机制砂混凝土早期开裂及抗水渗透性能影响因素研究

余胜伟

(湖南省交通建设工程监理有限公司, 湖南 长沙 410015)

0 引言

在天然砂难以满足建设需求的背景下，机制砂应运而生。当前运用机制砂配制混凝土已成为生产混凝土的一种常见方式。机制砂混凝土综合运用性能较好，同时价格优惠、生产简便，逐步得到了广大工程人员的认可。但机制砂运用于配备高性能混凝土，仍存在诸多不足，如机制砂在特殊结构上的工作状态与普通河砂的某些力学性能相比还有不足等。若要对机制砂进行充分利用，则需改善其配比性质，通过添加其他材料提高其强度等性能，调配出适用性强的机制砂混凝土[1-2]。机制砂混凝土耐久性能是国内研究者青睐内容之一，形成了诸多具有借鉴意义的研究成果。国内关于机制砂混凝土的性能研究主要集中在混凝土的抗冻性及抗渗性方面，并且在这两种性能方面的研究成果还存在部分争议性[3]。如赵静等[4]进行了机制砂、普通砂等多种砂的混凝土耐久性研究，考察3种砂制成混凝土的抗冻、抗渗、抗碳化等耐久性，试验结果表明：机制砂混凝土耐久性较天然砂混凝土好，机制砂中石粉对机制砂混凝土的抗渗等耐久性指标影响不大，同时试验得到了7%石粉含量的机制砂在C50混凝土中具有可运用性的结论。机制砂混凝土的耐久性能受多种因素影响，雨水侵蚀或有害液体侵入混凝土内部均能降低混凝土耐久性能。机制砂的应用领域较多，尤其是运用到大体积混凝土中，更需要进行耐久性能研究，以期获得更为有效的研究成果和更加实用的操作规范。

本文以砂类、石粉含量、矿物掺合量为变量，研究变量变化对机制砂混凝土早期抗裂及抗渗透性能的影响程度。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

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，各项技术指标检验值均满足规定要求。

2) 矿物掺合料。在机制砂混凝土中加入矿物掺合料可降低水泥用量，从而减少水泥水化热，同时矿物掺合料还能改善混凝土结构工作性能及内部多孔隙结构的性能，提高机制砂混凝土的抗渗透、抗腐蚀等多项性能指标。本文选择粉煤灰作为矿物掺合料，粉煤灰等级为II级，其技术性能指标均满足规定要求值。

3)粗集料。粗集料粒径对机制砂混凝土的和易性影响较大，在选择粗集料时应尽量选择最大粒径较小、粒径均匀的碎石。通过调查国内C50机制砂混凝土的使用现状，发现粗集料的最大粒径一般不超过20 mm。本文采用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，具体指标满足规范要求；按照《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2011)确定其级配碎石筛分结果，具体指标满足规范要求。

4) 机制砂细集料。选用4种砂：天然砂、原状机制砂、石灰岩机制砂和水洗机制砂，4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。

5) 外加剂。采用HXSX-A类高效减水剂，比照《聚羧酸系高性能减水剂》(JG/T223—2017)、《混凝土外加剂》(GB8076—2008)规定内容，可确定该类外加剂可用于机制砂混凝土的配置。

6)水。所涉及的水均采用自来水。

7) 基准配合比。m水∶m水泥∶m砂∶m石∶m外加剂=150∶428∶692∶1130∶4.28。

1.2 试验方案

针对机制砂混凝土的耐久性能，主要研究砂类、石粉含量、粉煤灰矿物掺合料这3个参数对机制混凝土早期开裂及抗水渗透性的影响。试验设置砂种类为：天然砂、原状机制砂、石灰岩机制砂、水洗机制砂4种；石粉含量为：0.5%、3.5%和7.5%；矿物掺和料含量为：0%、6%。其他材料种类和含量保持不变。试验组设计如表1所示。

表1 耐久性试验组设置试验组编号机制砂种类石粉含量/%矿物掺和料/%其他材料X1天然砂0.50X2-1原状机制砂0.50

续表1 耐久性试验组设置试验组编号机制砂种类石粉含量/%矿物掺和料/%其他材料X2-2石灰岩机制砂0.50P·O42.5级普通硅酸盐水泥、5～16 mm及16～25 mm连续级配碎石、HXSX-A类高效减水剂、水X2-3水洗机制砂0.50X3-1天然砂0.56X4-1原状机制砂3.50X4-2原状机制砂7.50X4-3水洗机制砂3.50

2 机制砂混凝土早期开裂影响因素试验研究

在炎热或多风季节，混凝土结构(如路面、混凝土桥和地板等)存在大面积暴露，当混凝土表面水分蒸发速率大于混凝土出水率时，混凝土表面存在较大收缩应力；当混凝土处于塑性状态时，混凝土表面收缩应力大于混凝土表面抗拉强度，此时将产生收缩裂缝，混凝土发生早期开裂。裂缝的存在降低了混凝土结构承受载荷能力，从而降低混凝土的耐久性。

依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082—2009)制作机制砂混凝土试件，试件尺寸为800 mm×600 mm×100 mm，试验环境温度控制在(20±2)℃，相对湿度保持在(60±5)%，控制风速保持在(5±0.5)m/s，采用MG10085-1A100X显微镜观测试件裂缝。混凝土早期抗裂性能的等级划分见表2。

表2 混凝土早期抗裂性能的等级划分等级单位面积总开裂面积C/(mm2·m-2)ⅠC≥1 000Ⅱ700≤C<1 000Ⅲ400≤C<700Ⅳ100≤C<400ⅤC<100

2.1 机制砂混凝土早期开裂受砂种类影响

基于相同配合比，对X1(天然砂)、X2-1(原状机制砂)、X2-2(石灰岩机制砂)和X2-3(水洗机制砂)混凝土的早期开裂进行分析，试验结果见表3、图1。

由表3和图1可知，机制砂混凝土单位面积的总开裂面积小于天然砂混凝土，而天然砂的弹性模量小于石灰岩，由此可知混凝土中集料的种类和弹性模量对其早期收缩有很大影响，选用机制砂，并选用弹性模量大的集料，则混凝土抗裂性能较好。

表3 机制砂混凝土早期开裂情况统计表试验组编号贯穿裂缝/条平均开裂面积/mm2裂缝数目/条·m-2 总开裂面积/mm2·m-2 裂缝最大宽度/mm等级评定 X132738.69450.41ⅡX2-123917.86230.37ⅢX2-202328.25610.31ⅢX2-311330.33420.29Ⅳ

图1 不同砂种类混凝土的早期开裂情况

2.2 机制砂混凝早期开裂受石粉含量的影响

对石粉含量为0.5%、3.5%和7.5%原状机制砂混凝土(试件编号分别为：X2-1、X4-1、X4-2)的早期开裂进行分析，试验结果见图2。

图2 不同石粉含量机制砂混凝土的早期开裂情况

由图2可知，原状机制砂混凝土中石粉含量从0.5%增加至3.5%时，随着石粉含量增加，机制砂混凝土单位面积的总开裂面积先减小，此时机制砂混凝土早期抗开裂性能得到提高；当机制砂混凝土中石粉含量从3.5%增加至7.5%时，混凝土单位面积的总开裂面积再次变大，对应的早期抗开裂性能被削弱。可见，石粉含量并非越大越好，本文试验最佳石粉含量为3.5%，其对应的混凝土早期开裂性能最佳。

2.3 机制砂混凝土早期开裂受矿物掺合料影响

对粉煤灰掺合料的机制砂混凝土早期开裂进行分析，得到试验结果如表4所示。

表4 2种矿物掺合料含量的机制砂混凝土早期开裂结果试验组编号矿物掺合料情况早期开裂情况水胶比掺加量/%裂缝数目/条·m-2 总开裂面积/mm2·m-2 裂缝最大宽度/mmX10.35024.03310.17X3-10.35613.6660.06

由表4可知，X3-1混凝土单位面积的裂缝数量、总开裂面积及裂缝最大宽度均要低于X1混凝土，说明掺加矿物掺合料会降低混凝土的抗早期开裂性能。

3 机制砂混凝土抗水渗透性影响因素试验研究

混凝土结构的内部孔隙较多，孔隙的存在影响水分流动，同时影响混凝土结构的耐久性。为分析机制砂混凝土抗水渗透性能，参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082—2009)，运用逐级加压法进行机制砂混凝土抗水渗透性能试验，研究天然砂和机制砂混凝土的抗水渗透性能。本次抗水渗透试验所采用的仪器是HP-4.0型混凝土抗渗仪，混凝土试件抗渗等级的计算主要参照式(1)。

P=10H-1

(1)

式中：H为50%的试件出现渗水时的水压力,MPa；P为混凝土的抗渗等级。

获得的抗水渗透结果见表5。

表5 机制砂混凝土抗水渗透试验结果编号水压力/MPa抗渗等级X12.1P20X2-12.0P19X2-21.9P18X2-31.6P15X3-12.1P20X4-12.1P20X4-22.2P21X4-31.6P15

由表5可知，各试验组混凝土的抗渗等级均在P15级以上。

3.1 机制砂混凝土抗水渗透能力受砂种类影响

混凝土配合比相同时，天然砂混凝土X1的抗水渗透性最强，渗水压力达到2.1 MPa时才出现渗水，水洗机制砂混凝土X2-3的抗水渗透性最差，渗水压力在1.6 MPa时试件就开始渗水。总体来看，天然砂混凝土的抗水渗透性强于机制砂混凝土，机制砂在经过水洗后，砂中的细料部分会被水冲洗干净，导致整个混凝土结构的孔隙率增加，从而降低了水洗机制砂混凝土的抗渗透性能。

3.2 机制砂混凝土抗水渗透能力受石粉含量变化影响

由表5可知，同一种类机制砂混凝土，随着石粉含量增大，其抗渗等级越高。其中，X4-2混凝土抗渗等级最高，X4-3混凝土抗渗等级最低，这是由于水洗机制砂中粒径0.6 mm以下的颗粒被清理干净导致混凝土结构内部出现较大的孔隙率，使水洗机制砂混凝土的抗水渗透性能被减弱。掺入足够的石粉具有填充混凝土孔隙作用，一定程度上提高了混凝土的密实度，使机制砂混凝土的抗水渗透性能得到显著提高。

3.3 机制砂混凝土抗水渗透能力受矿物掺合料影响

通过比较表5中X1和X3-1可知，在机制砂混凝土中掺入6%的矿物掺合料取代部分水泥，能够提高机制砂混凝土的抗水渗透性能，这是由于掺加矿物掺合料的混凝土在水泥水化过程中会发生复杂的化学反应生成特殊的胶凝材料，提高了混凝土的密实度。同时，胶凝材料的堆积密度也影响水泥浆体的抗水渗透性能，矿物掺合料的粒度均小于水泥颗粒，胶凝材料的各组成颗粒相互搭配填充后将获得更佳级配，进一步降低了混凝土的孔隙率，提高抗渗水性能。

4 结语

1) 机制砂混凝土中砂的种类和弹性模量对其早期收缩有很大影响，选用弹性模量大的机制砂，则混凝土抗裂性能较好。掺加粉煤灰矿物掺合料降低了混凝土的抗早期开裂性能。石粉含量并非越大越好，本文试验最佳石粉含量为3.5%，对应的早期开裂性能最佳。

2) 天然砂混凝土的抗水渗透性强于机制砂混凝土。随着石粉含量增大，同一机制砂混凝土下的混合料抗渗等级越高。但水洗机制砂相对于原状机制砂在抗水渗透方面的性能明显较差。掺入矿物掺合料后，机制砂混凝土抗水渗透等级显著高于未掺矿物掺合料的机制砂混凝土。