机制砂掺量对混凝土抗冻性能的影响

齐继民，王相国，赵静静

（临沂中联混凝土混凝土有限公司，山东 临沂 276000）

0 前言

机制砂是指通过除土开采、机械破碎、筛分等过程制成的粒径小于 4.75mm 的岩石颗粒，其中不包括风化岩石、软质岩的颗粒。机制砂生产过程中会产生细小的粉末，粒径通常在 0.075mm 以下的颗粒统称为石粉，主要化学成分与云母相似[1]。机制砂中的石粉改善了混凝土内部的孔隙结构和密实程度，可有效提高混凝土的抗渗性能[2]。适量机制砂的掺入对混凝土的和易性、耐久性、抗压抗折强度等性能均有影响。因此，本文以C30 混凝土为例，研究不同的机制砂掺量对混凝土抗冻性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥为 P·O42.5 水泥，产地为临沂中联混凝土有限公司，其主要性能指标见表 1；试验所用机制砂产地为山东盛源建材有限公司，其主要性能指标见表 2，机制砂中的石粉的主要化学成分见表 3。

表1 水泥的主要物理性能

表2 机制砂的主要物理性能 %

表3 石粉的主要化学成分 %

1.2 试验配合比

将机制砂替代不同砂质量作为变量因素，替代砂的质量分别为 0、100kg/m3、200kg/m3、300kg/m3，试验试块编号分别为 D1、D2、D3、D4，C30 混凝土的具体配合比见表 4，测定混凝土试块在 50 次、100 次、200次、250 次、300 次时的相对动弹性模量与质量损失率，探究机制砂掺量对混凝土抗冻性能的影响。

表4 不同机制砂掺量的混凝土配合比 kg/m3

1.3 试验方法

混凝土的快速冻融试验按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[3]、电力行业标准 DL/T 5150—2001《水土混凝土试验规程》、美国 ASTM C 666/C 666M—2003《混凝土耐快速冻融的标准试验方法》[4]进行。本试验采用水冻水融法，把符合外观要求的 100mm×100mm×400mm 的混凝土试件和测温试件放进试件桶中，然后把试件桶放入冻融试验槽中，用循环的载冷剂对试件进行降温和升温，周期性地把试件内外的水进行冻结和融化，以此来测定混凝土试件在水冻水融条件下，将经受的快速冻融循环次数、相对动弹性模量、质量损失率作为混凝土抗冻性能的指标。

2 试验结果与分析

2.1 机制砂掺量对混凝土抗冻融相对动弹性模量的影响

相对动弹性模量的变化反映了在冻融过程中混凝土试件内部结构的劣化程度。每隔 25～100 次冻融循环，测量试件的横向基频，并计算相对动弹性模量。测定不同机制砂掺量的混凝土 D1、D2、D3、D4 在多次冻融循环后的相对动弹性模量，探究石粉掺量对混凝土抗冻性能的影响，试验结果见表 5 和图 1、图 2。

表5 机制砂掺量对混凝土相对动弹性模量的影响

图1 机制砂掺量对混凝土相对动弹性模量的影响

图2 机制砂掺量对混凝土相对动弹性模量的影响

从图 1 和图 2 可以看出，掺入机制砂的混凝土试件D2、D3、D4 在冻融循环过程中的相对动弹性模量较不掺机制砂的混凝土试件 D1 大一些，试件 D1、D2、D3、D4 的相对动弹性模量随着冻融次数的增加表现出减小的趋势。在冻融循环次数相同时，试件 D1、D2、D3、D4 的相对动弹性模量随着机制砂掺量的增加而减小，即掺入机制砂混凝土的抗冻性能更好。其中可能的原因是，机制砂中有一定的石粉含量，石粉的粒径较小，在水泥水化过程中起到了微集料填充作用，填充在水泥颗粒之间，改变混凝土内部的孔结构，使孔隙率降低，再者石粉中的 CaO 与水泥中的 C3A 反应生产碳铝酸盐，进一步改善并细化了孔结构[5]，提高了混凝土内部的密实程度，因而掺入机制砂的混凝土具有更好的抗冻性能。

2.2 机制砂掺量对混凝土抗冻融质量损失率的影响

质量损失率反应了在冻融过程中混凝土抵抗剥落的能力，是评价混凝土抗冻性能的重要指标。每隔 25～100 次冻融循环，测量试件的质量，并计算质量损失率。测定不同机制砂掺量的混凝土 D1、D2、D3、D4在多次冻融循环后的质量损失率，探究机制砂掺量对混凝土抗冻性能的影响，试验结果见表 6 和图 3、图 4。

表6 机制砂掺量对混凝土质量损失率的影响

图3 机制砂掺量对混凝土质量损失率的影响

从图 3 和图 4 可以看出，掺入机制砂的混凝土试件D2、D3、D4 在冻融循环过程中的质量损失率较不掺机制砂的混凝土试件 D1 低，在冻融循环次数相同时，试件 D1、D2、D3、D4 的相对动弹性模量随机制砂掺量的增加而减小，掺 300kg/m3机制砂的混凝土试件 D4 与不掺石粉的混凝土试件 D1 相比，最大相对质量损失率减小了 27.7%，即掺入机制砂混凝土的抗冻性能更好。其中可能的原因是，机制砂中有一定的石粉含量，石粉的微集料效应增强了混凝土的密实程度[6]，降低混凝土的孔隙率，更好地阻碍了外界水分的进入，减少了冻融条件下混凝土质量的损失。

3 结论

（1）掺入机制砂的混凝土试件比不掺机制砂的混凝土在冻融循环过程中的相对动弹性模量大，试件 D1、D2、D3、D4 的相对动弹性模量随着冻融次数的增加表现出减小的趋势。在冻融次数相同时，试件D1、D2、D3、D4 的相对动弹性模量随着机制砂掺量的增加而减小。

图4 机制砂掺量对混凝土质量损失率的影响

（2）掺入机制砂的混凝土试件 D2、D3、D4 在冻融循环过程中的质量损失率较不掺机制砂的混凝土试件 D1 低。在冻融次数相同时，试件 D1、D2、D3、D4的相对动弹性模量随着机制砂掺量的增加而减小，掺300kg/m3机制砂的混凝土试件 D4 与不掺机制砂的混凝土试件 D1 相比，最大相对质量损失率减小了 27.7%。