机制砂对水工混凝土性能影响分析

徐赫峰

（抚顺海峰水利工程有限公司，辽宁 抚顺 113300）

随着我国水利工程建设数量的不断增多，砂石作为一种用量最多的建筑材料，工程建设对其需求量持续增大，而现有河砂储量已无法满足建设发展需求；另外，在天然砂开采运输过程中会造成农田、河道、山体破坏以及生态环境污染等问题[1-2]。因此，为严格管制河道采砂我国先后出台了一系列的限采、禁采法令，致使许多地方出现无砂可用或砂供应不足的情况，故用机制砂替代天然砂逐渐成为支撑水利工程持续发展的主力资源[3]。

经机械破碎、筛分、整形等技术工艺生产而成的机制砂，一般具有堆积空隙率高、比表面积大、表面多棱角等特点，在配制和易性相同的混凝土时相比于天然砂需要增大胶凝材料和用水量[4]。一般地，制作工艺不同生产出的机制砂颗粒也不尽相同，研究认为针片状少、表面比较圆滑的颗粒配制的混凝土性能较优，或达到工作性能相同时需要的浆体包裹量较少，这可以减小胶凝材料和用水量。研究表明[5]，在和易性及水胶比相同条件下，多棱角颗粒可增大浆体与机制砂的接触面积及其黏结力，有利于提高混凝土的抗折与抗压强度，但同时也降低了抗渗透性；有学者[6]认为复掺粉煤灰与硅灰可以有效防止泌水现象，并且用石灰石粉与矿渣复配的机制砂砂浆保水性、稠度、强度均明显优于其与粉煤灰的复配[6]；李潜等[7]试验探讨了矿粉和粉煤灰对机制砂混凝土早期收缩性能的影响，结果发现单掺矿粉会增大早期收缩，并且随着龄期的延长收缩率逐渐增加，单掺粉煤灰优于两者复掺时的早期收缩。

机制砂相比于天然砂的研究应用起步较晚，在推广使用过程中机制砂混凝土还存在一些不足，特别是在水工结构中的使用非常谨慎。近年来，随着技术的发展和研究深入，在水利工程主体结构中机制砂混凝土才逐渐得以应用。因此，本研究以天然河砂为对照组，按相同配比对比分析了河砂和机制砂水工混凝土的早期收缩性能、力学强度和工作性能，并进一步揭示机制砂的影响机理，以期为水利工程中机制砂混凝土的广泛应用提供科学依据。

1 试验方案

1.1 配合比设计

水泥：吉林亚泰P·O42.5 级普通硅酸盐水泥，安定性(雷氏法)合格，7d 水化热220J/g，标稠用水量25.8%，比表面积366m2/kg，初、终凝时间215min 和260min，7d、28d 抗压强度29.5MPa 和46.2MPa。

粉煤灰：鞍山诚达生产Ⅱ级粉煤灰，细度18.5%，密度2.35g/cm3，需水量比102%，烧失量2.81%，7d、28d 活性指数68%和76%。

矿粉：S95 级矿渣粉，烧失量1.2%，比表面积20800m2/kg，SiO2含量97.5%，需水量比110%，28d 活性指数125%。

集料：粗集料选用石灰岩碎石，颗粒级配5～25mm，含泥量0.2%，表观密度2700kg/m3，堆积密度1610kg/m3，空隙率40.0%，吸水率0.1%，含水率0.4%，压碎指标8%，针片状含量2.5%；细集料选用天然河砂和人工机制砂，砂的性能指标如表1 所示。将天然河砂与机制砂按质量比4 : 6 配制成混合砂1，按质量比6 : 4 配制成混合砂1，细度模数均为2.7。

表1 砂的主要性能指标

外加剂：含一定保坍组分的聚羧酸高性能减水剂，固含量23%，减水率28%～35%。

试验设计不同细集料掺配比、矿掺比、水胶比的机制砂和天然砂混凝土配合比，并对比分析相关性能。试验时，要求新拌混凝土的扩展度≥400mm，坍落度≥180mm，鉴于机制砂具有棱角粗糙、级配较差、细度模数大等特点，在设计配合比时适当增大砂率。参照《水工混凝土配合比设计规程》中的计算方法，固定各组砂率为40%，通过水洗或外掺石粉的方式调整机制砂石粉含量处于5%～10%之间，同等条件下试验配合比及拌合物性能如表2 所示。

表2 试验配合比

1.2 试验方法

依据《水工混凝土试验规程》测试拌合物的工作性能和硬化混凝土标养3d、7d、14d、28d 的抗压强度及劈拉强度，参照《水工混凝土耐久性技术规范》测试混凝土的早龄期收缩性能，为保证数据精度每组配制3 个试件，取平均值。试验时，将515mm×100mm×100mm 试件带模放入相对湿度(60±5)%、温度(20±2)℃环境中养护至初凝前后，然后取出利用NES 非接触式收缩变形测定仪测试各组试件的收缩率，测量精度2μm，位移测量量程3.0mm。

2 结果与分析

2.1 拌合物工作性

由表2 可知，不同细集料掺配比、矿掺比、水胶比的拌合物工作性能均符合设计要求。在配合比相同情况下，机制砂优于河砂混凝土的黏聚性，且随着水胶比的减小其黏聚性逐渐增强，但机制砂小于河砂混凝土的扩展度、坍落度。减小水胶比会有效提高机制砂混凝土的坍落度，而对扩展度的影响较小，这是因为机制砂的多棱角、颗粒粗糙等特性有利于改善拌合物黏聚性，对流动性会产生不利影响。

双掺矿粉与粉煤灰的机制砂(P-2、P-3、P-4 组)与河砂(Q-2 组)混凝土工作性相当，表明双掺矿粉与粉煤灰有利于提高机制砂混凝土的包裹性、扩展度和坍落度，避免泌水离析现象的发生，有效改善其工作性。究其原因，在混合料中粉煤灰发挥着轴承滚珠作用，可以减少颗粒间的摩擦力，增加浆体含量和拌合物流动性；另外，水泥和矿粉所构成的复合材料可以提高骨料与水泥石界面之间的黏结力，改善浆体孔隙结构，且机制砂中的石粉还具有一定的润滑作用，能够减小拌合物中的骨料与砂的相互摩擦，达到改善其工作性的效应[8-10]。混合砂(PQ-2)优于全机制砂混凝土的工作性，但机制砂占比越高混合砂混凝土工作性越差。

2.2 力学性能

1）抗压强度。试验测定不同细集料掺配比、矿掺比和水胶比的各龄期混凝土抗压强度，如图1～3 所示。

图1 不同水胶比的抗压强度

由图1 可知，配合比相同情况下，机制砂略大于河砂混凝土28d抗压强度，但水胶比为0.36时P-0组小于Q-1 组的28d 抗压强度，这可能与机制砂级配较差有关。

由图2 可知，随水胶比的减小机制砂混凝土抗压强度逐渐增大，双掺矿粉与粉煤灰会在一定程度上降低机制砂混凝土早期抗压强度，但后期强度明显增大，相较于矿粉和粉煤灰掺量相同的P-3 组试件，减少矿粉掺量(P-4 组)或增加粉煤灰掺量(P-2)都会在一定程度上降低早期抗压强度，这表明增加粉煤灰掺量会对早期强度发展产生不利影响，而矿粉掺量不会产生显著影响。

图2 不同矿物掺合料的抗压强度

由图3 可知，混合砂大于河砂和全机制砂混凝土的28d 抗压强度，并且机制砂掺配比例越高则混合砂混凝土抗压强度越大，说明混合砂具有一个最佳掺配比。由于具有坚固性强、多棱角、颗粒粗糙等特点，机制砂的嵌套和骨架作用要优于河砂，可以增强水泥浆界面的咬合力。双掺矿粉与粉煤灰既具有改善机制砂级配、填充集料孔隙的作用，还发挥着一定的微集料和火山灰效益，有利于改善浆体孔结构和混凝土密实性，从而增强整体抗压强度；同时，机制砂中的石粉也发挥着微集料填充与晶核作用，可以减小内部孔隙率，提高密实度和强度。因此，双掺矿粉与粉煤灰能够获取与水泥混凝土早期强度相当，后期具有较大强度增长空间的混凝土。

图3 不同矿物掺合料的抗压强度

2）劈拉强度。试验测定不同细集料掺配比、矿掺比和水胶比的各龄期混凝土劈拉强度，如表3所示。

表3 劈拉强度测试结果

从表3 可以看出，随水胶比的减小机制砂混凝土劈拉强度逐渐增大，其发展规律与抗压强度相近。机制砂混凝土双掺矿粉与粉煤灰时，其早期劈拉强度有所下降，这是因为早期尚未完全激发出矿物掺合料的微集料效应[11]。配合比相同情况下，复掺矿粉与粉煤灰的机制砂高于河砂混凝土劈拉强度，混合砂整体高于其它各组的劈拉强度，并且机制砂占比越大则劈拉强度越高，这是由于混合砂改善了混凝土的孔隙结构，有效解决了全机制砂级配差的问题，从而提高了混凝土的密实度和劈拉强度。

2.3 早期收缩性能

试验测定不同细集料掺配比、矿掺比和水胶比的各龄期混凝土早期收缩率，如图4～6 所示。

图4 不同水胶比的早期收缩率

由图4 可知，在8～10h 内河砂和机制砂混凝土的早期收缩率较大，随龄期的延长而逐渐放缓。水胶比相同情况下，机制砂大于河砂混凝土的早期收缩率，尤其是水胶比较小时机制砂相比于河砂混凝土的早期收缩增幅更加明显。

由图5 可知，机制砂混凝土双掺矿粉与粉煤灰时，其早期收缩速率明显下降，并且早期收缩发展随粉煤灰掺量的增大而减小，矿粉掺量对早期收缩的影响不显著。另外，配比相同情况下，双掺矿粉和粉煤灰的机制砂(P-3 组)与河砂(Q-2 组)混凝土早期收缩速率相差较小。

图5 不同矿掺比的早期收缩率

由图6 可知，水胶比相同情况下，混合砂(PQ-1 组、PQ-2 组)均小于全机制砂(P-1)混凝土的早期收缩率，并且混合砂混凝土的早期收缩率随着机制砂比例的增大而减小，即PQ-1 组小于PQ-2 组的早期收缩率。降低混凝土用水量和水胶比，其收缩变形增加，并且机制砂中的石粉也会消耗一定水分，水泥水化释放出的CH 易与石粉中Al2O3、SiO2反应生成稳定的水化铝酸钙及硅酸钙水化物凝胶，从而加速水化反应和早期收缩变形[12-13]；矿粉的微集料效应能够与Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙凝胶，有利于改善骨料与砂浆界面结构；粉煤灰中的Al2O3、SiO2可以与Ca(OH)2反应抑制或减少薄弱晶体的生成，另外双掺矿粉与粉煤灰能够提高浆体含量，填充内部空隙，减少孔隙率和早期收缩变形[14-15]。

图6 不同矿掺比的早期收缩率

3 结 论

1）研究表明，机制砂相比于河砂混凝土的粘聚性较好，坍落度与扩展度稍差，为改善机制砂混凝土工作性可以选用混合砂以及复掺矿粉和粉煤灰。配比相同情况下，机制砂高于河砂混凝土的抗压强度，双掺矿粉与粉煤灰能够获取与水泥混凝土早期强度相当，后期具有较大强度增长空间的机制砂混凝土。相同配比和水胶比条件下，混合砂优于河砂和全机制砂混凝土的力学性能。

2）配比相同条件下，机制砂大于河砂混凝土的早期收缩率，尤其是水胶比较小时机制砂相比于河砂混凝土的早期收缩增幅更加明显；机制砂混凝土双掺矿粉与粉煤灰时，其早期收缩速率明显下降，并且早期收缩发展随粉煤灰掺量的增大而减小，矿粉掺量对早期收缩的影响不显著。混合砂大于河砂并小于全机制砂混凝土的早期收缩率，掺配比李适当时混合砂可以优于河砂混凝土的早期性能。鉴于机制砂富含石粉、粗糙多棱角、级配较差和细度模数较大等特点，必须科学分析机制砂对混凝土特别是水工结构的影响合理设计配合比。