孟召輝

(盤(pán)錦河海土木工程咨詢(xún)有限公司，遼寧 盤(pán)錦 124200)

隨著城市化建設(shè)的快速推進(jìn)，工程建設(shè)對(duì)天然砂的需求矛盾日趨激烈，機(jī)制砂作為一種替代材料應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸成為混凝土配置的主要方式。機(jī)制砂混凝土具有生產(chǎn)簡(jiǎn)便、價(jià)格優(yōu)惠、綜合運(yùn)用性好等優(yōu)勢(shì)，在許多工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。然而，對(duì)高性能混凝土配置利用機(jī)制砂仍存在許多不足，如相對(duì)于普通河砂的力學(xué)性能在特殊結(jié)構(gòu)上機(jī)制砂的工作狀態(tài)還存在缺陷[2]。為了充分利用機(jī)制砂，必須優(yōu)化配合比改善其性質(zhì)，通過(guò)摻入其他材料調(diào)配出適應(yīng)性強(qiáng)、力學(xué)性能好的機(jī)制砂混凝土。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)研究人員都致力于機(jī)制砂混凝土的抗?jié)B性、抗凍性等方面研究，并取得了豐碩的研究成果，但現(xiàn)有研究對(duì)于這兩種性能尚存在一定爭(zhēng)議，如趙靜等[3]探討了普通砂、機(jī)制砂等配制的混凝土抗碳化、抗?jié)B、抗凍等耐久性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂優(yōu)于天然砂，機(jī)制砂混凝土的耐久性指標(biāo)受機(jī)制砂石粉的影響較低，在C50混凝土中可以摻入含7%石粉含量的機(jī)制砂。實(shí)踐表明，諸多不利因素均可在一定程度上影響機(jī)制砂混凝土的耐久性，如有害液體侵入或雨水侵蝕等都會(huì)降低耐久性。機(jī)制砂的適用范圍廣泛，特別是對(duì)大體積混凝土具有較好適用性，為獲取更加實(shí)用的操作規(guī)范和更為有效的研究成果有必要開(kāi)展耐久性研究[4-5]。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料準(zhǔn)備

1)水泥。試驗(yàn)所用P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其抗裂性能優(yōu)良、質(zhì)量穩(wěn)定性好且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

2)礦物摻合料。將礦物摻合料加入機(jī)制砂混凝土中，可以減少水泥用量和水泥水化熱，并且礦物摻合料能夠提高機(jī)制砂混凝土抗腐蝕性、抗?jié)B透性等性能，改善混凝土內(nèi)部多孔隙結(jié)構(gòu)及其工作性能。采用的礦物摻合料為Ⅱ級(jí)粉煤灰，經(jīng)檢驗(yàn)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范要求。

3)外加劑與水。本次試驗(yàn)選用的高效減水劑為HXSX-A類(lèi)，依據(jù)《混凝土外加劑》和《聚羧酸系高性能減水劑》有關(guān)要求，對(duì)于機(jī)制砂混凝土該外加劑具有較好適用性?；炷僚渲扑盟疄樽詠?lái)水。

4)機(jī)制砂細(xì)集料。選用水洗機(jī)制砂、石灰?guī)r機(jī)制砂、原狀機(jī)制砂和天然砂4種砂，經(jīng)篩分試驗(yàn)及各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)4種砂均符合級(jí)配曲線(xiàn)分區(qū)要求和規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

5)粗集料。機(jī)制砂混凝土和易性受粗集料粒徑的影響較大，粗集料選擇時(shí)盡可能使用粒徑均勻、最大粒徑較小的碎石，結(jié)合機(jī)制砂混凝土使用情況粗集料粒徑≤20mm為宜。本次試驗(yàn)選用16-25mm和5-15mm連續(xù)級(jí)配碎石，借鑒《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》、《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》確定粗集料級(jí)配碎石篩分結(jié)果及其物理性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

根據(jù)以上原材料，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)配合比：m水泥：m外加劑：m水：m砂：m石=425：4.26:160：695：1140。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)主要是研究機(jī)制砂混凝土早期開(kāi)裂及其抗水滲透性受粉煤灰礦物摻合料、石粉含量、砂類(lèi)等參數(shù)的影響，其中礦物摻合料含量為5%、0%，石粉含量為8%、4%、1%，砂種類(lèi)有水洗機(jī)制砂、石灰?guī)r機(jī)制砂、原狀機(jī)制砂和天然砂，保持其他材料含量和種類(lèi)不變?cè)O(shè)計(jì)試驗(yàn)分組。試驗(yàn)設(shè)計(jì)，見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

多風(fēng)或炎熱季節(jié)大面積暴露的混凝土地板、橋梁、路面等結(jié)構(gòu)，若表面出水率小于水分蒸發(fā)速率則混凝土表面產(chǎn)生較大收縮應(yīng)力，塑性狀態(tài)時(shí)表面抗拉強(qiáng)度<收縮應(yīng)力就會(huì)形成收縮裂縫，即發(fā)生早期開(kāi)裂[6]。因此，裂縫的形成降低了混凝土的耐久性和結(jié)構(gòu)的荷載承受力。

機(jī)制砂混凝土試件的制作方法執(zhí)行《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，設(shè)計(jì)尺寸為100mm×600mm×800mm，控制風(fēng)速(5±0.5)m/s、相對(duì)濕度(60%±5)%、環(huán)境溫度(20±2)℃。試件裂縫利用顯微鏡觀測(cè)，早期抗裂等級(jí)劃分，見(jiàn)表2。

表2 早期抗裂等級(jí)劃分

2.1 砂種類(lèi)對(duì)早期開(kāi)裂的影響

保持基準(zhǔn)配合比不變，研究分析水洗機(jī)制砂(M2-3)、石灰?guī)r機(jī)制砂(M2-2)、原狀機(jī)制砂(M2-1)、天然砂(M1)混凝土早期開(kāi)裂性，混凝土早期開(kāi)裂統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表3。

表3 混凝土早期開(kāi)裂統(tǒng)計(jì)表

從表3可以看出，天然砂混凝土單位面積的總開(kāi)裂面積大于機(jī)制砂混凝土，而石灰?guī)r的彈性模量高于天然砂，研究表明混凝土早期收縮受彈性模量和集料種類(lèi)的影響較大，為保證混凝土的抗裂性能應(yīng)選用彈性模量大的機(jī)制砂。

2.2 石粉含量對(duì)早期開(kāi)裂的影響

保持基準(zhǔn)配合比不變，研究分析石粉含量1%(M2-1)、4%(M4-1)、8%(M4-2)的原狀機(jī)制砂混凝土早期抗裂性，石粉含量對(duì)早期開(kāi)裂的影響，見(jiàn)圖1。

圖1 石粉含量對(duì)早期開(kāi)裂的影響

圖1表明，石粉含量從1%不斷增加到8%則機(jī)制砂混凝土單位面積的總開(kāi)裂面積呈先減小再增大的變化趨勢(shì)，早期開(kāi)裂性能呈先上升后下降的變化特征，由此表明機(jī)制砂混凝土中石粉含量并非越高越好[7]，石粉含量為4%時(shí)機(jī)制砂混凝土具有最優(yōu)的早期開(kāi)裂性能。

2.3 礦物摻合料對(duì)早期開(kāi)裂的影響

保持基準(zhǔn)配合比不變，研究分析機(jī)制砂混凝土早期開(kāi)裂性能受粉煤灰摻合料的影響，摻礦物摻合料的早期開(kāi)裂統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表4。

表4 摻礦物摻合料的早期開(kāi)裂統(tǒng)計(jì)表

從表4可以看出，M1混凝土的裂縫最大寬度、單位面積的總開(kāi)裂面積和裂縫數(shù)量均>M3-1，由此表明機(jī)制砂混凝土中摻入礦物摻合料有利于增強(qiáng)抗早期開(kāi)裂性能。

2.4 抗水滲透性影響因素分析

一般地，混凝土內(nèi)部存在較多的孔隙結(jié)構(gòu)，這些孔隙直接決定著水分的流動(dòng)形態(tài)，從而對(duì)混凝土耐久性造成影響。機(jī)制砂混凝土抗水滲透性利用逐級(jí)加壓法進(jìn)行測(cè)試，抗?jié)B儀型號(hào)為HP-4.0型，抗?jié)B等級(jí)P的計(jì)算公式為：

P=10H-1

(1)

式中；H為試件有50%滲水時(shí)的水壓力，MPa。

抗水滲透性試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表5。

表5 抗水滲透性試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)抗水滲透性有以下3點(diǎn)影響：

1)砂種類(lèi)對(duì)抗水滲透性影響。從表5可以看出，配合比相同的情況下天然砂混凝土M1出現(xiàn)滲水時(shí)的滲水壓力為2.5MPa，抗水滲透性最強(qiáng)；水洗機(jī)制砂混凝土M2-3出現(xiàn)滲水時(shí)的滲水壓力為2.0，抗水滲透性最差。總體而言，機(jī)制砂混凝土的抗水滲透性次于天然砂混凝土，經(jīng)過(guò)水洗后機(jī)制砂中的部分細(xì)料被水沖洗干凈，從而增大了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙率，其抗水滲透性明顯下降[8]。

2)石粉含量對(duì)抗水滲透性影響。機(jī)制砂種類(lèi)相同情況下，石粉含量越高則混凝土抗?jié)B等級(jí)越高，其中抗?jié)B等級(jí)最高和最低的為M4-2、M4-3混凝土。經(jīng)過(guò)水系后機(jī)制砂中<0.6mm的顆粒被水沖洗干凈，從而增大了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的整體孔隙率，這在一定程度上降低了抗水滲透性。深入分析，石粉的摻入對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)揮一定的填充作用，從而改善了機(jī)制砂混凝土的密實(shí)度和抗水滲透性[9]。

3)礦物摻合料對(duì)抗水滲透性影響。對(duì)比M3-1、M1發(fā)現(xiàn)，摻入5%的礦物摻合料替代機(jī)制砂混凝土中的部分水泥有利于提高其抗水滲透性。經(jīng)分析，水泥水化過(guò)程中摻加的礦物摻合料經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)生成能夠改善混凝土密實(shí)性的特殊膠凝材料，并且水泥漿體的抗水滲透性與膠凝材料的堆積密度直接相關(guān)，由于水泥顆粒的粒度大于礦物摻合料，經(jīng)充填搭配后各組成顆粒級(jí)配得到優(yōu)化，混凝土孔隙度進(jìn)一步降低，其抗水滲透性得到明顯改善[10]。

3 結(jié) 論

本次試驗(yàn)以礦物摻合量、石粉含量和機(jī)制砂種類(lèi)為變量，通過(guò)試驗(yàn)研究探討了混凝土抗?jié)B透性、早期抗裂性受變量改變的影響作用，主要結(jié)論為：

1)彈性模量和砂的種類(lèi)對(duì)機(jī)制砂混凝土的早期收縮影響較大，為保證混凝土抗裂性應(yīng)優(yōu)先選用彈性模量較大的機(jī)制砂。混凝土的抗早期開(kāi)裂性能因粉煤灰礦物摻合料的加入而下降，石粉含量為4%時(shí)機(jī)制砂混凝土具有最優(yōu)的早期開(kāi)裂性能。

2)基準(zhǔn)配合比相同條件下，機(jī)制砂混凝土的抗水滲透性次于天然砂混凝土，石粉含量越高則混凝土抗?jié)B等級(jí)越高。在抗水滲透方面原狀機(jī)制砂優(yōu)于水洗機(jī)制砂，礦物摻合料的摻入可顯著提高了機(jī)制砂混凝土的抗水滲透等級(jí)。