魯 莊

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410015)

機(jī)制砂作為一種替代天然砂的細(xì)集料，逐步在工程界得到廣泛運(yùn)用，但不同區(qū)域的機(jī)制砂物理力學(xué)性能不同，運(yùn)用其配置混凝土需進(jìn)行物理力學(xué)性能分析[1]。關(guān)于機(jī)制砂各項(xiàng)性能研究較多，一般研究者認(rèn)為，機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度略高于天然砂混凝土強(qiáng)度，主要原因是機(jī)制砂多棱角性能增加了水泥界面的咬合力[2]。陳濤等[3]分別采用機(jī)制砂混凝土和天然砂混凝土制備T梁，然后進(jìn)行彎曲加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明： 2種材料制成的T梁彎曲受力性能指標(biāo)均相差不大，力學(xué)行為也相似，但機(jī)制砂混凝土的延性、抗裂性較普通砂混凝土強(qiáng)，因此認(rèn)為可以采用機(jī)制砂混凝土代替普通砂混凝土。

機(jī)制砂成分較為復(fù)雜，石粉等含量較高，石粉組成部分影響機(jī)制砂的多種工作性能，尋求合適的石粉最佳含量，使得機(jī)制砂混凝土工作性能最佳是當(dāng)前研究機(jī)制砂的一個(gè)重要方面。薛曉芳等[4]重點(diǎn)對(duì)貴州地區(qū)C50機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的石粉含量如何影響混凝土工作性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：石粉含量適量時(shí)可以改善機(jī)制砂混凝土工作性能，但較多的石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透等性能有影響。總之，為需求最佳使用性能的機(jī)制砂種類及其配比組成，需針對(duì)性地進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)控制單一變量變化來(lái)尋求最優(yōu)性能的機(jī)制砂混凝土組合。

本文以天然砂、機(jī)制砂、水泥等為原材料，設(shè)置4組試驗(yàn)配比的機(jī)制砂混凝土，通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)，研究砂種類、石粉含量、礦物摻合料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度等的影響程度。

1 原材料

1.1 水泥

采用質(zhì)量穩(wěn)定性好、抗裂性能優(yōu)良的P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)值均滿足《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)要求值。

1.2 礦物摻合料

選擇的粉煤灰等級(jí)為II級(jí)，其技術(shù)性能指標(biāo)均滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)要求值。

礦渣粉為S95級(jí)，S95級(jí)礦渣粉技術(shù)性能指標(biāo)均滿足《水泥制品用礦渣粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JC/T2238—2014)要求值。

1.3 粗集料

采用5～16 mm及16～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石，按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE42—2015)確定粗集料物理性能，按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50—2011)確定其級(jí)配卵石篩分結(jié)果，具體指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

1.4 機(jī)制砂細(xì)集料

選用天然砂和原狀機(jī)制砂，2種砂的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)定要求。篩分試驗(yàn)結(jié)果均滿足級(jí)配曲線分區(qū)要求?；炷僚浜媳热绫?、表2所示。

表1 天然河砂配制的C50混凝土配合比(kg/m3)水泥天然河砂碎石水減水劑4787341 0741538.1

表2 機(jī)制砂配制的C50混凝土配合比(kg/m3)水泥機(jī)制砂碎石水減水劑4837661 0311599.3

1.5 外加劑

采用HXSX-A類高效減水劑，該類外加劑滿足機(jī)制砂混凝土的配置。

1.6 水

所涉及的水均采用自來(lái)水。綜合考慮各主控因素對(duì)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度和工作性的影響，選擇最佳配合比，其中水膠比為0.33、砂率為37.5%、礦物摻合料為4%、外加劑為1.2%。

2 機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1天然砂混凝土與機(jī)制砂混凝土試件抗壓強(qiáng)度離散性比較

分別配制含天然砂和機(jī)制砂的C50混凝土，比較其抗壓強(qiáng)度的離散性。

2.1.2不同材料含量對(duì)機(jī)制砂混凝土影響

研究砂種類、石粉含量、礦物摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，對(duì)比試驗(yàn)采用天然砂、原狀機(jī)制砂、水洗機(jī)制砂和石灰?guī)r機(jī)制砂4種試件，其中對(duì)水洗機(jī)制砂設(shè)置3種石粉含量(0.5%、3.5%、7.5%)、3種礦物摻合料含量(0、98、147 kg/m3),力學(xué)性能試驗(yàn)主要包括混凝土軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)組用配合比見(jiàn)表3所示。

表3 試驗(yàn)用配合比試驗(yàn)組編號(hào)砂類細(xì)度模數(shù)水膠比水泥/(kg·m-3)礦物摻合料/(kg·m-3)水/(kg·m-3)卵石/(kg·m-3)細(xì)集料/(kg·m-3)S1天然砂2.50.372991471651 143686 S2-1原狀機(jī)制砂S2 S2-2石灰?guī)r機(jī)制砂3.30.352621471601 139683 S2-3水洗機(jī)制砂S3水洗機(jī)制砂3.30.3545801601 139683S4水洗機(jī)制砂3.30.35360981651 143686 注:碎石5～16 mm和16～25 mm的摻加比例為4∶6。

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

2.2.1不同種類砂的抗壓強(qiáng)度值比較

選用天然河砂和機(jī)制砂配制的C50混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。求得天然砂標(biāo)準(zhǔn)差為1.2 MPa，變異系數(shù)為4.1；機(jī)制砂標(biāo)準(zhǔn)差為3.2 MPa，變異系數(shù)為6.9。

表4 天然河砂和機(jī)制砂配制的C50混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果類別以下編號(hào)混凝土抗壓強(qiáng)度/ MPa1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#天然砂61.3262.8361.7261.0660.2761.1361.5661.3561.0661.47機(jī)制砂62.1862.0659.9863.3660.3961.5663.2159.6562.9862.23

由表4可以看出，采用機(jī)制砂配制的C50混凝土抗壓強(qiáng)度明顯要高于天然砂配制的混凝土，機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度離散性較大，天然河砂混凝土的強(qiáng)度離散性較小。主要原因如下：

1)機(jī)制砂主要通過(guò)破碎巖石得到，破碎巖石質(zhì)地堅(jiān)硬，表面棱角分明，在漿體中粘結(jié)更加緊密。河砂主要成分是SiO2，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，而巖石的主要成分是CaCO3，與高濃度的Ca(OH)2會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，可以在一定程度上增強(qiáng)混合料的粘結(jié)力[6]。

2)在粉碎巖石的過(guò)程中，將產(chǎn)生部分粒徑小于75 μm的石粉，能夠進(jìn)一步填充混凝土的空隙，并會(huì)與漿體中的某些組分發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成的化學(xué)物質(zhì)能夠改善混凝土某些方面的性能。而河砂中75 μm以下的組成部分主要是泥土，泥土的存在對(duì)混凝土各項(xiàng)性能有非常嚴(yán)重影響。尤其是大體積混凝土施工，控制泥漿含量能夠有效防止因水化熱引起混凝土溫差過(guò)大而引起裂縫[7]。

3)受石粉含量和裂隙影響，相對(duì)于天然砂混凝土，機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度離散性較大，在施工中要注意攪拌均勻。這是由于天然河砂顆粒圓潤(rùn)且分級(jí)較均勻，混凝土的強(qiáng)度性能也較平均，在實(shí)際施工過(guò)程中，天然河砂混凝土的強(qiáng)度更容易控制[8]。

2.2.2混凝土軸心抗壓強(qiáng)度

混凝土軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照規(guī)范《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2016)，試驗(yàn)試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，換算系數(shù)為0.95，各組的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 各試驗(yàn)組混凝土各齡期軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)組編號(hào)以下齡期各試驗(yàn)組混凝土軸心抗壓強(qiáng)度/MPa7 d28 d60 d90 d120 dS133.646.450.150.349.5S2-144.660.968.671.172.7S2-239.456.361.762.464.4S2-345.762.670.775.276.3S347.865.773.672.473.1S447.365.173.074.074.7

2.2.3混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照規(guī)范《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2016)，各組的試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 各試驗(yàn)組混凝土各齡期立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)組編號(hào)以下齡期各試驗(yàn)組混凝土立方體抗壓強(qiáng)度/MPa3 d7 d28 d60 d90 d120 d180 d365 dS138.350.364.468.169.469.571.172.4S2-144.457.671.776.981.784.185.688.0S2-242.053.666.872.776.880.882.288.3S2-348.560.774.979838686.889.4S350.762..678.181.583.584.885.787.4S448.251.676.284.386.488.390.892.9

2.3 影響因素分析

2.3.1砂種類對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響

本次抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中各組試件的具體配合比如表3所示，得到立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 天然砂與機(jī)制砂混凝土不同齡期的立方體抗壓強(qiáng)度

圖2 天然砂與機(jī)制砂混凝土不同齡期的軸心抗壓強(qiáng)度

由圖1可知，各組天然砂混凝土S1試件的各齡期立方體抗壓強(qiáng)度值明顯要低于機(jī)制砂混凝土S2，齡期越大，其立方體抗壓強(qiáng)度差值越大。S2-1和S2-2的120 、180、365 d立方體抗壓強(qiáng)度較28 d分別增加了18.9%、21.1%、24.6%和16.4%、17.5%、21.0%。石灰?guī)r機(jī)制砂S2-2各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度均小于原狀機(jī)制砂S2-1和水洗機(jī)制砂 S2-3，且S2-2在28 d后的強(qiáng)度發(fā)展速率也較S2-3低。由圖2可知，天然砂混凝土試件的各齡期軸心抗壓強(qiáng)度值明顯要低于機(jī)制砂混凝土，石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土S2-2各齡期的軸心抗壓強(qiáng)度值均小于原狀機(jī)制砂混凝土S2-1和水洗機(jī)制砂混凝土S2-3。

綜上可知，機(jī)制砂抗壓強(qiáng)度均高于天然砂，而石灰?guī)r機(jī)制砂抗壓強(qiáng)度均低于原狀及水洗機(jī)制砂。

2.3.2石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

以S2-3試驗(yàn)組為對(duì)象，進(jìn)行0.5%、3.5%、7.5%這3種不同石粉含量下所軸心抗壓及立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果及強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)如圖3、圖4所示，通過(guò)計(jì)算得到混凝土各齡期軸心抗壓強(qiáng)度與立方體的抗壓強(qiáng)度比值如圖5所示，由圖3、圖4可知，隨著石粉含量增加，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度值和軸心抗壓強(qiáng)度值也隨之變大，石粉含量從0.5%增加到3.5%，混凝土各齡期強(qiáng)度增加值比從3.5%增加到7.5%更大，考慮到機(jī)制砂混凝土中石粉含量超過(guò)10%時(shí)其立方體抗壓強(qiáng)度會(huì)下降[5]，可以認(rèn)為合理的石粉含量能有效地提高混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度。

圖3 不同石粉含量的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

圖4 不同石粉含量的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度

圖5 各齡期軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度比值

由圖5可知，當(dāng)石粉摻加量達(dá)到一定極限時(shí)，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度降低的同時(shí)，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度比值fc/fcu也會(huì)出現(xiàn)下降的變化趨勢(shì)，但是仍然滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

2.3.3礦物摻合料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

基于不同礦物摻合料含量的混凝土各齡期立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。

由圖6可知，S3混凝土的早期立方體抗壓強(qiáng)度值較S2-3和S4大，隨著齡期增加，3種混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的差值變小，180 d齡期后S2-3和S4混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度均高于S3混凝土，可認(rèn)為礦物摻合料可以提高混凝土的長(zhǎng)期立方體抗壓強(qiáng)度。由圖7可知，在齡期90 d之前，S3混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度值較S2-3和S4大，同樣礦物摻合料可以提高混凝土的長(zhǎng)期軸心抗壓強(qiáng)度。

圖6 礦物摻合料對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響

圖7 礦物摻合料對(duì)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響

3 小結(jié)

1)采用機(jī)制砂配制的C50混凝土抗壓強(qiáng)度明顯要高于天然砂配制的混凝土，機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度離散性較天然河砂混凝土大。

2)天然砂混凝土試件的各齡期軸心抗壓強(qiáng)度值明顯低于機(jī)制砂混凝土，石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的各齡期軸心抗壓強(qiáng)度值均小于原狀機(jī)制砂混凝土。石灰?guī)r機(jī)制砂各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度均小于水洗機(jī)制砂，且石灰?guī)r機(jī)制砂在28 d后的強(qiáng)度發(fā)展速率也較水洗機(jī)制砂低。

3)合理的石粉含量能有效提高混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度。當(dāng)石粉摻加量超過(guò)一定數(shù)值后，混凝土抗壓強(qiáng)度降低的同時(shí)，軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度比值fc/fcu也會(huì)出現(xiàn)下降的變化趨勢(shì)，但是仍然滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4) 礦物摻合料可以提高混凝土的長(zhǎng)期立方體抗壓強(qiáng)度及軸心抗壓強(qiáng)度。