李石高，唐旭光，陶 宇

（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

0 引言

隨著工程建設(shè)的快速發(fā)展，對于天然砂資源的需求量日益增加，現(xiàn)有的河砂儲(chǔ)量已不能滿足建設(shè)用砂的需求；同時(shí)，在天然砂開采過程中不僅會(huì)對山體、河道和農(nóng)田造成破壞，在運(yùn)輸過程中也會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1-3]，因此，國家很早就相繼出臺(tái)相關(guān)法令，對河道采砂進(jìn)行嚴(yán)格管制，導(dǎo)致很多地方出現(xiàn)砂的供應(yīng)不足甚至無砂可用的狀態(tài)，矛盾日益突出[4]。在此背景下，利用機(jī)制砂作為細(xì)集料所制備的機(jī)制砂混凝土應(yīng)用越來越廣泛。

近年來對機(jī)制砂的研究有著大量的相關(guān)文獻(xiàn)。李美利等[5]研究發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂中含有適量的石粉可以改善混凝土的工作性能，當(dāng)石粉含量不超過10%時(shí)，由機(jī)制砂配制的混凝土強(qiáng)度隨著石粉含量的增加有所提高；徐文冰等[6]通過對砂巖機(jī)制砂的研究表明，砂巖機(jī)制砂混凝土具有良好的力學(xué)性能，在抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度及彈性模量方面均優(yōu)于河砂混凝土；李潛[7]對C 50 機(jī)制砂混凝土早期收縮性能進(jìn)行的研究表明，礦粉增大了C 50 機(jī)制砂混凝土的早期收縮，單摻粉煤灰時(shí)混凝土的早期收縮優(yōu)于兩者復(fù)摻；單摻礦粉時(shí)混凝土的收縮大于單摻粉煤灰時(shí)，且收縮率隨齡期的延長而增大。

由于機(jī)制砂的研究與應(yīng)用起步比天然砂晚，機(jī)制砂混凝土在工程應(yīng)用及推廣過程中仍然存在著許多問題和不足。機(jī)制砂混凝土在建筑及道路工程中應(yīng)用較為廣泛，但在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用卻較謹(jǐn)慎[8]。隨著近年研究的技術(shù)積累，機(jī)制砂混凝土在橋梁工程主體結(jié)構(gòu)中得到逐步運(yùn)用。因此本試驗(yàn)以C 50 混凝土為研究對象，以天然河砂混凝土為對照組，在相同配比下，對河砂混凝土和機(jī)制砂混凝土的工作性、硬化后的力學(xué)強(qiáng)度和早期收縮性能進(jìn)行對比分析，探討機(jī)制砂對中高等強(qiáng)度混凝土性能的影響，以便為機(jī)制砂混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料及混凝土配合比

水泥：湖南湘鄉(xiāng)棋梓橋水泥有限公司產(chǎn)的P·O 42.5 級普通硅酸鹽水泥。

粗集料：5～25 mm 連續(xù)級配石灰?guī)r碎石，其主要物理性能指標(biāo)見表1。

表1 碎石主要物理性能指標(biāo)

細(xì)集料：河砂采用湘江河砂，機(jī)制砂采用本地生產(chǎn)的機(jī)制砂，其相關(guān)性能指標(biāo)見表2?；旌仙?（機(jī)制砂與河砂質(zhì)量比為6∶4）的細(xì)度模數(shù)為2.83；混合砂2（機(jī)制砂與河砂質(zhì)量比為4∶6）的細(xì)度模數(shù)為2.81。

表2 砂的主要物理性能指標(biāo)

粉煤灰：湘潭電廠產(chǎn)Ⅱ級粉煤灰，密度2.55 g/cm3，燒失量4.5% 。

礦粉：S95 級礦粉，密度2.9 g/cm3，燒失量0.8% 。

減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率為25%～36% 。

試驗(yàn)分別對不同水膠比、礦摻比和不同細(xì)集料摻配比的機(jī)制砂混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)和制備，并與河砂混凝土的相關(guān)性能進(jìn)行對比分析。設(shè)計(jì)要求為：混凝土拌合物坍落度不小于180 mm，擴(kuò)展度不小于400 mm；同時(shí)由于機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)大、級配較差、棱角粗糙等特點(diǎn)，因此在配合比設(shè)計(jì)時(shí)需提高砂率。將砂率固定為40%，所采用的機(jī)制砂石粉含量范圍為5%～10%，在同等條件下進(jìn)行機(jī)制砂、河砂混凝土的配合比設(shè)計(jì)?；炷僚浜媳燃肮ぷ餍栽囼?yàn)結(jié)果見表3（其中J 代表機(jī)制砂混凝土；H 代表河砂混凝土；JH -1代表機(jī)制砂與河砂質(zhì)量比為6∶4 的混合砂混凝土；JH -2 代表機(jī)制砂與河砂質(zhì)量比為4∶6 的混合砂混凝土）。

表3 C50 混凝土配合比

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土拌合物工作性測試依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》（GB/T 50080—2002）進(jìn)行。硬化混凝土力學(xué)性能測試依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50081—2002）的要求進(jìn)行，將混凝土試件在標(biāo)養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至3、7、14、28 d，測試不同齡期的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。混凝土早齡期收縮性能測試遵照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009），采用非約束式混凝土收縮變形測定儀，按每組3 個(gè)試件進(jìn)行。試件制備尺寸為：100 mm×100 mm×515 mm，將其帶模置入溫度為（20±2）℃，相對濕度為（60±5）% 的養(yǎng)護(hù)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)至混凝土初凝前后，開始測試其收縮性能。

2 機(jī)制砂對混凝土性能的影響研究

2.1 機(jī)制砂對混凝土工作性的影響

混凝土拌合物工作狀態(tài)見圖1。

圖1 機(jī)制砂混凝土與河砂混凝土拌合物對比

由表3 和圖1 可知，各組試配混凝土的工作性均滿足設(shè)計(jì)要求。在相同配比下，機(jī)制砂混凝土的黏聚性比河砂混凝土強(qiáng)，且隨水膠比的降低而增強(qiáng)，但是坍落度和擴(kuò)展度比河砂混凝土差；降低水膠比，機(jī)制砂混凝土的坍落度明顯提升，擴(kuò)展度變化不大。這是由于機(jī)制砂顆粒粗糙、多棱角等特點(diǎn)，有利于提高混凝土黏聚性，但是不利于流動(dòng)性。雙摻粉煤灰和礦粉后，機(jī)制砂混凝土工作性與河砂混凝土相當(dāng)，說明雙摻粉煤灰和礦粉能改善機(jī)制砂混凝土的工作性，減少泌水、提高混凝土的包裹性，從而提高機(jī)制砂混凝土的坍落度和擴(kuò)展度。這是由于粉煤灰能在混合料中起到滾珠軸承作用，有利于減小顆粒之間的摩擦，同時(shí)可以增加漿體含量，從而增加拌合物的流動(dòng)性；而礦粉能與水泥組成二元復(fù)合膠凝材料，改善水泥漿體的孔隙結(jié)構(gòu)以及提高水泥石與骨料界面黏結(jié)性能，且機(jī)制砂中的石粉在混凝土拌合物中也能起到一定的潤滑作用，減小砂與骨料之間的相互摩擦，從而起到改善混凝土工作性的效果[9-11]?；旌仙盎炷恋墓ぷ餍詢?yōu)于全機(jī)制砂混凝土，隨機(jī)制砂所占比例的增大而逐漸變差。

2.2 機(jī)制砂對硬化混凝土力學(xué)性能的影響

2.2.1混凝土抗壓強(qiáng)度

河砂混凝土和機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖2～ 圖4。

圖2 水膠比對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 礦物摻合料對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 細(xì)集料摻配比對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2～ 圖4 可知，在相同配比下，機(jī)制砂混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度略大于河砂混凝土，而水膠比為0.35 時(shí)，J-0 組試件28 d 抗壓強(qiáng)度小于H-0 組，原因可能是機(jī)制砂級配較差。機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度隨水膠比的減小而增大；雙摻粉煤灰和礦粉后，機(jī)制砂混凝土的早期抗壓強(qiáng)度有所降低，但是后期強(qiáng)度大幅提升，與粉煤灰和礦粉摻量相同的試件J-3 相比，當(dāng)粉煤灰摻量增加（試件J-2）或礦粉摻量降低（試件J-4）時(shí)，這兩者的早期抗壓強(qiáng)度都有一定程度的降低，說明粉煤灰摻量增大不利于機(jī)制砂混凝土早期抗壓強(qiáng)度發(fā)展，而礦粉摻量對機(jī)制砂混凝土早期抗壓強(qiáng)度發(fā)展影響不顯著；在相同水膠比下，混合砂混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度大于全機(jī)制砂混凝土和河砂混凝土，且隨著機(jī)制砂摻配比的增大而增大，并存在最佳摻配比。

機(jī)制砂本身由于顆粒粗糙、多棱角、堅(jiān)固性強(qiáng)等特點(diǎn)，有利于提高水泥漿界面的機(jī)械咬合力，起到更好的嵌套作用，從而起到比河砂更好的骨架作用。雙摻粉煤灰和礦粉不僅能起到填充集料空隙、改善機(jī)制砂級配的作用，又能在混凝土中發(fā)揮火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)，改善水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土密實(shí)性，進(jìn)而提高混凝土強(qiáng)度[12]；而機(jī)制砂中的石粉同樣具有晶核作用和微集料填充作用，從而能降低孔隙率，在一定程度上提高混凝土的強(qiáng)度[13-15]。通過雙摻粉煤灰和礦粉，可以獲得早期強(qiáng)度與水泥混凝土接近，同時(shí)后期強(qiáng)度又有較大增長空間的高性能混凝土。

2.2.2劈裂抗拉強(qiáng)度

不同齡期的河砂混凝土和機(jī)制砂混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 機(jī)制砂混凝土和河砂混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度 單位：MPa

由表4 可知，機(jī)制砂混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與其抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律相似，隨水膠比的減小而增大。雙摻粉煤灰和礦粉降低了機(jī)制砂混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，這可能是28 d 時(shí)礦物摻合料的微集料效應(yīng)還沒有被完全激發(fā)出來所致[16]。在相同配比下，復(fù)摻粉煤灰和礦粉的機(jī)制砂混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度大于河砂混凝土；混合砂混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度大于其他各組混凝土，且隨著機(jī)制砂所占比例的增加而增大，原因是混合砂改善了全機(jī)制砂級配差的缺點(diǎn)，使混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)得到改善，混凝土密實(shí)度得以提高，最終提高了混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

2.3 機(jī)制砂對混凝土早期收縮性能的影響

不同水膠比、礦摻比和機(jī)制砂摻配比的混凝土早期收縮試驗(yàn)結(jié)果見圖5～ 圖7。由圖5～ 圖7 可知，機(jī)制砂混凝土和河砂混凝土的早期收縮速率在8～10 h 內(nèi)最大，隨后隨著齡期的增大逐漸平穩(wěn)緩慢增長。在相同水膠比下，機(jī)制砂混凝土的早期收縮速率大于河砂混凝土，特別是降低水膠比時(shí)，機(jī)制砂混凝土的早期收縮增長幅度相比河砂混凝土明顯增大；雙摻粉煤灰和礦粉能有效降低機(jī)制砂混凝土的早期收縮速率，且隨著粉煤灰摻量的增大，機(jī)制砂混凝土的早期收縮發(fā)展減小，而礦粉對機(jī)制砂混凝土早期收縮的影響不是很大。在相同配比下，雙摻粉煤灰和礦粉的機(jī)制砂混凝土與河砂混凝土的早期收縮速率基本相當(dāng)；在相同水膠比下，混合砂混凝土早期收縮速率小于全機(jī)制砂混凝土，隨著機(jī)制砂在混合砂中所占比例的增大，混合砂混凝土早期收縮速率也逐漸增大。

圖5 不同水膠比混凝土早期收縮

圖6 不同礦摻比混凝土早期收縮

圖7 不同細(xì)集料摻配比混凝土早期收縮

降低水膠比，混凝土用水量減小，收縮增大，而機(jī)制砂中大量的石粉也會(huì)消耗一部分用水量，同時(shí)石粉中的SiO2和A 12O3易與水泥水化釋放出的C H反應(yīng)，生成穩(wěn)定的硅酸鈣水化物凝膠及水化鋁酸鈣，促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)[17]、加速水泥的水化進(jìn)程，從而增加機(jī)制砂混凝土的早期收縮速率；礦粉具有微集料效應(yīng)，可與水泥水化產(chǎn)生的C a（O H）2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成含鈣較低的水化硅酸鈣凝膠，從而改善混凝土的界面結(jié)構(gòu)；粉煤灰中的活性成分SiO2和A 12O3能與C a（O H）2反應(yīng)，減少或抑制混凝土中薄弱C a（O H）2晶體的形成，同時(shí)由于機(jī)制砂級配不良、粒型較差等特點(diǎn)，雙摻粉煤灰和礦粉可以增加漿體含量，填充混凝土中的空隙，減少混凝土孔隙率，從而減小混凝土早期收縮[10，16]。

3 結(jié)語

（1）機(jī)制砂混凝土具有良好的黏聚性能，但是擴(kuò)展度和坍落度比河砂混凝土差；復(fù)摻粉煤灰和礦粉以及采用混合砂能明顯改善機(jī)制砂混凝土的工作性。

（2）機(jī)制砂混凝土具有良好的力學(xué)性能，在相同配比下，機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度大于河砂混凝土；雙摻粉煤灰和礦粉能獲得早期抗壓強(qiáng)度較高而后期抗壓強(qiáng)度大幅增長的機(jī)制砂混凝土，但是劈裂抗拉強(qiáng)度發(fā)展較慢。當(dāng)水膠比和配比相同時(shí)，混合砂混凝土的力學(xué)性能優(yōu)于全機(jī)制砂混凝土和河砂混凝土。

（3）在相同配比下，機(jī)制砂混凝土的早期收縮速率大于河砂混凝土，降低水膠比時(shí)，機(jī)制砂混凝土的早期收縮增長幅度相比河砂混凝土明顯增大；雙摻粉煤灰和礦粉可顯著降低機(jī)制砂混凝土早期收縮，其收縮基本與河砂混凝土相當(dāng)。混合砂混凝土早期收縮速率小于全機(jī)制砂混凝土，大于河砂混凝土，但是在適當(dāng)?shù)膿脚浔壤?，混合砂混凝土的早期性能?yōu)于河砂混凝土。

（4）由于機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)較大、級配較差、粗糙多棱角且富含石粉等特點(diǎn)，在制備混凝土?xí)r應(yīng)充分評估其對混凝土性能可能造成的影響。