縮。③實時觀察試件壓縮情況，使用軟件對實驗數據和圖像進行記錄。

圖1 單軸壓縮試驗

2.2 單軸壓縮試驗結果

實驗組所用復合摻合料種類為FS40、FP40、FS55、FP55、FS70、FP70；對照組D-1、D-2 種類為FS40、FP40；對照組D-3、D-4 種類為FS55、FP55。各組單軸壓縮試驗數據見表2。

2.3 砂率對混凝土抗壓強度的影響

由圖2 和表2 中S-3、S-4、D-1、D-2 數據可知，在控制水膠比為0.39 不變，將砂率從0.42 調至0.39 時，FS55的單軸抗壓強度由48.3MPa 下降至44.2MPa，而FP55 的強度從40.9MPa 下降至36.1MPa。將砂率從0.42 調至0.39，提高了粗骨料碎石使用比例，但機制砂與碎石本身存在粒徑不規則的特點，由強度變化可知下調砂率一定程度上影響了機制砂填充碎石間隙的有效性，造成混凝土用料均勻性有所降低，使得對應試件的強度有所降低。試驗用機制砂石粉含量偏高，結合砂率的下降也會影響混凝土后期強度。

圖2 不同砂率下混凝土抗壓強度

2.4 摻合料占比對混凝土抗壓強度影響

在控制砂率、用水量及水膠比不變的情況下，將復合摻合料的摻入占比從8.8%調整至8%。結合表1 及表2 中S-1、S-2、D-3、D-4 組數據可知，摻合料占比為8%時，FS40 強度為39.3MPa，FP40 強度為34.9MPa，摻合料占比為8.8%時，FS40 強度上升至53.5MPa，而FP40 強度略微下降至30.4MPa。由圖3 可知，對于FS40 和FP40，改變復合摻合料的摻入占比對前者強度影響較大，對后者影響較小，但占比降低使得FP40 強度呈現上升趨勢。因此，對于復合摻合料來說，在一定占比下，使用粉煤灰與礦渣粉的混合研磨產物去替換混凝土用料中的部分水泥用量，能高效提升混凝土成品強度。

圖3 不同復合摻合料占比下混凝土抗壓強度變化

2.5 摻合料種類對混凝土抗壓強度影響

由圖4 可知，在其余條件一致，只改變復合摻合料種類的情況下，FS40、FS55、FP55 的強度比較高，均在40MPa以上，FP40、FS70、FP70 強度比較小。FS 系列中FS40 的強度最高，FP 系列中FP55 的強度最高，但整體來看FS 系列的強度普遍比FP 系列的要高。可見在一定研磨技術支持下，粉煤灰與礦渣粉、磷渣粉按相近比例混合研磨后摻入混凝土用料中，可有效提高摻合料的集料效應，改善混凝土的密實性及強度。

圖4 不同復合摻合料種類下混凝土抗壓強度變化

3 三軸壓縮試驗

3.1 試驗程序

①將應變儀安裝在試件上，按照規定將試件安放于三軸壓縮試驗艙內并安裝好實驗油管，確保油體能夠給予試件穩定的圍壓。②使用15mm/min 的位移加載速率使試驗艙上升至與壓縮機接觸，當試驗艙即將接觸到頂方壓縮機時，換成軸向負荷加載方式，加載速率設為30N/s，限值設為0.5kN，使試驗艙緩慢上升，直至試件受到0.5kN 的軸向負荷。③保持軸向負荷加載設置不變，在此基礎上調整圍壓參數，給予試件穩定的5MPa 圍壓，加載方式為圍壓負荷加載，速率設置為25kPa/s，限值設為5MPa，當圍壓穩定在5MPa 后即可軸向施壓。④選擇軸向負荷加載方式進行軸向施壓直至試件被破壞（見圖5），速率為0.1MPa/s，限值估計為單軸最大破壞荷載的2 倍。

圖5 試件裂縫特征

3.2 三軸壓縮試驗結果分析

結果顯示，FS40、FS55 及FP55 試件的強度分別為81.8MPa、63.0MPa 及68.3MPa，對應的5MPa 圍壓下彈性模量分別為40.324GPa、25.145GPa 及31.983GPa。圍壓5MPa 下試件應力應變曲線見圖6。

圖6 圍壓5MPa 應力應變曲線

由圖6 可知，FP55 的破壞變形較小，FS40 在保持應力峰值最高的情況下也能表現出較好的變形控制能力，在達到同樣應變值時，FS55 的應力是最小的。因此粉煤灰與磷渣粉混合研磨后摻入用料中，對于混凝土的變形控制效果要優于粉煤灰與礦粉的復合產品，但抗壓強度指標上FS40 較可觀。

4 結論

對于高石粉含量的機制砂混凝土，當原料中摻入復合摻合料種類為FS55 及FP55 時，宜選擇砂率為0.42 左右的配合比進行混凝土配制，一定程度上可提高所制機制砂混凝土抗壓強度。當原料中摻入復合摻合料種類為FS40及FP40 時，8.8%左右的摻合料占比比較適合由FS40 所制成的混凝土，而8%～8.8%的摻合料占比對FP40 所制成的混凝土強度影響差別較小。對于FS 系列，使用FS40 及FS55 為摻合料種類摻入原料中制成混凝土后，抗壓強度要比摻入FS70 這一類別的效果要高。對于FP 系列，摻入FP55 來制備混凝土更為合適，且FS 系列強度普遍比FP系列高。其次從三軸壓縮試驗來看，FS40、FS55、FP55 試件的強度都比較高，雖然FP55 抗壓強度不及FS40，但就變形指標而言FP55 比較可觀。當原料中摻入的復合摻合料種類選擇為FS40、FS55 及FP55 時，所制成高石粉含量機制砂混凝土能表現出較好的抗壓強度，再針對對應類別配以合適的砂率及摻合料占比，能進一步改善成品性能。