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?？傊?，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)，通過控制單一變量變化來尋求最優(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fc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fcu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。