机制砂对高强度混凝土性能影响研究

康梦安，胡卫涛，周世康

（中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

随着我国基础建设的突飞猛进，一幢幢国家级建筑工程拔地而起，建筑资源在不断的被消耗，且我国近年来环境保护力度也在不断加大，对于河道天然砂资源的开采也加强了控制，致使可开采天然砂越来越少，机制砂在工程中的应用也越来越广泛。机制砂经人工破碎而形成的棱角尖锐、表面粗糙的小级配颗粒，与天然砂相比机制砂石粉含量较高、颗粒内部微裂隙较多，致使新拌混凝土性能差异明显，目前绝大部分分机制砂替代天然砂使用还仅局限于低标号混凝土中，且石粉含量对混凝土性能的影响，也一直是国内外研究学者存在争议的地方[1-4]。本文基于机制砂配制的C50、C55高性能混凝土，对机制砂混凝土的工作性能、力学性能、耐久性变形性能等进行了全面的研究，并探讨了其适用领域。

1 试验概况

1.1 原材料特性

本研究涉及试验用原材料均为某工程实际用材，其中减水剂为减水率为28%的聚羧酸高性能减水剂，其它材料特性见表1。

1.2 混凝土配合比

研究过程中所涉及的配合比均采用工程实际配合比，其中，主要配合比见表2。

表1 原材料特性

表2 混凝土配合比 kg/m3

2 混凝土的工作性

研究采用表2所示的混凝土配合比制备新拌混凝土，其新拌混凝土工作性的试验结果见图1。

由图1可知，同一强度等级混凝土，机制砂混凝土坍落度均较小、坍落度经时损失均较快。这是由于：机制砂表面粗糙、颗粒有尖锐的棱角，致使水泥与集料粘结度提高，拌合物之间的摩擦阻力也较大，使得混凝土的流动性降低；同时机制砂的粉含量较高、细度模数偏大，这种明显的含粉体系，增加了混凝土的需水量，坍落度的经时损失下降较为明显，混凝土工作性能降低。

图1 天然砂与机制砂制备混凝土的坍落度

3 混凝土的力学性能

3.1 立方体抗压强度

混凝土立方体抗压强度试验研究依据GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，其试验结果见图2。

图2 不同龄期机制砂与天然砂混凝土抗压强度

由图2可知：各龄期机制砂混凝土强度均高于天然砂混凝土，这主要是由于机制砂是由石材破碎而成，本身强度较高，且含有泥粉的天然砂在混凝土拌合过程中会吸附大量的自由水，混凝土硬化过程中自由水被不断的蒸发或吸收利用，原有自由水位置就形成了大量的内部孔隙，这种孔隙通常包裹在集料的表面，降低了集料与水泥浆的粘结强度，从而降低了混凝土强度[5]。但矿渣粉和粉煤灰的后期火山灰效应优于机制砂本身的增强效应，随着龄期的发展混凝土的界面结构和孔隙结构被不断改善，进而使得机制砂与天然砂所拌制的混凝土强度随着龄期的增长强度差值呈现先增加后减小的趋势，最终达到一个相对稳定的状态。

3.2 劈裂抗拉强度

混凝土劈裂抗拉强度指的是混凝土发生塑性变形直到出现裂隙，混凝土构件所能抵抗的最大拉力[6]，本研究机制砂与天然砂混凝土劈裂抗拉强度试验结果见图3。

图3 混凝土的劈裂抗拉强度试验结果

由图3可知：同一混凝土强度等级，机制砂混凝土的劈裂抗拉强度比天然砂混凝土的大，且28 d前强度增长速率也较快，随着龄期的不断增长，两者的强度差值逐渐减小。

3.3 静压弹性模量

本研究机制砂与天然砂的静压弹性模量参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，其研究结果见图4。

由图4可知：各龄期机制砂混凝土的静压弹性模量均明显大于天然砂混凝土，这主要是由于机制砂有较好的咬合力，外力作用下出现的滑动变形较小，这导致在相同工况下机制砂混凝土的静压弹性模量更大。

3.4 弹性模量与立方体抗压强度关系

图4不同龄期混凝土静压弹性模量结果

弹性模量体现了混凝土在荷载作用下应力-应变关系，常用的混凝土弹性模量与立方体抗压强度之间的关系有如式（1）、式（2）所示两种[7]。分别计算了C55混凝土的弹性模量计算值与实测值，计算结果见表3。

式中：fcu为立方体抗压强度（MPa）。

表3 C55混凝土弹性模量实测值与理论值统计

试验结果表明：各龄期机制砂混凝土弹性木两实测值均大于理论值，且随着龄期的增长，两者间的差值也不断增加，这表明天然砂立方体抗压强度与弹性模量间的关系式不适用于高强机制砂混凝土，仍需做进一步修正。

4 混凝土的耐久性

4.1 抗水渗透性能

渗水高度法、相对渗透系数法和逐级加压法三种方法是国内外较为常用的混凝土抗渗试验方法，本研究采用逐级加压法，对比研究了C50、C55机制砂与天然砂混凝土抗水渗透性能，其试验结果见表4。

试验结果表明：机制砂混凝土的抗水渗透性能较天然砂差，这主要是由于细集料在混凝土中主要起物理填充作用，为惰性体不参与水化反应，作为填充体，机制砂颗粒多棱角、不规则，颗粒内部有害空隙较多，而天然砂多为表面光滑致密；且经天然砂拌和的混凝土流动性较机制砂混凝土好，致使料过渡区及颗粒与集料之间有害的孔隙较少，从而抗水渗透性能较好。

表4 混凝土抗水渗透试验结果

4.2 抗氯离子渗透性能

本研究混凝土抗氯离子渗透性能依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中电通量法进行，其试验结果见图5。

图5 混凝土的电通量试验结果

由图5可知：随着龄期的不断增长混凝土的抗氯离子渗透性能均不断增强，且在40 d之前机制砂混凝土的抗氯离子渗透性能较天然砂混凝土差，但随着龄期的不断增长在40 d以后机制砂混凝土的抗氯离子渗透性能不断反超天然砂混凝土。这主要是由于机制砂混凝土多为高粉体体系，石粉在混凝土中主要起物理填充作用，增强了混凝土的密实度，同时石粉也具有一定的活性可以与水泥中的C4AF、C3A发生发应，反应产物与其它水化产物之间相互搭接，进一步增加了混凝土的密实度，从而使混凝土的抗氯离子渗透性能得以提高，同时该研究实验结果也进一步佐证了机制砂混凝土中的石粉在混凝土后期强度增长过程中可参与水泥的水化反应，具有一定活性。

5 混凝土体积变形性能

本试验研究机制砂与天然砂混凝土不同龄期的收缩值见图6。

图6 不同龄期混凝土的收缩性能

由图6可知：相同工况下机制砂混凝土前期收缩与天然砂混凝土相比相差不大，随着龄期的增长，约20 d后，天然砂混凝土的收缩值明显大于机制砂混凝土。这主要是由于机制砂中的石粉具有完善级配、提高混凝土结构密实性的性能，从而可有效抑制混凝土的收缩；同时由于机制砂的微裂隙结构使得混凝土需水量增加，孔隙中吸收的水分降低了混凝土硬化过程中的水分损失，并且在混凝土起到一定的内养护作用，降低了混凝土的收缩性能。

6 结 语

本研究的主要结论：

（1）机制砂不规则的物理形态及自身的增强效应使得机制砂混凝土具有较高的力学性能，但其工作性能和耐久性需进一步改善；

（2）由于机制砂颗粒间较强的啮合力及石粉的密实作用限制了混凝土的变形，进而使得机制砂混凝土后期抗收缩性能优于天然砂混凝土；

（3）高强机制砂混凝土不适用于普通混凝土弹性模量与抗压强度的经验数学模型，其实测值均大于计算值。