趙 鑫

（山西省交通建設工程質量檢測中心，山西 太原 030032）

0 引言

近年來，基礎設施的建設消耗了大量的水泥混凝土，而砂在混凝土中約占30%～40%，每年消耗量巨大[1]。隨著環(huán)境保護呼聲的不斷提高，天然砂日益短缺，部分地區(qū)甚至出現(xiàn)天然砂枯竭的現(xiàn)象。雖然機制砂中含有一定量的石粉，但相同條件下機制砂混凝土強度高于天然砂混凝土，因此可采用機制砂代替天然砂[2]。很多學者對機制砂中石粉的活性進行了研究，得出石粉在水泥水化過程中也表現(xiàn)出一定的活性，但應準確控制石粉摻量。按照一定比例摻配粉煤灰和礦渣粉作為礦物摻合料也會改善機制砂混凝土的力學性能[3]。為了研究礦物摻合料對機制砂混凝土力學性能的影響，通過試驗確定兩組天然砂混凝土配合比和3組機制砂混凝土配合比。通過比較不同水膠比、粉渣比的混凝土力學性能試驗結果，分析確定礦物摻合料對機制砂混凝土力學性能的影響規(guī)律。

1 試驗方案

通過對比分析的方式，按照試驗確定的配合比分別制作天然砂和機制砂混凝土，根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081—2002）中的試驗方法制作試件，分別開展立方體抗壓強度試驗、軸心抗壓強度試驗、劈裂抗拉強度試驗[4]。為了研究礦物摻合料對機制砂混凝土力學性能的影響，通過試驗確定3種機制砂混凝土配合比和兩種天然砂混凝土配合比，分別制作試驗試件。每組試件15個，分別在齡期為3 d、7 d、28 d、60 d、90 d、120 d、180 d、365 d開展試驗，分析混凝土力學性能試驗數(shù)據(jù)，確定不同礦物摻合料摻配量的機制砂混凝土力學性能。

2 原材料與配合比設計

2.1 原材料選配

該試驗所選混凝土為高性能混凝土，混凝土標號為C55。水泥選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，粗集料選用連續(xù)級配的玄武巖，細集料選用石灰?guī)r機制砂，各類原材料技術指標如表1～表4所示。

表1 水泥技術指標

表2 粗集料技術指標

表3 機制砂技術指標

礦物摻合料選用粉煤灰與礦渣粉，其中粉煤灰選用Ⅱ級煤灰，細度為18.1%，燒失量為2.05%，SO3含量為0.76%，含水量0.2%，28 d活性指數(shù)為99%；礦渣粉選用595級礦渣粉，燒失量為0.19%，SO3含量為1.57%，流動度比為99%，比表面積為4 520 cm2/g，7 d活性指數(shù)為81%，28 d活性指數(shù)為72.6%；減水劑選用聚羧酸高效減水劑；試驗用水為人畜飲用水。

2.2 配合比設計

按照《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JTG 55—2011）中的相關規(guī)定，對機制砂混凝土配合比進行設計。為了準確確定礦物摻合料對機制砂混凝土力學性能的影響，分別選擇3個不同的配合比制作試件，配合比編號分別為JZ1、JZ2、JZ3，其中JZ1沒有摻加礦物摻合料。同時，分別選取兩組天然砂混凝土配合比制作試件，與機制砂混凝土試驗結果進行對比分析，配合比編號分別為TR1、TR2，試驗用混凝土配合比如表5。

表5 試驗用混凝土配合比

3 礦物摻合料對機制砂混凝土力學性能影響分析

3.1 混凝土立方體抗壓強度試驗結果分析

按照機制砂混凝土和天然砂混凝土配合比制作試件，分別在不同齡期開展立方體抗壓強度試驗，收集試驗結果繪制不同摻配量礦物摻合料混凝土立方體抗壓強度變化曲線如圖1所示。

圖1 不同摻配量礦物摻合料混凝土立方體抗壓強度試驗結果

分析圖1所示曲線變化趨勢，沒有摻加礦物摻合料的JZ1早期立方體抗壓強度較高，而隨著齡期的增長，與摻加礦物摻合料的混凝土之間強度的差異逐漸縮小。齡期達到120 d以后，摻加礦物摻合料的機制砂混凝土立方體抗壓強度逐漸超過JZ1，但天然砂混凝土立方體抗壓強度仍然低于JZ1，而JZ3機制砂混凝土365 d強度高于JZ2機制砂混凝土，分析原因是由于粉煤灰和礦渣粉的前期水化速度小于水泥水化速度，因此雖然二者雙摻會產(chǎn)生超疊加效應，但早期混凝土強度增長速度較慢，而后期由于粉煤灰的火山灰反應會增加膠凝產(chǎn)物，消耗了混凝土中Ca(OH)2，填充了孔隙，使混凝土強度不斷提高。與天然砂混凝土相比，機制砂混凝土中含有一定量的石粉，而試驗結果表明機制砂混凝土立方體抗壓強度均高于天然砂混凝土，說明適量的石粉含量不會影響礦物摻合料發(fā)揮作用。

3.2 混凝土劈裂抗拉強度試驗結果分析

同樣按照機制砂混凝土和天然砂混凝土配合比制作的試件，分別在不同齡期開展劈裂抗拉強度試驗，收集試驗結果繪制不同摻配量礦物摻合料混凝土脆性指數(shù)和劈裂抗拉強度變化曲線如圖2和圖3所示。

圖2 不同摻配量礦物摻合料混凝土脆性指數(shù)試驗結果

圖3 不同摻配量礦物摻合料混凝土劈裂抗拉強度試驗結果

分析圖2所示曲線變化趨勢，摻加礦物摻合料可以降低機制砂混凝土的前期脆性，但中后期變化不大，說明礦物摻合料對混凝土脆性改善效果不明顯。

分析圖3曲線變化趨勢，JZ2機制砂混凝土的水膠比為0.31、粉渣比為0.7，前期劈裂抗拉強度明顯低于JZ1，隨著齡期的增加強度差異逐漸縮小，365 d后超過了JZ1。而JZ3機制砂混凝土的前期劈裂抗拉強度較小，當齡期超過90 d后劈裂抗拉強度超過了JZ2，齡期180 d后超過了JZ1，與立方體抗壓強度的發(fā)展規(guī)律類似，隨著齡期的增長，混凝土劈裂抗拉強度逐漸增加。分析原因也是由于粉煤灰的火山灰作用，消耗了混凝土內(nèi)部的Ca(OH)2，填充了孔隙，使混凝土的劈裂抗拉強度不斷增加。同樣，養(yǎng)護齡期內(nèi)天然砂混凝土TR1和TR2的劈裂抗拉強度均明顯小于機制砂混凝土。

3.3 混凝土軸心抗壓強度試驗結果分析

分別選取3組機制砂混凝土配合比制作的試件，在各齡期開展軸心抗壓強度試驗，不同摻配量礦物摻合料混凝土軸心抗壓強度變化曲線如圖4所示。

圖4 不同摻配量礦物摻合料混凝土軸心抗壓強度試驗結果

分析圖4曲線變化趨勢，未摻礦物摻合料的JZ1機制砂混凝土的前90 d軸心抗壓強度高于摻加礦物摻合料的JZ2和JZ3，而120 d后JZ2機制砂混凝土軸心抗壓強度超過了JZ1，而JZ3機制砂混凝土120 d的軸心抗壓強度接近JZ1，并呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。摻加礦物摻合料的機制砂混凝土軸心抗壓強度也呈現(xiàn)前期增長速度慢，中后期保持增長，而后逐漸超過未摻加礦物摻合料的機制砂混凝土的規(guī)律。

4 結語

以C55高性能混凝土為例，分別制作天然砂混凝土和機制砂混凝土試件進行試驗，對比試驗結果確定礦物摻合料對機制砂混凝土力學性能的影響，分析試驗數(shù)據(jù)得出以下結論：

a）摻加礦物摻合料的機制砂混凝土前期立方體抗壓強度低，隨著齡期的增長強度逐漸超過未摻加礦物摻合料的機制砂混凝土，水膠比0.33的機制砂混凝土365 d強度高于水膠比0.31的機制砂混凝土，且均明顯高于天然砂混凝土劈裂抗拉強度試驗結果。

b）摻加礦物摻合料的機制砂混凝土軸心抗壓強度也呈現(xiàn)前期增長速度慢，中后期持續(xù)增長并最終超過未摻加礦物摻合料的機制砂混凝土的規(guī)律。水膠比0.31的機制砂混凝土365 d強度高于水膠比0.33的機制砂混凝土，且均明顯高于天然砂混凝土。

綜上所述，機制砂混凝土在摻加礦物摻合料后力學性能得到了明顯改善，均高于天然砂混凝土，但應做好機制砂混凝土水膠比的調整。