机械制造砂石混凝土早期开裂与抗水渗透性影响分析

孟召辉

(盘锦河海土木工程咨询有限公司，辽宁 盘锦 124200)

随着城市化建设的快速推进，工程建设对天然砂的需求矛盾日趋激烈，机制砂作为一种替代材料应运而生，并逐渐成为混凝土配置的主要方式。机制砂混凝土具有生产简便、价格优惠、综合运用性好等优势，在许多工程领域得到广泛的应用[1]。然而，对高性能混凝土配置利用机制砂仍存在许多不足，如相对于普通河砂的力学性能在特殊结构上机制砂的工作状态还存在缺陷[2]。为了充分利用机制砂，必须优化配合比改善其性质，通过掺入其他材料调配出适应性强、力学性能好的机制砂混凝土。长期以来，国内研究人员都致力于机制砂混凝土的抗渗性、抗冻性等方面研究，并取得了丰硕的研究成果，但现有研究对于这两种性能尚存在一定争议，如赵静等[3]探讨了普通砂、机制砂等配制的混凝土抗碳化、抗渗、抗冻等耐久性，结果发现机制砂优于天然砂，机制砂混凝土的耐久性指标受机制砂石粉的影响较低，在C50混凝土中可以掺入含7%石粉含量的机制砂。实践表明，诸多不利因素均可在一定程度上影响机制砂混凝土的耐久性，如有害液体侵入或雨水侵蚀等都会降低耐久性。机制砂的适用范围广泛，特别是对大体积混凝土具有较好适用性，为获取更加实用的操作规范和更为有效的研究成果有必要开展耐久性研究[4-5]。

1 试验方法

1.1 原材料准备

1)水泥。试验所用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，其抗裂性能优良、质量稳定性好且各项技术指标均符合设计要求。

2)矿物掺合料。将矿物掺合料加入机制砂混凝土中，可以减少水泥用量和水泥水化热，并且矿物掺合料能够提高机制砂混凝土抗腐蚀性、抗渗透性等性能，改善混凝土内部多孔隙结构及其工作性能。采用的矿物掺合料为Ⅱ级粉煤灰，经检验各项技术指标符合规范要求。

3)外加剂与水。本次试验选用的高效减水剂为HXSX-A类，依据《混凝土外加剂》和《聚羧酸系高性能减水剂》有关要求，对于机制砂混凝土该外加剂具有较好适用性。混凝土配制所用水为自来水。

4)机制砂细集料。选用水洗机制砂、石灰岩机制砂、原状机制砂和天然砂4种砂，经筛分试验及各项指标检测4种砂均符合级配曲线分区要求和规范设计要求。

5)粗集料。机制砂混凝土和易性受粗集料粒径的影响较大，粗集料选择时尽可能使用粒径均匀、最大粒径较小的碎石，结合机制砂混凝土使用情况粗集料粒径≤20mm为宜。本次试验选用16-25mm和5-15mm连续级配碎石，借鉴《公路桥涵施工技术规范》、《公路工程集料试验规程》确定粗集料级配碎石筛分结果及其物理性能，结果发现各项指标均符合规范要求。

根据以上原材料，设计基准配合比：m水泥：m外加剂：m水：m砂：m石=425：4.26:160：695：1140。

1.2 试验设计

本次试验主要是研究机制砂混凝土早期开裂及其抗水渗透性受粉煤灰矿物掺合料、石粉含量、砂类等参数的影响，其中矿物掺合料含量为5%、0%，石粉含量为8%、4%、1%，砂种类有水洗机制砂、石灰岩机制砂、原状机制砂和天然砂，保持其他材料含量和种类不变设计试验分组。试验设计，见表1。

表1 试验设计

2 结果与分析

多风或炎热季节大面积暴露的混凝土地板、桥梁、路面等结构，若表面出水率小于水分蒸发速率则混凝土表面产生较大收缩应力，塑性状态时表面抗拉强度<收缩应力就会形成收缩裂缝，即发生早期开裂[6]。因此，裂缝的形成降低了混凝土的耐久性和结构的荷载承受力。

机制砂混凝土试件的制作方法执行《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，设计尺寸为100mm×600mm×800mm，控制风速(5±0.5)m/s、相对湿度(60%±5)%、环境温度(20±2)℃。试件裂缝利用显微镜观测，早期抗裂等级划分，见表2。

表2 早期抗裂等级划分

2.1 砂种类对早期开裂的影响

保持基准配合比不变，研究分析水洗机制砂(M2-3)、石灰岩机制砂(M2-2)、原状机制砂(M2-1)、天然砂(M1)混凝土早期开裂性，混凝土早期开裂统计表，见表3。

表3 混凝土早期开裂统计表

从表3可以看出，天然砂混凝土单位面积的总开裂面积大于机制砂混凝土，而石灰岩的弹性模量高于天然砂，研究表明混凝土早期收缩受弹性模量和集料种类的影响较大，为保证混凝土的抗裂性能应选用弹性模量大的机制砂。

2.2 石粉含量对早期开裂的影响

保持基准配合比不变，研究分析石粉含量1%(M2-1)、4%(M4-1)、8%(M4-2)的原状机制砂混凝土早期抗裂性，石粉含量对早期开裂的影响，见图1。

图1 石粉含量对早期开裂的影响

图1表明，石粉含量从1%不断增加到8%则机制砂混凝土单位面积的总开裂面积呈先减小再增大的变化趋势，早期开裂性能呈先上升后下降的变化特征，由此表明机制砂混凝土中石粉含量并非越高越好[7]，石粉含量为4%时机制砂混凝土具有最优的早期开裂性能。

2.3 矿物掺合料对早期开裂的影响

保持基准配合比不变，研究分析机制砂混凝土早期开裂性能受粉煤灰掺合料的影响，掺矿物掺合料的早期开裂统计表，见表4。

表4 掺矿物掺合料的早期开裂统计表

从表4可以看出，M1混凝土的裂缝最大宽度、单位面积的总开裂面积和裂缝数量均>M3-1，由此表明机制砂混凝土中掺入矿物掺合料有利于增强抗早期开裂性能。

2.4 抗水渗透性影响因素分析

一般地，混凝土内部存在较多的孔隙结构，这些孔隙直接决定着水分的流动形态，从而对混凝土耐久性造成影响。机制砂混凝土抗水渗透性利用逐级加压法进行测试，抗渗仪型号为HP-4.0型，抗渗等级P的计算公式为：

P=10H-1

(1)

式中；H为试件有50%渗水时的水压力，MPa。

抗水渗透性试验结果，见表5。

表5 抗水渗透性试验结果

对抗水渗透性有以下3点影响：

1)砂种类对抗水渗透性影响。从表5可以看出，配合比相同的情况下天然砂混凝土M1出现渗水时的渗水压力为2.5MPa，抗水渗透性最强；水洗机制砂混凝土M2-3出现渗水时的渗水压力为2.0，抗水渗透性最差。总体而言，机制砂混凝土的抗水渗透性次于天然砂混凝土，经过水洗后机制砂中的部分细料被水冲洗干净，从而增大了结构内部的孔隙率，其抗水渗透性明显下降[8]。

2)石粉含量对抗水渗透性影响。机制砂种类相同情况下，石粉含量越高则混凝土抗渗等级越高，其中抗渗等级最高和最低的为M4-2、M4-3混凝土。经过水系后机制砂中<0.6mm的颗粒被水冲洗干净，从而增大了结构内部的整体孔隙率，这在一定程度上降低了抗水渗透性。深入分析，石粉的掺入对孔隙结构发挥一定的填充作用，从而改善了机制砂混凝土的密实度和抗水渗透性[9]。

3)矿物掺合料对抗水渗透性影响。对比M3-1、M1发现，掺入5%的矿物掺合料替代机制砂混凝土中的部分水泥有利于提高其抗水渗透性。经分析，水泥水化过程中掺加的矿物掺合料经一系列化学反应生成能够改善混凝土密实性的特殊胶凝材料，并且水泥浆体的抗水渗透性与胶凝材料的堆积密度直接相关，由于水泥颗粒的粒度大于矿物掺合料，经充填搭配后各组成颗粒级配得到优化，混凝土孔隙度进一步降低，其抗水渗透性得到明显改善[10]。

3 结 论

本次试验以矿物掺合量、石粉含量和机制砂种类为变量，通过试验研究探讨了混凝土抗渗透性、早期抗裂性受变量改变的影响作用，主要结论为：

1)弹性模量和砂的种类对机制砂混凝土的早期收缩影响较大，为保证混凝土抗裂性应优先选用弹性模量较大的机制砂。混凝土的抗早期开裂性能因粉煤灰矿物掺合料的加入而下降，石粉含量为4%时机制砂混凝土具有最优的早期开裂性能。

2)基准配合比相同条件下，机制砂混凝土的抗水渗透性次于天然砂混凝土，石粉含量越高则混凝土抗渗等级越高。在抗水渗透方面原状机制砂优于水洗机制砂，矿物掺合料的掺入可显著提高了机制砂混凝土的抗水渗透等级。