機(jī)制砂混凝土早期開(kāi)裂及抗?jié)B透性影響因素分析

摘要 機(jī)制砂混凝土施工中，砂類、石粉含量、礦物摻配料占比等直接影響其早期開(kāi)裂性能、抗水滲透性能。文章針對(duì)機(jī)制砂混凝土早期開(kāi)裂及抗?jié)B透性影響進(jìn)行研究，基于對(duì)砂類、石粉含量、礦物摻配量三大變量的試驗(yàn)進(jìn)行分析，提出其變化對(duì)機(jī)制砂混凝土早期開(kāi)裂性能及抗?jié)B透性帶來(lái)的影響。試驗(yàn)研究表明：天然砂混凝土的抗水滲透性能，優(yōu)于機(jī)制砂混凝土;石粉含量與混凝土抗早期開(kāi)裂性能無(wú)直接關(guān)系，與混凝土抗水滲透性能成正比;粉煤灰礦物摻合料占比與混凝土抗早期開(kāi)裂性能成反比，與混凝土抗水滲透性能成正比。

關(guān)鍵詞 機(jī)制砂種類;早期開(kāi)裂;抗水滲透

中圖分類號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）12-0132-03

收稿日期：2022-03-18

作者簡(jiǎn)介：張克永（1976—），男，本科，高級(jí)工程師，從事公路橋梁施工工作。

0 引言

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，基礎(chǔ)建筑建設(shè)中，砂子作為混凝土的主要原材料，用量也隨之快速增長(zhǎng)?？紤]到天然砂的不可再生性，為降低城市建設(shè)需求對(duì)資源的依賴及環(huán)境的影響，混凝土中配置機(jī)制砂的生產(chǎn)方式得到了廣泛推廣使用[1]。該文以某機(jī)制砂混凝土為例，基于其原材料構(gòu)成，對(duì)砂類、石粉含量、礦物摻和量三個(gè)參數(shù)的變化所引起的機(jī)制砂混凝土早期抗裂性及抗?jié)B透性能的變化進(jìn)行了重點(diǎn)分析，以供機(jī)制砂混凝土的研究參考與借鑒。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

機(jī)制砂又稱人工砂，主要由礦物摻合料、石粉等材料構(gòu)成，分為原狀機(jī)制砂、石灰?guī)r機(jī)制砂、水洗機(jī)制砂等幾種類型，是一種廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)建筑施工的新型混凝土原材料，可以有效改善混凝土的工作性能，機(jī)制砂混凝土主要原材料如下：

（1）水泥。水泥是混凝土的主要原材料之一，其型號(hào)、配比的選用對(duì)于保證混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)具有重要意義。該試驗(yàn)統(tǒng)一選用P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其穩(wěn)定性、抗裂性均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn);

（2）礦物摻合料。礦物摻合料的引入對(duì)機(jī)制砂混凝土性能有很大影響，既可以節(jié)約水泥用量、降低水泥水化熱，又可以優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)性能和工作性能，從而提升混凝土的穩(wěn)定性[2]。其摻量應(yīng)視工程性質(zhì)、環(huán)境因素、現(xiàn)場(chǎng)條件等因素而選擇。該文機(jī)制砂混凝土選用粉煤灰作為礦物摻合料，其性能指標(biāo)可匹配要求參數(shù)。

（3）粗集料。粗集料粒徑對(duì)于平衡機(jī)制砂混凝土的流動(dòng)性、保水性和粘聚性具有重要意義，應(yīng)遵循優(yōu)先選擇粒徑均勻、最大粒徑較小的原則。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，國(guó)內(nèi)工程粗集料最大粒徑控制在20 mm以內(nèi)，該文機(jī)制砂混凝土選用5～16 mm及16～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石，其物料性能、級(jí)配碎石篩分結(jié)果均可匹配規(guī)范要求。

（4）細(xì)集料。細(xì)集料的選用對(duì)于促進(jìn)水泥水化、提升水泥微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)性至關(guān)重要。該試驗(yàn)細(xì)集料選用天然砂、原狀機(jī)制砂、石灰?guī)r機(jī)制砂和水洗機(jī)制砂4種，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及篩分實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足建筑規(guī)范中級(jí)配曲線分區(qū)等規(guī)定要求[3]。

（5）外加劑、水，全部用水選用自來(lái)水。

（6）基準(zhǔn)配合比?；炷粱鶞?zhǔn)配合比的設(shè)計(jì)要結(jié)合砂類等原材料的性能特點(diǎn)，例如在選擇機(jī)制砂時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注其針片狀顆?；祀s、石粉含量較高的特性。該試驗(yàn)水、水泥、砂、石、外加劑的比例按照150∶428∶692∶1 130∶4.28執(zhí)行。

1.2 試驗(yàn)方案

該試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要為研究砂類、石粉含量、礦物摻合料三大變量所引起的混凝土耐久性能變化，其中三大變量的砂類主要分為天然砂、原狀機(jī)制砂、石灰?guī)r機(jī)制砂、水洗機(jī)制砂4種，其石粉含量分別為：0.5%、3.5%和7.5%;礦物摻和料含量為：0%、6%，其他材料種類和含量保持不變。試驗(yàn)組設(shè)計(jì)如表1所示。

2 機(jī)制砂混凝土早期開(kāi)裂影響因素試驗(yàn)研究

混凝土結(jié)構(gòu)性能受外界環(huán)境因素影響較大，特別是在炎熱或多風(fēng)等干燥天氣時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)表面水分的蒸發(fā)流失與內(nèi)部補(bǔ)給失衡，混凝土未凝結(jié)硬化前，其表面所承受較大的收縮應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度，內(nèi)外應(yīng)力的差異形成收縮裂縫，降低了混凝土結(jié)構(gòu)性能，導(dǎo)致早期開(kāi)裂。機(jī)制砂混凝土試件尺寸及環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置具體如下：

（1）尺寸。試件尺寸設(shè)置為800 mm×600 mm×100 mm。

（2）環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。溫度控制在（20±2）℃，相對(duì)濕度保持在（60±5）%，控制風(fēng)速保持在（5±0.5）m/s。

（3）監(jiān)測(cè)儀器選用MG10085-1A100X顯微鏡。

混凝土早期抗裂性能的等級(jí)劃分見(jiàn)表2。

2.1 砂種類對(duì)機(jī)制砂混凝土早期開(kāi)裂的影響

保證配合比一致的情況下，研究X1（天然砂）、X2-1（原狀機(jī)制砂）、X2-2（石灰?guī)r機(jī)制砂）和X2-3（水洗機(jī)制砂）4種砂類混凝土的開(kāi)裂變化，分析表3、圖1可以得出以下結(jié)論：

（1）總開(kāi)裂面積：機(jī)制砂混凝土小于天然砂混凝土。

（2）彈性模量：天然砂小于石灰?guī)r。

（3）砂類、彈性模量是影響機(jī)制砂混凝土早期開(kāi)裂的主要因素，由機(jī)制砂或彈性模量較大集料構(gòu)成的混凝土具有較好的抗裂性能[4]。

2.2 石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土早期開(kāi)裂的影響

分析X2-1（含量為0.5%）、X4-1（含量為3.5%）、X4-2（含量為7.5）三種不同石粉含量的原狀機(jī)制砂混凝土早期開(kāi)裂情況，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

觀察圖2 中各試驗(yàn)組對(duì)應(yīng)的開(kāi)裂面積數(shù)值及隨著石粉含量增加所引起的開(kāi)裂面積變化趨勢(shì)可以看出，X4-1（含量為3.5%）具有最高的早期抗裂性能，石粉含量與混凝土的早期抗開(kāi)裂性能并無(wú)絕對(duì)的正比關(guān)系。

2.3 礦物摻合料對(duì)機(jī)制砂混凝土早期開(kāi)裂的影響

分析X-1、X3-1兩種不同礦物摻合料配比的天然砂混凝土早期開(kāi)裂情況，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

對(duì)比表4數(shù)據(jù)可以看出，摻配量比值較高的X3-1出現(xiàn)的早期開(kāi)裂病害情況較少，因此可知礦物摻和料占比與混凝土的抗早期開(kāi)裂性能成反比關(guān)系，摻合料占比越大，混凝土的抗早期開(kāi)裂性能越好。

3 機(jī)制砂混凝土抗水滲透性影響因素試驗(yàn)研究

混凝土水化硬結(jié)過(guò)程中容易形成大小孔徑不一的孔隙，水分在孔隙間流動(dòng)所形成的水壓力及液體表面壓力都會(huì)引起混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性變化[5]。根據(jù)混凝土耐久性能試驗(yàn)等相關(guān)文獻(xiàn)，該試驗(yàn)通過(guò)逐級(jí)加壓法測(cè)試機(jī)制砂、天然砂兩種砂質(zhì)的抗水滲透性能。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）監(jiān)測(cè)儀器選用HP-4.0型混凝土抗?jié)B儀。

（2）混凝土試件抗?jié)B等級(jí)的計(jì)算公式為：P=lOH-1 （1）

式中，H——50%的試件出現(xiàn)滲水時(shí)的水壓力（MPa）;P——混凝土的抗?jié)B等級(jí)。

獲得的抗水滲透結(jié)果見(jiàn)表5。

觀察表5數(shù)據(jù)可知，各試驗(yàn)組混凝土的抗?jié)B等級(jí)均≥P15級(jí)。

3.1 砂種類對(duì)機(jī)制砂混凝土抗水滲透能力的影響

基于同等配合比時(shí)可知，X1（天然砂混凝土）的抗水滲透性最佳，滲水壓力臨界值為2.1 MPa;X2-3（水洗機(jī)制砂混凝土）的抗水滲透性最差，滲水壓力臨界值僅為1.6 MPa，其主要原因?yàn)闄C(jī)制砂在水洗工序時(shí)細(xì)料流失，摻入混凝土后形成較多孔隙，水在孔隙間的流動(dòng)會(huì)降低混凝土的穩(wěn)定性，故其抗?jié)B透性能劣于天然砂混凝土[6]。

3.2 石粉含量變化對(duì)機(jī)制砂混凝土抗水滲透能力的影響

根據(jù)表5數(shù)據(jù)可知，抗?jié)B級(jí)別最高的是X4-2混凝土，最差的是X4-3混凝土，同時(shí)從表中數(shù)據(jù)可以看出，同類機(jī)制砂混凝土的石粉含量與抗?jié)B透性能成正比關(guān)系，石粉含量越大對(duì)應(yīng)的混凝土抗?jié)B透等級(jí)越高，主要原因?yàn)闄C(jī)制砂經(jīng)水洗工序后粒徑0.6 mm以下的顆粒流失，所構(gòu)成的混凝土孔隙率較大，石粉的添加可以填實(shí)水洗工序造成的孔隙，混凝土密實(shí)度得以提升，水在空隙間的流動(dòng)性減弱，進(jìn)而提升混凝土的抗水滲透性。

3.3 機(jī)制砂混凝土抗水滲透能力受礦物摻合料影響

對(duì)比表5中X3-1與X1的抗?jié)B級(jí)別可知，提高礦物摻合料占比可以優(yōu)化混凝土的抗水滲透性，主要原因?yàn)樵谒嗨^(guò)程中礦物摻合料會(huì)發(fā)生一系列的物理、化學(xué)反應(yīng)，從漿體變成堅(jiān)固的石狀體，并能膠結(jié)其他物料，制成有一定機(jī)械強(qiáng)度的復(fù)合固體的物質(zhì)，能填充混凝土內(nèi)部的孔隙和提升混凝土的密實(shí)性及優(yōu)化混凝土的抗水滲透性。

4 結(jié)論

綜上所述，機(jī)制砂混凝土改變砂類、石粉含量、礦物摻配料占比等，分析其早期開(kāi)裂及抗?jié)B透性，試驗(yàn)研究結(jié)論如下：

（1）機(jī)制砂混凝土彈性模量與混凝土抗裂性成正比，彈性模量越大，混凝土抗裂性越好。

（2）天然砂混凝土的抗水滲透性能，優(yōu)于機(jī)制砂混凝土。

（3）石粉含量與混凝土抗早期開(kāi)裂性能無(wú)直接關(guān)系，而石粉含量與混凝土抗水滲透性能成正比，石粉含量越大，混凝土抗水滲透性越佳。

（4）粉煤灰礦物摻合料占比與混凝土抗早期開(kāi)裂性能成反比，礦物摻合料越大，混凝土的早期抗裂性能越差。

（5）粉煤灰礦物摻合料占比與混凝土抗水滲透性成正比，礦物摻合料越大，混凝土的抗水滲透性能越佳。

總之，機(jī)制砂作為一種新型的建筑材料，其在混凝土中的應(yīng)用對(duì)于緩和建設(shè)需求與資源、環(huán)境的矛盾具有重要意義，只有加以科學(xué)合理地控制運(yùn)用，才能充分發(fā)揮機(jī)制砂的綜合效益。

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