机制砂对混凝土的体积变形和力学性能的影响

夏吉涛，李子成，张爱菊，王振田，杨新伟

(1.中铁二十一局集团有限公司，甘肃 兰州 730000;2.石家庄铁路职业技术学院，河北 石家庄 050041)

普通水泥混凝土是工程中使用最广泛的材料之一，其中混凝土的细集料大多数采用天然河砂。随着我国经济的发展，对天然砂的需求量急剧增加，而天然砂又是短期不可再生资源，因此天然砂资源显得日益紧缺［1］。因此，人们迫切需要寻找一种与天然砂性质类似的材料的替代。机制砂就是经除土处理，由机械破碎、筛分制成，粒径小于4.75 mm 的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但不包括软质岩、风化的颗粒，俗称人工砂。机制砂与天然砂的性质相近，其最大区别是含有一定量的石粉。近年来研究人员对机制砂的研究主要集中在机制砂的岩性［2］以及机制砂对混凝土工作性能和耐久性［3－5］等方面的影响。但关于机制砂对混凝土体积变形的报道尚不多见。鉴于此本研究针对几种不同的机制砂对混凝土体积稳定性进行了初步的试验研究。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

水泥:鼎鑫P·O42.5 级普通硅酸盐水泥。4种机制砂:石灰岩机制砂，其各项指标见表1。减水剂:选用聚羧酸高效减水剂(减水率30%)。

1.2 试验方法

机制砂混凝土的体积稳定性试验依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。

表1 细集料的性能指标

机制砂混凝土的早期开裂试验采用尺寸为800 mm×600 mm×100 mm 的平面薄型板试件，试验温度(20±2)℃，相对湿度为(60±5)%。收缩试验采用接触法测定无约束和规定的温湿度条件下硬化混凝土试件的变形情况，样品尺寸100 mm×100 mm×515 mm 的棱柱体试件。

机制砂混凝土的力学性能检测依据GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

2 结果与讨论

2.1 机制砂对混凝土抗裂性的影响

机制砂混凝土的早期抗裂性检测是在试件成型30 min 后，用风扇使试件表面中心正上方100 mm处风速为(5±0.5)m/s，在(24±0.5)h 测读裂缝尺寸并计算单位面积的总开裂面积。结果由表2 示出，可见机制砂中随着石粉含量的增加单位面积的总开裂面积增大，但石粉含量不超过12.5%时，开裂面积增大幅度不大，当石粉含量达到18.7%时开裂面积迅速增加。原因是随着石粉含量的增加，集料比表面积增大，使总浆体数量增多，增加了出现开裂的倾向。因此，对于机制砂混凝土一定要做好早期养护，防止混凝土表面失水过快，才能减少开裂。

表2 机制砂混凝土早期抗裂试验数据

2.2 机制砂对混凝土收缩性的影响

机制砂对混凝土收缩性的影响试验数据由表3示出。可见，随着龄期的增长早期干缩率明显增加，后期干缩率略微增加。另外，相同龄期下随着石粉含量的增加，干缩率呈现出总体增大的趋势，但当石粉含量超过12.5%时，干缩率增大趋势有所减小。机制砂对于混凝土的干缩率有正负两方面作用。正效应方面:机制砂中粒径很小的石粉起微集料填充作用，使混凝土孔隙率降低，结构更密实，对其干燥收缩有一定抑制作用。负效应方面:机制砂中石粉粒径小，比表面积增大，浆体数量增多，增大了混凝土的收缩。当石粉含量较小时，负效应占优势，干缩率随石粉含量的增加而增大;当石粉含量超过一定值时，正效应占优势，干缩率随石粉含量的增加而减小。

表3 机制砂对混凝土干缩率的影响

2.3 机制砂对混凝土力学性能的影响

采用机制砂配制混凝土，在标准养护条件下养护至规定龄期，分别检测其抗压强度和劈裂抗拉强度，强度数据如表4 所示。结果发现，随着机制砂中石粉含量的增加其抗压强度和劈裂抗拉强度均有所提高，其中石粉含量为12.5%的机制砂强度最高，但当机制砂中石粉含量达18.7%时，强度下降。分析原因，机制砂对混凝土的强度也有正负两方面效应。正效应方面:石粉粒径小，可以起到微集料填充效应，使混凝土结构致密;小颗粒石粉分散在新拌混凝土中起微晶核作用，加速水化产物的沉积和析出;另外，机制砂表面粗糙棱角多，可以增强与胶结材料的把持力。负效应方面:机制砂中如果石粉含量过多，集料比表面积增加，水泥浆量显得不足，导致胶结料粘性降低，所以强度降低。因此，用机制砂配制混凝土对提高强度有利，但需控制机制砂中的石粉含量，机制砂中石粉含量在10%～15%较适宜。

表4 机制砂混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度 MPa

3 结论

1)机制砂中的石粉会增加了混凝土的早期开裂倾向，对机制砂混凝土工程要加强早期养护制度。

2)机制砂对于混凝土的收缩具有正负效应，当石粉含量较小时，干缩率随石粉含量的增加而增大;当石粉含量超过一定值时，干缩率随石粉含量的增加而减小。

3)采用机制砂配制混凝土有利于提高其力学性能，但需控制机制砂中的石粉含量，机制砂中石粉含量在10%～15%较适宜。

［1］徐 健，蔡基伟，王稷良.人工砂与人工砂混凝土的研究现状［J］.国外建材科技，2004，25(3):20－21.

［2］秦 廉，张 雄，伍根伙，等.机制砂生产线投产前的母岩检验与机制砂评价方法［J］.新型建筑材料，2012(1):24－26.

［3］艾长发，彭 浩，胡 超，等.机制砂级配对混凝土性能的影响规律与作用效应［J］.混凝土，2013(1):73－76.

［4］陈学锋，耿京芳，黄才文，等.低标号混凝土采用机制砂代替天然砂可行性分析［J］.公路工程，2009(5):119－120，124.

［5］卢向华.机制砂在高标号混凝土中的应用［J］.湖南交通科技，2007(4):88－90.