机制砂与河砂配合使用对混凝土强度的影响研究

蒙忠欢

（湖南农业大学 工学院，湖南省长沙市芙蓉区农大路1号 410128）

混凝土是土木工程中必不可少的建筑材料，在工程建设中应用的非常广泛，房屋建筑、道路桥梁、水利设施等都要用到混凝土。天然砂是混凝土的主要成分之一，因此我国每年从河道中开采出大量的河砂用于工程建设。过度开采河砂不仅严重破坏了河道的自然生态，威胁到堤岸、桥梁的安全，也成为造成河流沉船事故的一个因素。此外，很多地区河道中河砂含量低且粒径细小，例如重庆和上海，两个城市均坐落于长江边，但开采出的河砂因粒径小而并不适于用作混凝土的细骨料。城市的发展，基础设施的建设都离不开混凝土，因此，有学者及工程建设专家提出了使用机制砂来代替河砂。机制砂是将天然石材磨碎而成的粒径大小为0.15～4.75 mm的不规则小石粒。机制砂的使用减少了对河砂的依赖，有效地解决了工程建设中因从其他地区购买河砂导致运输不便且费用高的难题。采用机制砂替代河砂会对混凝土性能产生影响，为减小机制砂的影响，改善混凝土的性能，必须进行机制砂与河砂配合使用的试验研究。

1 试验方法与材料

1.1 试验概况

试验于路桥华东工程有限公司丰都县项目部中心试验站进行。试验所用粗骨料为当地石灰岩压碎的粗颗粒，粒径大于5 mm，水泥为华新牌32.5普通硅酸盐水泥，水为清洁的自来水，细骨料为石灰岩压碎的细颗粒（机制砂）和湖南岳阳洞庭湖开采的河砂。

1.2 试验方法

在不加外加剂的情况下，设计了混凝土强度为C15，C20，C25，C30，C35，C40五个强度等级，砂率和水灰比根据以往试验经验选用。将机制砂与河砂按一定的比例配合，试验分7组，即细骨料中河砂的比例分别为10%，20%，30%，40%，50%，70%，90%，其编号为P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7。另外做一组细骨料全部是河砂的参照对比组。各组水泥用量、水用量和粗骨料用量全部与对照组一致，每组做6个试块。混凝土中各种材料用精度为1g的电子称称重，然后用容量为10 L的试验搅拌机搅拌，搅拌均匀后倒入150 mm×150 mm×150 mm的标准试模，做成试块，在恒温恒湿条件下养护28 d后进行抗压检验。

2 试验结果

2.1 细骨料为河砂混凝土强度的分析

混凝土的立方体抗压强度与水灰比成线性增长关系，同时混凝土立方体抗压强度与水泥强度也有很好的线性相关性。瑞士学者保罗米（J.Bolo mey）最早建立了混凝土强度与灰水比的经验公式，后经不断完善，得出了混凝土强度公式：

式中：fcc为混凝土立方体28 d龄期的抗压强度，MPa；fce为水泥28 d龄期的实际抗压强度；C／W为混凝土的水灰比；A，B为与混凝土用骨料和水泥品种有关的回归系数，根据以往经验测定。

混凝土强度是根据立方体试件在标准状况下养护28 d后具有95%强度保证率的抗压强度值。当混凝土中的细骨料全部为河砂时，各设计强度等级的混凝土配合比、水灰比以及28 d抗压强度测定值如表1所示。表中每个强度等级的28 d抗压强度均为同一搅拌机制作的6个试块的平均值。

表1中是普通混凝土配合比设计不同强度等级时各材料用量。混凝土强度的实测值是经过28 d养护后的试块在压力机上压碎，通过最大压力和试块受压面积计算得出的抗压强度，其结果能达到设计值且强度保证率在95%以上。

表1 细骨料全部为河砂的混凝土设计强度及测定值

2.2 细骨料为机制砂与河砂配合后混凝土的强度分析

在进行机制砂与河砂配合使用后混凝土的强度分析试验时，将机制砂与河砂按一定比例混合作为混凝土细骨料，其他材料的配合比与细骨料全部为河砂的配合比相同，每个设计强度等级混凝土，按其细骨料中河砂比例不同做7组标准试件，养护28 d后进行抗压强度检测。根据试验结果，绘制每个设计强度等级混凝土的实测抗压强度与细骨料中河砂比例变化的关系，如图1至图6所示。

由图1至图6可知，完全采用机制砂取代河砂作为混凝土中的细骨料，其强度不能达到河砂作为细骨料的设计强度。而在机制砂中掺入一定比例的河砂后，混凝土强度随着河砂在细骨料中比例的提高强度不断增加。混凝土强度等级为C15，C20，C25时，若混合细骨料中河砂含量在30%至40%，该种机制砂与河砂配合作细骨料的混凝土强度能达到设计强度，若继续增加细骨料中的河砂含量混凝土强度增加很小，因此，采用P·O32.5水泥，设计强度等级为C15，C20，C25的混凝土，使用机制砂与河砂按比例混合作细骨料，28 d抗压强度能达到设计值，此时机制砂与河砂比值可选用7∶3。混凝土强度等级为C30，C35，C40时，若混合细骨料中河砂含量在40%至50%时，该种机制砂与河砂配合作细骨料的混凝土能达到设计强度。此时机制砂与河砂的比值可选用6∶4。按该配合比配合的混合细骨料混凝土均能达到设计强度，且强度保证率达95%以上。

3 结论与讨论

在缺少河砂的地区可以采用机制砂部分替代河砂进行混凝土的加工生产，但是，在拌制混凝土时，既要保证混凝土能达到设计强度值同时又要达到一定的经济性，因此，需合理控制混凝土细骨料中机制砂与河砂混合比例。按《混凝土结构设计规范》，设计某一强度的混凝土时细骨料为抗压强度较高的石英砂，该种细骨料所构成的混凝土抗压强度均可达到设计值，且有一定的安全保障系数，即实际抗压强度超过设计强度10%至20%。而将该种细骨料全部用机制砂代替时，试验发现其强度达不到设计值。将机制砂与河砂按一定的配比混合作为细骨料时混凝土性能发生改变，其抗压强度随着河砂在混合料中的增加而增加。同时发现当配制低强度混凝土时河砂在混合细骨料中所占配比较低即可达到设计强度，当配制强度等级较高的混凝土时需提高河砂在混合细骨料中的比重才能达到设计强度。配制C25及以下等级的混凝土可在混合细骨料中将河砂含量设为30%进行拌制，配制C30及以上等级混凝土时将混合细骨料中河砂含量设为40%进行拌制，并可适当提高这一含量。因为高强度等级混凝土是工程结构中的重要受力结构，其混凝土强度要有一定的安全保障系数。

选用机制砂与河砂混合物作为细骨料的混凝土，随着河砂含量的增加混凝土抗压强度增加，含河砂量与抗压强度并不程线性相关，而是存在一个分界段，当河砂含量超过这个分界段后，混凝土抗压强度增加量变小，而继续提高河砂含量虽能保证其能达到设计强度，但会使混凝土造价成本增加很多。在保证混凝土能达到设计要求的情况下选用合理的机制砂与河砂的配合比构成混凝土细骨料可降低混凝土成本并保证其设计强度达到工程建设上经济与安全的目的。

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