考虑石粉含量配合比设计的机制砂混凝土抗裂性能试验研究

刘荣欣，刘龙龙，王少鹏，朱 平，赵尚传，刘忠凯，姜 鑫

（1.中海建筑有限公司，广东 深圳 518057；2.交通运输部公路科学研究所桥隧中心，北京 100088）

0 引言

同河砂相比，机制砂颗粒尖锐，粒型多样，颗粒级配略差，不仅影响混凝土的工作性能，而且对混凝土的抗裂性能也会有影响。另外，机制砂中的石粉含量也会影响混凝土的抗裂性能，进而影响其耐久性[1]。李银斌[2]认为可通过掺加粉煤灰提高机制砂混凝土的抗裂能力，有研究认为粉煤灰和矿渣（或磷渣）复合掺合料更优[3]，也有研究[4]考虑石粉含量和砂率进行机制砂混凝土配合比设计，采用调控细砂和粗砂比例的方式，将全部或部分石粉作为胶凝材料处理，改善机制砂混凝土工作性能、力学性能和耐久性。以往通过掺加粉煤灰、矿渣等掺合料的方式，在一定程度上可以改善机制砂混凝土的抗裂性能，但同时会对机制砂混凝土工作性能和力学性能等其他性能造成影响，增加了机制砂应用于混凝土工程的难度。对比现有的机制砂混凝土配合比设计方法，目前较少考虑通过调控细砂和粗砂比例的方式改善机制砂混凝土的工作性能和抗裂性能。

本文考虑机制砂石粉含量，以及骨料级配对混凝土早期抗裂能力的影响，采用致密堆积法分配机制砂和粗骨料比例，通过室内的平板试验，研究了不同水胶比、石粉含量以及颗粒级配对机制砂混凝土早期开裂性能的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

本文选择不同的水胶比进行配合比设计，强度等级分别为C30、C40、C50，选用PO42.5级硅酸盐水泥，密度3 000 kg/m3；I级粉煤灰，密度2 000 kg/m3；高性能减水剂（缓凝型），密度1 000 kg/m3；机制砂的石粉含量为10.9%，粗骨料按照最大密实度比例分配，粗、细骨料均为石灰岩，密度2 720 kg/m3。

1.2 配合比

机制砂混凝土水胶比为0.31、0.36、0.45，共3组机制砂混凝土配合比，每组配合比保持用水量、水泥和掺合料掺量不变。采用最大密实度理论计算粗、细骨料比例。最大密实度理论采用Dinger-Funk方程[5]，见公式（1）：

式中：Pi是集料颗粒的通过率，%；Di是当前粒径，mm；Dmax是最大粒径，mm；Dmin是定义的最小粒径，mm；此处取最小粒径为0.075mm，即D0.075。

原机制砂混凝土配合比和根据公式（1）调整后的机制砂混凝土配合比见表1。强度等级C30和C40混凝土中机制砂和粗骨料使用比率按照1.000：0.386：0.527 ：0.503重新设计，强度等级C50混凝土中机制砂和粗骨料使用比率按照1.000：0.386：0.845重新设计，编号分别为A30、A40、A50。其中，A30-1、A40-2、A50-3为原配合比设计编号。

表1 机制砂混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of manufactured sand concrete

1.3 试验方法

本方法采用尺寸为800 mm×600 mm×100 mm的混凝土试件，骨料的最大公称粒径为31.5 mm。混凝土早期抗裂试验装置（见图1）采用钢制模具，侧板厚度为5 mm，模具四边与底板通过螺栓固定。

实验室内温度为（20±2）℃，湿度维持在60%左右，满足混凝土早期抗裂试验的要求。按照表1配合比搅拌完成后，将混凝土浇筑至模具内，放在振动台振捣30 s，振捣后用抹刀抹平表面，保证混凝土表面略高于平板四周。在试件成型半个小时后，调节风机按钮，使混凝土试件表面上方100 mm处风速为（5±0.5）m/s，见图2。

图2 平板试验过程Fig.2 Process of plate test

混凝土试件在养护24小时后，采用钢直尺测量裂缝长度，当裂缝呈不规则形状时，量取裂缝两端作为裂缝长度。采用裂缝测宽仪（见图3）测量裂缝宽度，当裂缝的宽度变化时，按照最大宽度取值。

图3 裂缝观测仪Fig.3 Microscope for crack measurement

2 试验结果及讨论

2.1 试验结果

根据记录的试验结果，裂缝的平均开裂面积、单位面积裂缝数目、单位面积的总开裂面积[6]分别按照公式（2）、（3）、（4）进行计算。

裂缝的平均开裂面积：

单位面积的裂缝数目：

单位面积上的总开裂面积：

式中：Wi为第i根裂缝的最大宽度，mm，精确到0.01 mm；Li为第i根裂缝的长度，mm，精确到1 mm；N为总裂缝数目，根；A为平板的面积，m2；a为每根裂缝的平均开裂面积，mm2/根；b为单位面积的开裂裂缝数目，根/m2；c为单位面积上的总开裂面积，mm2/m2。试验结果计算方法均按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）[7]进行。

按照公式（2）、（3）、（4）计算不同配合比混凝土试件的平均开裂面积、单位面积裂缝数目和总开裂面积，计算结果见表2，混凝土试件开裂前后对比见图4～图6，其中曲线为裂缝的轮廓，曲线宽度并不代表裂缝的宽度。

表2 早期抗裂性能试验结果Tab.2 Test results of cracking resistance at early ages

图4 C30混凝土抗裂试验对比Fig.4 Comparison of Crack Resistance between A30 and A30-1

图5 C40混凝土抗裂试验对比Fig.5 Comparison of Crack Resistance between A40 and 430-1

图6 C50混凝土抗裂试验对比Fig.6 Comparison of Crack Resistance between A50 and A50-1

从表2看出，A30、A40和A50混凝土试件随水胶比的减小，裂缝的数量和平均开裂面积减小，A30-1、A40-1和A50-1混凝土试件得到同样的趋势。A30和A40混凝土试件中机制砂和粗骨料使用比率均按照1.000：0.386：0.527：0.503设计，A30试件单位面积的总开裂面积为215.05 mm2/m2，A40试件单位面积的总开裂面积为195.42 mm2/m2，A30试件单位面积的总开裂面积略大。

2.2 水胶比对机制砂混凝土抗裂性能的影响

A50混凝土试件中机制砂和粗骨料使用比率均按照1.000：0.386：0.845设计，单位面积的总开裂面积为113.65 mm2/m2，大约是A30和A40试件总开裂面积的一半。原配合比设计混凝土试件单位面积的开裂总面积随水胶比减小呈增加的趋势，考虑石粉含量进行机制砂混凝土配合比设计时，试件单位面积的开裂总面积随水胶比减小呈减小的趋势。表3为混凝土裂缝数目和最大裂缝宽度的试验结果，裂缝宽度随水胶比的减小而增加，裂缝的数目有一定的随机性。

表3 裂缝数目和最大裂缝宽度试验结果Tab.3 Test results of crack number and maximum crack width

2.3 机制砂石粉含量对混凝土抗裂性能的影响

A30混凝土试件最大裂缝宽度为0.31 mm，最大裂缝长度为20 mm；A40混凝土试件最大裂缝宽度为0.32 mm，最大裂缝长度为25 mm；A50混凝土试件最大裂缝宽度为0.35 mm，最大裂缝长度为15 mm。A30-1混凝土试件最大裂缝宽度为0.49 mm，最大裂缝长度为30 mm；A40-1混凝土试件最大裂缝宽度为0.36 mm，最大裂缝长度为25 mm；A50-1混凝土试件最大裂缝宽度为0.5 mm，最大裂缝长度为45 mm，这些裂缝的方向主要沿着裂缝诱导器。

如表3所示，对比原配合比设计方法，考虑石粉含量进行机制砂混凝土配合比设计时，A30和A40混凝土试件石粉含量分别减少了16.2%，12.3%，A50混凝土试件中石粉含量增加了2%。A30、A40和A50混凝土试件平均开裂面积、单位面积裂缝数目以及单位面积的总开裂面积，均小于A30-1、A40-1和A50-1混凝土试件。其中混凝土试件A50和A50-1相比，石粉含量增加，单位面积的总开裂面积减少了363.33 mm2/m2，说明石粉含量和骨料级配都会影响混凝土的开裂。

3 结语

本文采用两种配合比设计了C30、C40、C50三个强度等级，A30、A40、A50为考虑石粉含量配合比的机制砂混凝土试件编号，A30-1、A40-1、A50-1是未考虑石粉含量的机制砂混凝土配合比的试件编号，共6组机制砂混凝土抗裂能力试验。试验结论如下：

（1）A30-1、A40-1、A50-1混凝土试件单位面积的开裂总面积随水胶比减小呈增加的趋势，A30、A40、A50混凝土试件单位面积的开裂总面积随水胶比减小呈减小的趋势。

（2）水胶比相同，考虑石粉含量和未考虑石粉含量配合比设计，按照致密堆积分配粗、细砂比例时，A30混凝土试件单位面积的总开裂面积为215.05 mm2/m2，比A30-1减少了47.8%；A40混凝土试件单位面积的总开裂面积为195.42 mm2/m2，比A40-1减少了45%；A50混凝土试件单位面积的总开裂面积为113.65 mm2/m2，比A50-1减少了76.2%。

（3）考虑石粉含量，将机制砂和粗骨料按照致密堆积方法进行分配，能够有效根据机制砂中的石粉含量调整混凝土中机制砂和粗骨料的用量，提高机制砂混凝土的抗裂能力。