黃京勝，宋少民＊，嚴(yán)章國

（1. 北京建筑大學(xué)，建筑結(jié)構(gòu)與環(huán)境修復(fù)功能材料北京市重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100044；2. 中國水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽 550008）

0 引言

混凝土作為主要的結(jié)構(gòu)工程材料，是土木工程材料的主體。隨著國家建筑、橋梁、鐵路的高速發(fā)展，每年混凝土用量近 80 億立方米。與此同時(shí)，許多地區(qū)優(yōu)質(zhì)河砂資源也正在面臨逐漸枯竭的窘境，機(jī)制砂已經(jīng)替代成為建筑用砂的主力砂源。但機(jī)制砂的品質(zhì)差異很大，人們對(duì)于機(jī)制砂概念的理解也不夠清晰，行業(yè)內(nèi)存在把石屑混同于機(jī)制砂的情況；機(jī)制砂的標(biāo)準(zhǔn)也并不相同，許多廠家甚至把石屑當(dāng)作機(jī)制砂供應(yīng)和應(yīng)用。由此造成的機(jī)制砂對(duì)混凝土各方面性能影響也存在誤區(qū)，在混凝土中的應(yīng)用也令人擔(dān)憂。宋少民等人[1,2]研究了機(jī)制砂巖性對(duì)混凝土性能的影響；吳明威等人[3]也對(duì)人工砂石粉在混凝土中的應(yīng)用做了相關(guān)研究。當(dāng)前機(jī)制砂在建筑、橋梁、鐵路等多個(gè)方向的應(yīng)用均取得了比較好的效果[4-5]。其實(shí)與河砂相比，機(jī)制砂是通過機(jī)械和特定工藝加工的產(chǎn)品，可根據(jù)不同需求生產(chǎn)不同粗細(xì)和級(jí)配，并且由于機(jī)制砂的表面棱角性更強(qiáng)，致使機(jī)制砂與水泥漿體的粘結(jié)力更強(qiáng)[6]。河砂在同條件下配制的混凝土的強(qiáng)度往往低于機(jī)制砂混凝土。設(shè)備和工藝不同、巖石母巖巖性不同、母巖表面吸附有害物質(zhì)含量不同，機(jī)制砂品質(zhì)也不相同，許多機(jī)制砂加工廠對(duì)所生產(chǎn)的機(jī)制砂級(jí)配、石粉含量、片狀顆粒含量等指標(biāo)并不能進(jìn)行有效地控制[7-8]。

本文選取了部分機(jī)制砂針對(duì) C45 大流動(dòng)性混凝土（參考 JGJ 55—2011 術(shù)語中規(guī)定[9]：拌合物坍落度不低于 160mm 的混凝土為大流動(dòng)性混凝土）進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，通過改變機(jī)制砂的單一變量，包括機(jī)制砂級(jí)配、石粉含量、片狀顆粒含量等指標(biāo)，研究機(jī)制砂品質(zhì)的改變對(duì)混凝土和易性與抗壓強(qiáng)度的影響。

1 原材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

（1）水泥：采用北京金隅水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5 水泥，水泥具體性能指標(biāo)[10]如表 1 所示。

（2）粉煤灰：采用北京敬業(yè)達(dá)公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，其主要性能指標(biāo)[11]見表 2。

（3）粗骨料：采用北京榆構(gòu)有限公司公司的石灰?guī)r石子，石子粒徑為 5～20mm 連續(xù)級(jí)配。粗骨料的性能指標(biāo)見表 3。

（4）細(xì)骨料：采用安順市平壩區(qū)遠(yuǎn)達(dá)建材有限公司生產(chǎn)的石灰?guī)r機(jī)制砂，機(jī)制砂具體性能指標(biāo)見表 4。

（5）外加劑：減水劑采用北京市高強(qiáng)混凝土有限責(zé)任公司提供的聚羧酸減水劑，具體性能指標(biāo)[12-13]見表5。

表 1 水泥物理性能指標(biāo)

表 2 粉煤灰主要性能指標(biāo)

表 3 粗骨料性能指標(biāo)

表 4 細(xì)骨料性能指標(biāo)

表 5 混凝土外加劑性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）本試驗(yàn)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C45，具體配合比見表 6[9]。

表 6 C45 混凝土試驗(yàn)配合比 kg/m3

（2）坍落度、擴(kuò)展度試驗(yàn)參照 GB/ T50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行[14]；試驗(yàn)參照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)[15]。

（3）文中“比粒度”的概念由北京市建筑工程研究院的傅沛興[16]提出，宋少民完善了比粒度的定義和計(jì)算方法，見 CBMF 38—2018 T/CAATB 001—2018《高性能混凝土用骨料》[17]；機(jī)制砂片狀顆粒含量的定義見行標(biāo) JG/T 568—2019《高性能混凝土用骨料》[18]。

（3）試驗(yàn)中砂石骨料均經(jīng)過烘箱烘干，含水率均低于 0.2%。本試驗(yàn)采用單因素分析方法，X 組為機(jī)制砂級(jí)配組，其中 X1 為機(jī)制砂原有級(jí)配，不改變機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)，通過降低 0.6mm、0.3mm 粒徑顆粒，提升其他粒徑機(jī)制砂的方式使原有機(jī)制砂級(jí)配逐漸形成“兩頭大、中間小”的情況，并觀察混凝土和易性與抗壓強(qiáng)度隨機(jī)制砂級(jí)配變化而變化的相關(guān)趨勢，其中石粉含量和片狀顆粒含量均為 0%。B 組為機(jī)制砂石粉含量組，含量主要選取 0%、5%、10%、15%、20% 五組進(jìn)行混凝土的和易性與抗壓強(qiáng)度的探究；與此同時(shí)盡可能保持石粉組級(jí)配相似，片狀顆粒含量與 X1 組同樣為0%。C 組為機(jī)制砂片狀顆粒含量組，選取含量為 0%、10%、20%、30% 的片狀顆粒進(jìn)行試驗(yàn)，級(jí)配為原砂級(jí)配，石粉含量為 0%。機(jī)制砂的具體級(jí)配如表 7 所示。

表 7 機(jī)制砂試驗(yàn)級(jí)配

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 機(jī)制砂級(jí)配對(duì)混凝土性能的影響

本試驗(yàn)通過固定減水劑用量和單方混凝土用水量的方式觀察機(jī)制砂級(jí)配的變化對(duì)混凝土和易性和耐久性的影響，其中石粉含量控制在 0%，片狀顆粒含量也為0%。具體情況如表 8 和圖 1、2 所示。

表 8 機(jī)制砂試驗(yàn)級(jí)配各組混凝土性能數(shù)據(jù)

圖 1 機(jī)制砂級(jí)配對(duì)混凝土和易性的影響

圖 2 機(jī)制砂級(jí)配對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響

從表 8 和圖 1、2 中可以看出，在原砂級(jí)配基礎(chǔ)上，隨著機(jī)制砂中 0.6mm、0.3mm 粒徑顆粒從多到少的級(jí)配變化，X1 組機(jī)制砂級(jí)配 0.3mm 和 0.6mm 顆粒分計(jì)篩余過高，混凝土有輕微泌水情況；當(dāng) 0.6mm 與0.3mm 顆粒砂總占機(jī)制砂比例 30%～60% 時(shí)（X2～X4），混凝土拌合物狀態(tài)良好，尤其是 X3 機(jī)制砂級(jí)配符合 CMBF 38—2018 T/CAATB 001—2018《高性能混凝土用骨料》Ⅱ級(jí)要求，和易性最好；隨著 0.6mm 和0.3mm 砂總占比的進(jìn)一步減小，混凝土開始出現(xiàn)離析和泌水的現(xiàn)象，這表明合理的級(jí)配有利于混凝土的和易性，“兩頭大、中間小”的粒徑分布存在較嚴(yán)重的粒徑缺失問題，不能有效填充混凝土的空隙，導(dǎo)致混凝土的黏聚性、保水性較差。觀察混凝土的抗壓強(qiáng)度變化可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂級(jí)配好的 X3、X4 組和易性最好，混凝土強(qiáng)度也最高；X5、X6 組和易性不好，抗壓強(qiáng)度也最低，這表明，級(jí)配合理的機(jī)制砂級(jí)配有利于混凝土和易性和抗壓強(qiáng)度；X1、X2 組相較于 X3、X4 組，1.18mm粒徑以上機(jī)制砂過低，對(duì)混凝土和易性和抗壓強(qiáng)度有一定影響，但不顯著；X5、X6 組相較于 X3、X4 組，0.6mm 及 0.3mm 粒徑機(jī)制砂總占比低于 30%，1.18mm以上顆粒含量大于 35%，對(duì)混凝土和易性與抗壓強(qiáng)度存在顯著影響。這表明級(jí)配不合理的機(jī)制砂對(duì)混凝土和易性和抗壓強(qiáng)度都有不利影響，因此保證機(jī)制砂級(jí)配的合理性至關(guān)重要。

2.2 機(jī)制砂不同石粉含量對(duì)混凝土性能的影響

石粉含量組級(jí)配如表 9 所示，片狀顆粒含量為0%，減水劑用量不變，不同機(jī)制砂石粉含量混凝土坍落度、擴(kuò)展度及抗壓強(qiáng)度值及其變化規(guī)律見表 10 和圖3、4。由表 10 和圖 3、4 可以看出，石粉含量在 5%～10% 時(shí)混凝土和易性最好，強(qiáng)度也相對(duì)較高。B1、B4和 B5 組混凝土出現(xiàn)了離析或泌水現(xiàn)象，強(qiáng)度也相對(duì)較低，最終試驗(yàn)表明，不含石粉或石粉含量過高都并不有利于混凝土工作性與抗壓強(qiáng)度。適宜的石粉不僅能夠發(fā)揮其粒級(jí)優(yōu)勢對(duì)混凝土中的空隙進(jìn)行填充，有利于混凝土拌合物和易性，還可以提高混凝土的勻質(zhì)性，有利于混凝土性能發(fā)展。

表 9 機(jī)制砂試驗(yàn)級(jí)配

表 10 機(jī)制砂不同石粉含量混凝土性能數(shù)據(jù)

2.3 機(jī)制砂片狀顆粒含量混凝土性能的影響

圖 3 機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土和易性的影響

圖 4 機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖 5 片狀顆粒含量組混凝土坍落度與擴(kuò)展度

圖 6 片狀顆粒含量組混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

C1、C2 和 C3 組（片狀顆粒含量組）的石粉含量和級(jí)配均與 X1 組相同，由于 X1 組 1.18mm 以上粒徑機(jī)制砂不足 30%，故通過調(diào)整級(jí)配使 C4 組（級(jí)配見表 11）片狀顆粒含量能夠符合要求，片狀顆粒含量的定義與操作方法見 JG/T 568—2019《高性能混凝土用骨料》，具體情況如表 12 和圖 5、6 所示。

表 11 機(jī)制砂試驗(yàn)級(jí)配

表 12 片狀顆粒含量對(duì)混凝土性能的影響

如表 12 和圖 5、6 所示，機(jī)制砂片狀顆粒越多，混凝土工作性與抗壓強(qiáng)度越差。試驗(yàn)表明，片狀顆粒含量不利于混凝土流動(dòng)性與抗壓強(qiáng)度，并且含量越多，影響越明顯。由于機(jī)制砂片狀顆粒的形狀差、不規(guī)則，內(nèi)阻力大，也就會(huì)加大對(duì)漿體的需求量，如不增大漿體用量，會(huì)導(dǎo)致混凝土和易性不良，抗壓強(qiáng)度也有所較低。

3 結(jié)論

（1）“兩頭大、中間小”的機(jī)制砂級(jí)配對(duì)混凝土工作性和抗壓強(qiáng)度都會(huì)有顯著影響，機(jī)制砂 0.3mm 和0.6mm 顆粒分計(jì)篩余之和在 30%～60%，對(duì)于混凝土的和易性和強(qiáng)度保證是有利的。

（2）亞甲藍(lán)值較低的前提下，5%～10% 機(jī)制砂石粉有利于混凝土和易性與抗壓強(qiáng)度，C45 混凝土機(jī)制砂石粉含量宜為 10% 左右。

（3）機(jī)制砂片狀顆粒含量高不利于混凝土和易性與抗壓強(qiáng)度發(fā)展；對(duì)于 C45 混凝土，機(jī)制砂片狀顆粒含量不宜超過 10%。