高玉琴，何紫昕，宋 力

（1.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州450003；2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州450003；3.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450045）

塑性混凝土是一種以膨潤土或黏土替代部分水泥的新型柔性材料，具有低彈性模量、變形性能強(qiáng)、抗?jié)B性高的特點(diǎn)［1］。因其良好的抗?jié)B性、耐久性、變形適應(yīng)性以及節(jié)省工程造價等特點(diǎn)，使塑性混凝土逐漸成為一種新型材料，在工程中的應(yīng)用越來越廣泛。目前，工程上一般仍以不同摻量的膨潤土、水泥、河砂、石子等通過摻配制成塑性混凝土［2-4］，但嚴(yán)格意義上說，塑性混凝土的原材料并不固定，往往是根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境因地制宜，配制滿足工程需要的塑性混凝土，如三峽大壩的塑性混凝土防滲墻圍堰［5］，其選擇風(fēng)化花崗巖棄料代替膨潤土和河砂。隨著我國水利基礎(chǔ)設(shè)施及一些大型水利工程的建設(shè)，對河砂的需求逐漸增大，但河砂的產(chǎn)量逐步下降且價格越來越貴，在成本控制壓力下，急需找到河砂的替代品［6］。目前，由于大多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)能力有限，產(chǎn)品質(zhì)量較差［7］，市面上銷售的機(jī)制砂普遍含泥量偏高，導(dǎo)致配制的普通混凝土出現(xiàn)拌合物流動性下降、混凝土干縮性差、強(qiáng)度低等問題，因此大多數(shù)低質(zhì)量機(jī)制砂只用于村鎮(zhèn)的私人民用建筑。塑性混凝土中的膨潤土，主要礦物成分是一種具有良好吸附性的細(xì)粒［8-9］，它是使塑性混凝土具有低彈性模量、低強(qiáng)度特性的根源，其性質(zhì)類似機(jī)制砂成分中的泥粉，如用機(jī)制砂代替部分河砂，將如何影響塑性混凝土各項(xiàng)性能需進(jìn)一步研究。筆者通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究不同摻率情況下機(jī)制砂塑性混凝土的力學(xué)性能和拌合物工作性能，初步探索機(jī)制砂替代河砂的可行性。

在試驗(yàn)過程中，由于機(jī)制砂摻率增大，塑性混凝土拌合物塌落度下降，因此筆者在加大機(jī)制砂摻量的同時添加附加水，控制塑性混凝土的塌落度穩(wěn)定在220～230 mm，以此和不添加附加水情況進(jìn)行對比。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

室內(nèi)試驗(yàn)用到的主要原材料有：①水泥，采用中國建筑材料科學(xué)研究總院生產(chǎn)的強(qiáng)度等級為42.5的袋裝基準(zhǔn)水泥；②膨潤土，采用鄭州金之福公司銷售的河南信陽鈉基膨潤土，其目數(shù)為200～400目；③河砂（RS）和機(jī)制砂（MS），其具體參數(shù)見表1和表2；④粗骨料，采用粒徑為5～20 mm的連續(xù)級配碎石；⑤減水劑，采用河南省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的聚羧酸型減水劑，摻量為1%。

表1 河砂和機(jī)制砂的性能參數(shù)

表2 河砂和機(jī)制砂顆粒級配累計(jì)篩余 %

1.2 試驗(yàn)方法

塑性混凝土的單軸試驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50080—2002）和《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T5150—2001），分別進(jìn)行拌合物流動性測量和塑性混凝土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)參考王四巍［10］推薦的方法進(jìn)行，主要分為添加附加水和不添加附加水兩類，附加水添加量以塑性混凝土拌合物塌落度達(dá)到220 mm為準(zhǔn)。不添加附加水時，按機(jī)制砂的摻率（0%、20%、50%、70%、100%）不同，配合比分別為M-0%、M-20%、M-50%、M-70%、M-100%；添加附加水后，根據(jù)機(jī)制砂的摻率（20%、50%、70%、100%）不同，配合比分別為 AM-20%、AM-50%、AM-70%、AM-100%。試驗(yàn)材料配合比及拌合物塌落度見表3。

每個配合比制作3個150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件進(jìn)行平行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，取其算術(shù)平均值作為試驗(yàn)測得的力學(xué)指標(biāo)。

塑性混凝土試樣制作采用人工攪拌，投料順序?yàn)樯?、石、水泥、膨潤土、水、減水劑。在砂、石、水泥、膨潤土投完后干攪30 s，然后注入二分之一的水量攪拌90 s，之后注入拌合均勻的剩余水和減水劑，再濕拌60 s，保證攪拌時沒有團(tuán)狀體出現(xiàn)。澆注之前測量塑性混凝土拌合物塌落度，澆注后運(yùn)至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室靜置48 h后拆模，養(yǎng)護(hù)28 d后開始試驗(yàn)。

單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)儀器采用改裝后的動靜三軸試驗(yàn)機(jī)，加裝加壓面和傳力柱底座，滿足試驗(yàn)要求。設(shè)置加載速率為0.05 MPa/s。光柵位移傳感器設(shè)置在壓板的上端，采用全標(biāo)距法采集應(yīng)力應(yīng)變試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 塑性混凝土配合比及塌落度

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 機(jī)制砂摻率對塑性混凝土拌合物流動性的影響

由表3可知，不添加附加水時，隨機(jī)制砂摻率的增大，塑性混凝土拌合物的塌落度呈下降趨勢，當(dāng)機(jī)制砂摻率分別為20%、50%、70%、100%時，其拌合物塌落度較0%摻率時降低率分別為4.3%、13.0%、17.4%、28.3%。

塌落度下降的原因是因?yàn)闄C(jī)制砂的細(xì)顆粒中泥粉含量高，劉戰(zhàn)鰲等［11］研究表明，泥粉主要由膨脹型黏土礦物組成，表面疏松多孔，能吸附水泥漿中的水分子，使能起流動作用的水分子減少，造成塑性混凝土拌合物塌落度下降。

事實(shí)上，砂的常用檢測項(xiàng)目中并不包括泥粉含量，僅有含泥量檢測。機(jī)制砂的含泥量是指小于0.08 mm的細(xì)小顆粒含量，包括泥粉和石粉，石粉近似于粉煤灰，屬于惰性微集料，具有微集料效應(yīng)［12］，并不會影響拌和物的流動性［13］。

本試驗(yàn)機(jī)制砂中泥粉的含量遠(yuǎn)高于河砂中的含量，根據(jù)李北星等［14］的研究成果，機(jī)制砂亞甲藍(lán)檢測值和其石粉及泥粉含量呈線性關(guān)系，而增加5%的石粉含量只能增加0.05的亞甲藍(lán)值。假設(shè)黏土影響的亞甲藍(lán)值為0.80，泥粉含量和亞甲藍(lán)關(guān)系式為y＝0.108 9x+0.337 5，泥粉含量為4.24%。按4.24%對應(yīng)的泥粉含量換算后，AM-20%、AM-50%、AM-70%、AM-100%對應(yīng)的泥粉含量分別為6.61、16.53、23.15、33.07 kg/m3。取橫坐標(biāo)為泥粉含量，縱坐標(biāo)為附加水量，繪制二者關(guān)系曲線，如圖1所示。可知，泥粉含量和附加用水量呈線性關(guān)系，附加水添加量和泥粉含量的推薦公式為

式中：W0為附加水量；S為泥粉含量；K為比例系數(shù)，由機(jī)制砂的泥粉種類確定，本次試驗(yàn)機(jī)制砂和附加水的比例系數(shù)為1.962。

圖1 泥粉含量與附加水用量的關(guān)系

2.2 機(jī)制砂摻率對塑性混凝土峰值應(yīng)力的影響

不同摻率下機(jī)制砂塑性混凝土峰值應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果見表4。機(jī)制砂摻率與峰值應(yīng)力關(guān)系如圖2所示，不添加附加水時，不同摻率的機(jī)制砂塑性混凝土峰值應(yīng)力變化相對不明顯，隨著機(jī)制砂摻率的增加，塑性混凝土峰值應(yīng)力呈小幅度變化。其變化大體趨勢為先增加，后減少，在機(jī)制砂摻率為20%時取得最大值，峰值應(yīng)力相比不摻入機(jī)制砂的對照組增長2.6%?？梢?，雖然機(jī)制砂內(nèi)的黏土吸附水導(dǎo)致塑性混凝土拌合物流動性下降，但并未對塑性混凝土強(qiáng)度造成足夠大的影響。由此可認(rèn)為，機(jī)制砂黏土細(xì)顆粒吸附的水分未影響膨潤土及水泥參與水化反應(yīng)［15］。

表4 不同摻率下機(jī)制砂塑性混凝土峰值應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

圖2 機(jī)制砂摻率與峰值應(yīng)力關(guān)系

本次試驗(yàn)機(jī)制砂摻率為20%時，塑性混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生小幅度上升的情況，與何盛東等［16］對不同替代率下高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土進(jìn)行研究時觀察到的現(xiàn)象相近：機(jī)制砂與天然砂的比例存在一個最佳值，原因可能與機(jī)制砂級配有關(guān)，機(jī)制砂和河砂雖同屬于級配Ⅱ區(qū)，但河砂中大顆粒和細(xì)顆粒含量比機(jī)制砂少很多，而機(jī)制砂中則缺少適中大小的顆粒，在兩者相互結(jié)合至機(jī)制砂摻率約為20%時，達(dá)到了最優(yōu)配比，減少了塑性混凝土水化作用時多余孔隙的生成，增強(qiáng)了抗壓強(qiáng)度。

添加附加水后，塑性混凝土的峰值應(yīng)力隨機(jī)制砂摻率上升而總體下降。在機(jī)制砂摻率為100%時，塑性混凝土峰值應(yīng)力下降約44.9%。原因在于：添加的附加水僅起了增加拌合物和易性的作用，超過膠凝材料水化反應(yīng)所需的用水量，使得多余的水量在養(yǎng)護(hù)過程中上升到塑性混凝土表面而產(chǎn)生孔隙，降低其抗壓強(qiáng)度，并伴有泌水現(xiàn)象。

2.3 機(jī)制砂摻率對塑性混凝土峰值應(yīng)力對應(yīng)應(yīng)變的影響

不同摻率下機(jī)制砂塑性混凝土峰值應(yīng)力對應(yīng)應(yīng)變的試驗(yàn)結(jié)果見表4。機(jī)制砂摻率與峰值應(yīng)變關(guān)系如圖3所示，不添加附加水時，塑性混凝土峰值應(yīng)力對應(yīng)應(yīng)變隨機(jī)制砂摻率增大并無明顯改變；當(dāng)添加附加水后，在機(jī)制砂摻率小于70%時，塑性混凝土峰值應(yīng)力對應(yīng)應(yīng)變隨摻率增大呈現(xiàn)小幅度增大趨勢，在機(jī)制砂摻率達(dá)到100%時，峰值應(yīng)力對應(yīng)應(yīng)變快速增加到最大值，增幅約為20%。

2.4 機(jī)制砂摻率對塑性混凝土彈性模量的影響

參考王四巍等［17］、李清富等［18］、宋力等［19］的研究成果，觀察本次試驗(yàn)試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)，選擇采用0.6、0.8倍峰值應(yīng)力對應(yīng)的彈性模量計(jì)算區(qū)間。計(jì)算結(jié)果表明，選取的彈性模量計(jì)算區(qū)間使本次試驗(yàn)試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本處于峰值前近似直線段，最終采用彈性模量計(jì)算公式為

圖3 機(jī)制砂摻率與峰值應(yīng)變關(guān)系

式中：σ0.8、σ0.6分別為 0.8倍和 0.6倍峰值應(yīng)力；ε0.8、ε0.6分別為0.8倍和0.6倍峰值應(yīng)力對應(yīng)應(yīng)變。

不同摻率下機(jī)制砂塑性混凝土彈性模量的試驗(yàn)結(jié)果見表4。添加附加水對塑性混凝土彈性模量的影響大于機(jī)制砂摻率的改變。不添加附加水時，機(jī)制砂摻率增減對彈性模量的影響無明顯規(guī)律，總體上看，隨機(jī)制砂摻率的改變，彈性模量在700～1 230 MPa之間浮動；若添加附加水，除機(jī)制砂摻率50%情況外，彈性模量隨機(jī)制砂摻率增大而減小，當(dāng)機(jī)制砂摻率為100%時彈性模量減小到最小值，最大降幅45%。

2.5 機(jī)制砂摻率對塑性混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

塑性混凝土應(yīng)力應(yīng)變一般曲線如圖4所示，定義彈性變形AB段的A點(diǎn)為峰值前反彎點(diǎn)，A點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力為峰值應(yīng)力的5%～15%，峰值后反彎點(diǎn)為D［20］。

圖4 塑性混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系示意

不添加附加水時，機(jī)制砂摻率對塑性混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線無明顯的影響。添加附加水后，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖5所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在添加附加水后峰值前反彎點(diǎn)A對應(yīng)的應(yīng)變隨機(jī)制砂摻率增大而稍微增大，且在機(jī)制砂摻率達(dá)到100%時表現(xiàn)得最明顯。初始加載段OA過后，其峰值前反彎點(diǎn)A向后偏移，使得峰值應(yīng)變也因此變大。峰值后其應(yīng)力下降速率隨機(jī)制砂摻率增大而變小，在圖中則表現(xiàn)為曲線下降放緩。添加附加水后，水膠比的增大導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙率增大，而OA段由于骨料沉降及混凝土泌水、干縮等原因產(chǎn)生了初始裂隙，因此在試樣受壓后裂隙閉合產(chǎn)生變形。初始孔隙率的提高及泌水增多一定程度上影響了初始裂隙的生成，因而提高了峰值前反彎點(diǎn)對應(yīng)的峰值應(yīng)變。

圖5 添加附加水后應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

在添加附加水后，峰值后反彎點(diǎn)D所對應(yīng)的峰值應(yīng)變急劇增加，在機(jī)制砂摻率為100%時，對應(yīng)應(yīng)變增加幅度達(dá)到最大值200%。由于添加附加水后的塑性混凝土本身孔隙率較大，骨料表面過渡區(qū)的水泥漿體強(qiáng)度低，而峰值后試塊在CD段形成貫穿裂縫時，在微觀層面上破壞界面過渡區(qū)的水泥漿體則更容易，因此在相同荷載情況下產(chǎn)生較大的變形。D點(diǎn)之后試樣的強(qiáng)度主要由破裂試塊間的摩擦力或未破裂的較大局部部位承擔(dān)，因而其曲線就趨向于重合。

3 結(jié) 論

（1）隨著機(jī)制砂摻率的增大，塑性混凝土拌合物的流動性下降。根據(jù)機(jī)制砂的泥粉含量和黏土類型可計(jì)算出附加水的用量，拌合物添加附加水后可達(dá)到和普通塑性混凝土一樣的工作性能，但會造成拌合物黏聚性下降、泌水等問題。

（2）不添加附加水的情況下，機(jī)制砂摻率的增減對塑性混凝土的強(qiáng)度并無明顯影響；添加附加水后，僅改善了拌合物工作性能，多余的水并不參與水化反應(yīng)，反而產(chǎn)生了大量孔隙導(dǎo)致塑性混凝土強(qiáng)度降低。

（3）不添加附加水的情況下，隨機(jī)制砂的摻率不同，峰值應(yīng)變、彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變曲線等無明顯變化；添加附加水后，隨機(jī)制砂摻率的增加，附加水增多，等同于增大了水膠比，塑性混凝土峰值應(yīng)變增大，彈性模量減小，應(yīng)力應(yīng)變曲線上升段和下降段均產(chǎn)生放緩的趨勢。

（4）就機(jī)制砂替代塑性混凝土中的普通河砂的可行性來說：如對拌合物流動性要求不嚴(yán)格，控制機(jī)制砂摻率為70%及以上為好，塑性混凝土拌合物的工作性能下降較小，而應(yīng)力應(yīng)變性能與普通塑性混凝土幾乎一樣；若對拌合物流動性要求高，可根據(jù)公式添加附加水，同時根據(jù)需要調(diào)整配合比，得以在應(yīng)力應(yīng)變性能變化的情況下得到工程要求范圍內(nèi)的塑性混凝土。