机制砂混凝土力学性能影响因素研究

鲁 庄

(湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015)

机制砂作为一种替代天然砂的细集料，逐步在工程界得到广泛运用，但不同区域的机制砂物理力学性能不同，运用其配置混凝土需进行物理力学性能分析[1]。关于机制砂各项性能研究较多，一般研究者认为，机制砂混凝土强度略高于天然砂混凝土强度，主要原因是机制砂多棱角性能增加了水泥界面的咬合力[2]。陈涛等[3]分别采用机制砂混凝土和天然砂混凝土制备T梁，然后进行弯曲加载试验，试验结果表明： 2种材料制成的T梁弯曲受力性能指标均相差不大，力学行为也相似，但机制砂混凝土的延性、抗裂性较普通砂混凝土强，因此认为可以采用机制砂混凝土代替普通砂混凝土。

机制砂成分较为复杂，石粉等含量较高，石粉组成部分影响机制砂的多种工作性能，寻求合适的石粉最佳含量，使得机制砂混凝土工作性能最佳是当前研究机制砂的一个重要方面。薛晓芳等[4]重点对贵州地区C50机制砂自密实混凝土的石粉含量如何影响混凝土工作性能进行了试验研究，研究结果表明：石粉含量适量时可以改善机制砂混凝土工作性能，但较多的石粉含量对机制砂混凝土的抗氯离子渗透等性能有影响。总之，为需求最佳使用性能的机制砂种类及其配比组成，需针对性地进行试验，通过控制单一变量变化来寻求最优性能的机制砂混凝土组合。

本文以天然砂、机制砂、水泥等为原材料，设置4组试验配比的机制砂混凝土，通过力学性能试验，研究砂种类、石粉含量、矿物掺合料对混凝土抗压强度等的影响程度。

1 原材料

1.1 水泥

采用质量稳定性好、抗裂性能优良的P·O42.5级普通硅酸盐水泥。其各项技术指标检验值均满足《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)要求值。

1.2 矿物掺合料

选择的粉煤灰等级为II级，其技术性能指标均满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)要求值。

矿渣粉为S95级，S95级矿渣粉技术性能指标均满足《水泥制品用矿渣粉应用技术规程》(JC/T2238—2014)要求值。

1.3 粗集料

采用5～16 mm及16～25 mm连续级配碎石，按照《公路工程集料试验规程》(JTGE42—2015)确定粗集料物理性能，按照《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2011)确定其级配卵石筛分结果，具体指标均满足规范要求。

1.4 机制砂细集料

选用天然砂和原状机制砂，2种砂的各项指标均满足规定要求。筛分试验结果均满足级配曲线分区要求。混凝土配合比如表1、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减水剂4787341 0741538.1

表2 机制砂配制的C50混凝土配合比(kg/m3)水泥机制砂碎石水减水剂4837661 0311599.3

1.5 外加剂

采用HXSX-A类高效减水剂，该类外加剂满足机制砂混凝土的配置。

1.6 水

所涉及的水均采用自来水。综合考虑各主控因素对机制砂混凝土抗压强度和工作性的影响，选择最佳配合比，其中水胶比为0.33、砂率为37.5%、矿物掺合料为4%、外加剂为1.2%。

2 机制砂混凝土力学性能研究

2.1 试验设计

2.1.1天然砂混凝土与机制砂混凝土试件抗压强度离散性比较

分别配制含天然砂和机制砂的C50混凝土，比较其抗压强度的离散性。

2.1.2不同材料含量对机制砂混凝土影响

研究砂种类、石粉含量、矿物掺合料对混凝土力学性能的影响，对比试验采用天然砂、原状机制砂、水洗机制砂和石灰岩机制砂4种试件，其中对水洗机制砂设置3种石粉含量(0.5%、3.5%、7.5%)、3种矿物掺合料含量(0、98、147 kg/m3),力学性能试验主要包括混凝土轴心抗压强度试验和混凝土立方体抗压强度试验。试验组用配合比见表3所示。

表3 试验用配合比试验组编号砂类细度模数水胶比水泥/(kg·m-3)矿物掺合料/(kg·m-3)水/(kg·m-3)卵石/(kg·m-3)细集料/(kg·m-3)S1天然砂2.50.372991471651 143686 S2-1原状机制砂S2 S2-2石灰岩机制砂3.30.352621471601 139683 S2-3水洗机制砂S3水洗机制砂3.30.3545801601 139683S4水洗机制砂3.30.35360981651 143686 注:碎石5～16 mm和16～25 mm的掺加比例为4∶6。

2.2 力学性能试验

2.2.1不同种类砂的抗压强度值比较

选用天然河砂和机制砂配制的C50混凝土强度试验结果如表4所示。求得天然砂标准差为1.2 MPa，变异系数为4.1；机制砂标准差为3.2 MPa，变异系数为6.9。

表4 天然河砂和机制砂配制的C50混凝土抗压强度试验结果类别以下编号混凝土抗压强度/ MPa1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#天然砂61.3262.8361.7261.0660.2761.1361.5661.3561.0661.47机制砂62.1862.0659.9863.3660.3961.5663.2159.6562.9862.23

由表4可以看出，采用机制砂配制的C50混凝土抗压强度明显要高于天然砂配制的混凝土，机制砂混凝土的强度离散性较大，天然河砂混凝土的强度离散性较小。主要原因如下：

1)机制砂主要通过破碎岩石得到，破碎岩石质地坚硬，表面棱角分明，在浆体中粘结更加紧密。河砂主要成分是SiO2，化学性质比较稳定，而岩石的主要成分是CaCO3，与高浓度的Ca(OH)2会发生复杂的化学反应，可以在一定程度上增强混合料的粘结力[6]。

2)在粉碎岩石的过程中，将产生部分粒径小于75 μm的石粉，能够进一步填充混凝土的空隙，并会与浆体中的某些组分发生复杂的化学反应，生成的化学物质能够改善混凝土某些方面的性能。而河砂中75 μm以下的组成部分主要是泥土，泥土的存在对混凝土各项性能有非常严重影响。尤其是大体积混凝土施工，控制泥浆含量能够有效防止因水化热引起混凝土温差过大而引起裂缝[7]。

3)受石粉含量和裂隙影响，相对于天然砂混凝土，机制砂混凝土的强度离散性较大，在施工中要注意搅拌均匀。这是由于天然河砂颗粒圆润且分级较均匀，混凝土的强度性能也较平均，在实际施工过程中，天然河砂混凝土的强度更容易控制[8]。

2.2.2混凝土轴心抗压强度

混凝土轴心抗压强度试验参照规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2016)，试验试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm，换算系数为0.95，各组的试验结果如表5所示。

表5 各试验组混凝土各龄期轴心抗压强度fc试验结果试验组编号以下龄期各试验组混凝土轴心抗压强度/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混凝土立方体抗压强度

混凝土立方体抗压强度试验参照规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2016)，各组的试验结果如表6所示。

表6 各试验组混凝土各龄期立方体抗压强度fcu试验结果试验组编号以下龄期各试验组混凝土立方体抗压强度/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 影响因素分析

2.3.1砂种类对混凝土抗压强度影响

本次抗压强度试验中各组试件的具体配合比如表3所示，得到立方体抗压强度试验和轴心抗压强度试验结果如图1、图2所示。

图1 天然砂与机制砂混凝土不同龄期的立方体抗压强度

图2 天然砂与机制砂混凝土不同龄期的轴心抗压强度

由图1可知，各组天然砂混凝土S1试件的各龄期立方体抗压强度值明显要低于机制砂混凝土S2，龄期越大，其立方体抗压强度差值越大。S2-1和S2-2的120 、180、365 d立方体抗压强度较28 d分别增加了18.9%、21.1%、24.6%和16.4%、17.5%、21.0%。石灰岩机制砂S2-2各个龄期的抗压强度均小于原状机制砂S2-1和水洗机制砂 S2-3，且S2-2在28 d后的强度发展速率也较S2-3低。由图2可知，天然砂混凝土试件的各龄期轴心抗压强度值明显要低于机制砂混凝土，石灰岩机制砂混凝土S2-2各龄期的轴心抗压强度值均小于原状机制砂混凝土S2-1和水洗机制砂混凝土S2-3。

综上可知，机制砂抗压强度均高于天然砂，而石灰岩机制砂抗压强度均低于原状及水洗机制砂。

2.3.2石粉含量对混凝土抗压强度的影响

以S2-3试验组为对象，进行0.5%、3.5%、7.5%这3种不同石粉含量下所轴心抗压及立方体抗压强度试验。试验结果及强度发展趋势如图3、图4所示，通过计算得到混凝土各龄期轴心抗压强度与立方体的抗压强度比值如图5所示，由图3、图4可知，随着石粉含量增加，混凝土立方体抗压强度值和轴心抗压强度值也随之变大，石粉含量从0.5%增加到3.5%，混凝土各龄期强度增加值比从3.5%增加到7.5%更大，考虑到机制砂混凝土中石粉含量超过10%时其立方体抗压强度会下降[5]，可以认为合理的石粉含量能有效地提高混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度。

图3 不同石粉含量的混凝土立方体抗压强度

图4 不同石粉含量的混凝土轴心抗压强度

图5 各龄期轴心抗压强度与立方体抗压强度比值

由图5可知，当石粉掺加量达到一定极限时，混凝土轴心抗压强度降低的同时，混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度比值fc/fcu也会出现下降的变化趋势，但是仍然满足相关规范的要求。

2.3.3矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响

基于不同矿物掺合料含量的混凝土各龄期立方体抗压强度、轴心抗压强度试验结果如图6、图7所示。

由图6可知，S3混凝土的早期立方体抗压强度值较S2-3和S4大，随着龄期增加，3种混凝土立方体抗压强度的差值变小，180 d龄期后S2-3和S4混凝土的立方体抗压强度均高于S3混凝土，可认为矿物掺合料可以提高混凝土的长期立方体抗压强度。由图7可知，在龄期90 d之前，S3混凝土的轴心抗压强度值较S2-3和S4大，同样矿物掺合料可以提高混凝土的长期轴心抗压强度。

图6 矿物掺合料对混凝土立方体抗压强度的影响

图7 矿物掺合料对混凝土轴心抗压强度的影响

3 小结

1)采用机制砂配制的C50混凝土抗压强度明显要高于天然砂配制的混凝土，机制砂混凝土的强度离散性较天然河砂混凝土大。

2)天然砂混凝土试件的各龄期轴心抗压强度值明显低于机制砂混凝土，石灰岩机制砂混凝土的各龄期轴心抗压强度值均小于原状机制砂混凝土。石灰岩机制砂各个龄期的抗压强度均小于水洗机制砂，且石灰岩机制砂在28 d后的强度发展速率也较水洗机制砂低。

3)合理的石粉含量能有效提高混凝土的立方体抗压强度与轴心抗压强度。当石粉掺加量超过一定数值后，混凝土抗压强度降低的同时，轴心抗压强度与立方体抗压强度比值fc/fcu也会出现下降的变化趋势，但是仍然满足相关规范要求。

4) 矿物掺合料可以提高混凝土的长期立方体抗压强度及轴心抗压强度。