人工砂混凝土性能试验研究①

汪学清， 沈正艳， 潘国栋， 陈剑雷

（1.中国矿业大学（北京） 力学与建筑工程学院，北京100083； 2.威海市文登区泽库镇人民政府，山东 威海264404）

混凝土中的骨料主要包括石子和砂，目前砂主要采用河沙、海砂、山砂和江砂等天然砂［1］，而自然界中的天然砂石料是不可再生资源，十分有限，为满足建设施工需求，需要使用人工生产的骨料来替代天然砂石料，因此，深入了解人工砂混凝土力学性能有助于工程建设的顺利开展。 前人对人工砂混凝土进行了大量研究［2-6］，但主要考虑单因素对混凝土的影响。 混凝土是多种材料共同胶结而成的产物，本文综合考虑人工砂、石粉、粉煤灰对混凝土性能的影响，可为人工砂混凝土的配置提供一定参考。

1 材料及试验方法

1.1 试验原材料

本次试验研究的重点是人工砂混凝土的性能，所采用的细骨料分为天然砂和人工砂两类，粗骨料是天然碎石。

细骨料人工砂选自山东枣庄所产的碎石，采用小型颚式破碎机和人工破碎所得，其砂粒径小于4.75 mm。对破碎所得人工砂进行了筛分，结果见表1 和图1。

表1 人工砂各筛分计筛余量含量

细度模数Mx计算公式为：

式中Ni为累计筛余百分率，i＝1，2，3，4，5，6。

图1 人工砂筛分曲线（第一级配区）

将图1 数据代入式（1），计算得到本次试验人工砂的细度模数为3.2，分配曲线为第一级配区。 根据筛分曲线和细度模数判断为粗砂。

细骨料天然砂为细度模数2.7 ～3.0 的天然中砂，颗粒级配符合JGJ52—2006《普通混凝土用砂质量标准》中砂颗粒级配Ⅱ区，属中砂范围，其物理性质如表2 所示。

表2 天然砂物理性质

天然粗骨料为4.75 ～16 mm 天然碎石，根据《建筑用卵石、碎石》（GB／T14685—2011）进行检验，其主要物理性质如表3 所示。

表3 天然粗骨料物理性质

本试验根据实际情况采用了山东枣庄中联水泥有限公司生产的中联PC 32.5 复合硅酸盐水泥。

水为实验室普通自来水。

试验所用减水剂为聚羧酸系和萘系减水剂。 通过水泥净浆流动性测试试验，比较了两种减水剂的水泥净浆流动度，来选择减水剂种类和确定合适掺量［7］，结果见表4。 从表4 得出，减水剂掺量不断增多，两种减水剂作用下的净浆流动度都是先增大而后减小，从试验数据中分析得出聚羧酸减水剂掺量为0.25%时，流动度最大且满足流动性要求。 故此选用聚羧酸系减水剂，最佳掺量为0.25%。

1.2 试验方法

表5 正交试验因素水平表

根据正交试验方案表计算出每一组试验的混凝土配合比，将拌好的人工砂混凝土装入模具，放在混凝土振动台上振实并将其表面刮平。 将振实后的混凝土在20 ℃下养护24 h 后脱模、编号，再放入养护室。 养护条件：温度20±3 ℃，湿度90%。

人工砂混凝土性能试验研究中，设计混凝土目标强度等级为C30。 研究不同人工砂替代率、石粉含量和粉煤灰含量下人工砂混凝土的工作性能及基本力学性能，系统研究人工砂混凝土的坍落度及其在3 d、28 d龄期下的抗压强度。

试验采用的配合比是在普通混凝土配合比的基础上，在水泥、粗骨料、水和减水剂掺量不变的前提下，改变细骨料的取代率以及石粉和粉煤灰的掺量。 参照普通混凝土配合比计算C30 混凝土的配合比为m水泥∶m砂∶m石＝1 ∶1.49 ∶3.02，水灰比W／C ＝0.41，砂率为33%［8］，聚羧酸减水剂掺量为0.25%。

为找出最佳的配比方案，通过尽量少的试验，来达到相对较好的试验效果，本试验采取正交试验的方法［9］。 选取影响人工砂混凝土性能的人工砂取代率、石粉和粉煤灰掺量3 个因素进行研究。 正交试验因素水平见表5。 其中，A 为人工砂含量占总细骨料的百分比；B 为石粉含量占总粗骨料的百分比，本试验所用石粉为制备人工砂过程中筛分所得，粒径小于0.15 mm；C 为粉煤灰占胶凝材料的百分比。

2 试验结果及分析

本次试验测试的是龄期3 d 和28 d 的人工砂混凝土抗压强度，试验仪器为YAW-2000 型微机控制电液式压力试验机。

采用直观分析法处理试验数据。 各配合比下混凝土表观密度、坍落度及3 d、28 d 抗压强度正交试验结果见表6，极差分析见表7。

表6 各配合比下混凝土表观密度、坍落度及3 d、28 d 抗压强度正交试验结果

表7 极差分析结果

2.1 人工砂混凝土的和易性能

由表6～7 可以看出在试验因素水平变化范围内，混凝土流动性受C 因素（极差为5）的影响最显著，B因素（极差为3.4）次之，A 因素（极差为2.5）对强度指标影响最小，所以各种因素对人工砂混凝土流动性能的影响顺序为：C＞B＞A，即粉煤灰掺量＞石粉掺量＞人工砂取代率。

为了更好看出坍落度的变化规律，将坍落度试验值绘于图2 中。 从图2 可以看出，坍落度对粉煤灰的影响比较敏感，随着粉煤灰掺量增加，坍落度增加明显，当粉煤灰掺量为5%时坍落度达到最大值，之后坍落度呈逐渐减小趋势，但影响并不大。 粉煤灰中的SiO2和Al2O3可以与水泥水化反应后生成的Ca（OH）2发生反应产生水化硅酸凝胶，与水泥中硅酸盐的水化产物相同，两者共同包裹在石子和砂表面，起到了润滑作用，在相同的用水量下，能使混凝土坍落度加大，采用粉煤灰也有利于降低泌水与离析，由此可得，加入适量粉煤灰可以在一定程度上改善混凝土的坍落度。

图2 三因素与混凝土坍落度关系

坍落度随着人工砂取代率增加先增加后减小。 坍落度减小的主要原因是人工砂表面粗糙，棱角较多，使得骨料之间的内摩擦力加大，所以混凝土的流动性变差，坍落度降低。 随着石粉掺量增加，坍落度先减小后增加，掺入适量的石粉能够填充骨料间的孔隙，使混凝土密实度增加，石粉在骨料孔隙之间能起到微滚珠的作用，减小了骨料之间的摩擦力，能起到改善混凝土坍落度的作用。

2.2 人工砂混凝土的强度性能

从表7 可知，各种因素对人工砂混凝土3 d 抗压强度的影响顺序为：石粉掺量＞粉煤灰掺量＞人工砂取代率；同理可得，各因素对混凝土28 d 抗压强度的影响为：人工砂取代率＞石粉掺量＞粉煤灰掺量。 为了进一步分析三因素对于混凝土抗压强度的影响，将三因素与3 d 和28 d 抗压强度的关系绘于图3 中。

从图3 可以看出，随着人工砂取代率增加，混凝土早期强度逐渐增加，主要原因是人工砂表面粗糙，棱角较多，使得骨料之间的内摩擦力加大，所以混凝土的抗压强度会提高；随着石粉掺入量增加，早期强度先增加后降低，由于石粉填充人工砂的孔隙，弥补有棱角的人工砂的不足，使得混凝土表观密度增大，提升了混凝土的抗压强度，但是过量的石粉掺入造成有些石粉依附在砂的表面，使得砂与水泥的粘结反应受到阻碍，影响混凝土强度，使得混凝土抗压强度减小；随着粉煤灰掺入量增加混凝土的强度逐渐降低。

随着人工砂取代率增加，28 d 抗压强度逐渐降低，人工砂取代率为10%时混凝土强度达到最大；石粉掺量的影响趋势同早期强度变化趋势相似，掺量为3%时，混凝土28 d 抗压强度最大；随着粉煤灰掺入量增加，28 d 抗压强度先增大后减小，存在一个最优掺入量5%。 粉煤灰后期充分发生水化反应，能提高混凝土密实度，从而有利于提高混凝土强度。 由于28 d强度为混凝土的标准抗压强度，且随着时间增长，后期强度变化不大，因此通过混凝土28 d 龄期的抗压强度可以得到混凝土配合比最优方案为A1B2C2，即人工砂取代率10%，石粉掺量3%，粉煤灰掺量5%。

图3 三因素与混凝土抗压强度关系

2.3 人工砂混凝土最优配比验证

为增加试验的严谨性，特以最佳配合比再进行3组混凝土，进行复验，并与普通混凝土相比，试验数据见表8。

表8 人工砂混凝土与普通混凝土试验数据

从表8 可以看出，利用最优配比加入粉煤灰和石粉可以提高混凝土强度，比设计强度C30 提高了28%，将人工砂取代天然砂可以进一步提高混凝土强度，相比设计强度提高了33.7%，相比普通砂混凝土的抗压强度提高了4.4%。 与普通混凝土相比，人工砂混凝土中人工砂表面棱角多，使得混凝土骨料之间的镶嵌紧凑，石粉能够填充混凝土之间的孔隙，让混凝土变得更加密实，粉煤灰能够与水泥发生化学反应使混凝土流动性增大，所以人工砂混凝土的性能要优于普通混凝土。

2.4 人工砂混凝土的经济效益分析

将1 m3的普通混凝土和人工砂混凝土各材料的用量和价格列于表9，可以看出每立方米人工砂混凝土材料费可节省3.588 元。 人工砂混凝土既满足了设计要求又提高了抗压强度，具有较好的经济效益和环境效益。 对于某些大型工程，比如隧道开挖，由于道路崎岖，隧道开采的碎石不易运出，可以利用开采出的碎石制备人工砂，不仅解决了碎石乱堆砌的问题，而且缓解了因材料输送不及时引起的窝工问题，极大减少了河砂的购买和运输成本，经济效益显著。

表9 C30 人工砂混凝土与普通混凝土经济性比较

以三峡二期工程泄洪坝段混凝土工程施工为例进行人工砂混凝土经济分析，在三峡二期工程混凝土工程施工中，混凝土工程施工技术又得到进一步的改进和提高，混凝土浇筑强度连续三年闯过400 万立方米大关，多次刷新混凝土浇筑强度世界纪录，泄洪坝段混凝土浇筑施工工程量较大，混凝土总量700 多万立方米，施工组织设计高峰月强度达30 万立方米／月［10］。三峡二期工程泄洪坝段混凝土工程经济性分析如表10 所示。

表10 三峡二期工程泄洪坝段混凝土工程经济性对比分析

由表9 可以得出，C30 人工砂混凝土可以比相同配合比的普通混凝土节约1.794 元／m3，由表10 可以得出，在三峡二期工程泄洪坝段混凝土工程施工中应用人工砂混凝土可以节约建筑材料费用1 255.8 万元。同时，人工砂可就地取材，利用施工中开采出的碎石进行制备，取代一定量的河砂，减少了河砂的运输成本，解决了碎石乱堆砌的问题，并且缓解了因材料输送不及时引起的窝工问题，经济效益显著。

3 结 论

采用正交试验方法研究了人工砂取代率、石粉掺量和粉煤灰掺量对人工砂混凝土的坍落度和抗压强度的影响，得出以下结论：

1） 粉煤灰掺量对坍落度影响最大，石粉掺量次之，人工砂取代率对坍落度的影响最小。

2） 石粉掺量对混凝土3 d 抗压强度的影响最大，粉煤灰掺量次之，人工砂取代率对3 d 抗压强度的影响最小；而对于混凝土28 d 抗压强度的影响则表现为人工砂取代率＞石粉掺量＞粉煤灰掺量，掺入石粉能够提高混凝土的早期性能，掺入粉煤灰和人工砂取代天然砂对于混凝土后期的影响比较大。

3） 通过分析可以得到人工砂混凝土的最佳掺量配比为：人工砂取代率10%，石粉掺量3%，粉煤灰掺量5%，此时混凝土28 d 抗压强度为40.1 MPa，相对于设计强度30 MPa 有了极大提高。

4） 人工砂取代一定量天然砂配制混凝土能够节约建筑材料费用，减少河砂的运输成本，解决碎石乱堆砌的问题，并且能够缓解因材料输送不及时引起的窝工问题，经济效益显著。