混合砂比例對混凝土性能的影響

王恩濤WANG En-tao

（遼寧省交通運輸事業(yè)發(fā)展中心，沈陽 110005）

0 引言

隨著我國社會經濟的不斷發(fā)展，基礎建筑設施的數量和規(guī)模在逐年增加，據不完全統(tǒng)計，全國每年需要消耗建筑用砂約50億立方米左右。目前，天然砂仍是我國大部分地區(qū)的主要建設用砂。天然砂是一種不可再生資源。大量開采，已經導致了不少地區(qū)天然砂資源逐漸減少，甚至被消耗殆盡，也造成了自然生態(tài)環(huán)境的破壞。天然砂日漸尖銳的供需矛盾，導致天然砂價格逐年上漲，建設成本逐年提高，同時，天然砂的材料質量也越來越不理想，導致混凝土質量極不穩(wěn)定。目前，全國各地區(qū)均在試探采用機制砂代替河砂。機制砂因顆粒粗糙、棱角性多、裂隙多的材料特性，導致混凝土出現泌水、流動性差、硬化混凝土外觀質量不好，抗裂性能不佳等問題。在河砂中摻入適量比例機制砂可有效解決混凝土的各項問題，因此有必要對混合砂比例對混凝土性能影響展開研究。

1 試驗部分

1.1 試驗方案

為進一步分析混合砂比例對混凝土性能的影響，通過固定基礎配合比，保持配合比中水、水泥、粉煤灰、礦渣粉、碎石、減水劑、水規(guī)格型號及數量基本保持不變，砂的質量保持不變，變換混合砂比例，測試各配合比混凝土的工作性能及抗壓強度，從而根據試驗結果的變化及趨勢來分析混合砂比例對混凝土性能的影響?；旌仙暗谋壤?5%間隙控制，分別選取100%，75%，50%，25%和0%比例進行混凝土拌制?；A配合比選取了常規(guī)的C25混凝土配合比，水膠比為0.50，砂率為44%，每立方米材料用量如表1所示?；旌仙氨壤O定為5種，編號為D100、D75、D50、D25、D0，分別代表機制砂占混合砂比例的100%，75%，50%，25%和0%。

表1 基礎配合比kg/m3

1.1.1 混凝土拌合物的測試

機制砂粒型的棱角性，導致其配制出的混凝土和易性差，因而保水性差、泌水性高、粘聚性較差。大量的研究表明機制砂混凝土存在的主要問題是和易性較差，從而影響了硬化后的強度和耐久性。因此機制砂混凝土的和易性研究的根本，通過一定的技術措施獲得和易性良好的混凝土，不僅能提高施工的速度和質量，而且硬化后能獲得良好的力學性能和耐久性。棍度：按插搗混凝土拌合物時的難易程度評定。分“上”、“中”、“下”三級?！吧稀北硎静鍝v容易；“中”表示插搗時稍有石子阻滯的感覺；“下”表示很難插搗。含砂情況：按拌合物外觀含砂多少而評定，分“多”、“中”、“少”三級。“多”表示用鏝刀摸拌合物表面時，一兩次即可使拌合物表面平整無蜂窩；“中”表示抹五、六次才可使表面平整無蜂窩；“少”表示抹面困難，不易抹平，有空隙及石子外露等現象。粘聚性：觀測拌合物各組分互相粘聚情況。評定方法是用搗棒在已坍落的混凝土椎體側面輕打，如椎體在輕打后逐漸下沉，表示粘聚性良好；如椎體突然倒坍、部分崩裂或發(fā)生石子離析現象，即表示粘聚性不好。保水性：指水分從拌合物中析出情況，分“多量”、“少量”、“無”三級評定?！岸嗔俊北硎咎崞鹛渫埠?，有較多水分從底部析出；“少量”表示提起坍落筒后，有少量水分從底部析出；“無”表示提起坍落筒后，沒有水分從底部析出。

1.1.2 混凝土抗壓強度的測試

①試件制備和養(yǎng)護。

試件成型后，用濕布覆蓋表面（或其他保持濕度辦法），在室溫20℃±5℃、相對濕度大于50%的情況下，靜放一個到兩個晝夜，然后拆模并作第一次外觀檢查、編號。對有缺陷的試件除去，或加工補平。

②將完好試件放入標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護，標準養(yǎng)護室溫度為20℃±2℃，相對濕度在95%以上，試件宜放在鐵架或木架上，間距至少10～20mm。試件表面保持一層水膜，并避免用水直接沖淋。

③至試驗齡期時，自養(yǎng)護室取出試件，應盡快試驗，避免其濕度變化。

④取出試件，檢查其尺寸及形狀，相對兩面應平行。量出棱邊長度，精確至1mm。試件受力截面積按其與壓力機上下接觸面的平均值計算。在破型前，保持試件原有濕度，在試驗時擦干試件。

⑤以成型時側面為上下受壓面，試件中心與壓力機幾何對中。

⑥取0.3MPa/s～0.5MPa/s的加荷速度。當試件接近破壞而開始迅速變形時，應停止調整試驗機油門，直至試件破壞，記下破壞極限荷載F。

1.2 主要原材料及質量檢測結果

①水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。水泥進行了基本物理指標試驗，水泥符合《通用硅酸鹽水泥》GB 175-2007中普通硅酸鹽水泥的技術要求。水泥質量檢測結果如表2所示。

表2 水泥質量檢測結果

②粉煤灰采用F類I級粉煤灰。粉煤灰進行了細度、需水量比、燒失量、含水量試驗，粉煤灰符合《公路橋涵施工技術規(guī)范》JTG/T 3650—2020中拌制混凝土用I級粉煤灰的技術要求。粉煤灰質量檢測結果如表3所示。

表3 粉煤灰質量檢測結果

③礦渣粉采用S95礦渣粉。礦渣粉進行了密度、比表面積、活性指數的試驗，礦渣粉符合《公路橋涵施工技術規(guī)范》JTG/T 3650—2020中S95級?；郀t礦渣粉的技術要求。礦渣粉質量檢測結果如表4所示。

表4 礦渣粉質量檢測結果

④粗集料采用石灰?guī)r碎石。碎石進行了壓碎值、針片狀顆粒含量、含泥量及顆粒級配試驗，碎石壓碎值、針片狀顆粒含量、含泥量符合《公路橋涵施工技術規(guī)范》JTG/T 3650—2020中II類粗集料的技術要求，碎石顆粒級配符合《公路橋涵施工技術規(guī)范》JTG/T F50-2011中粗集料5-25mm連續(xù)級配的要求。碎石質量檢測結果如表5所示。

表5 碎石質量檢測結果

⑤天然砂采用河砂。河砂進行了含泥量及顆粒組成試驗，河砂含泥量符合《公路橋涵施工技術規(guī)范》JTG/T 3650—2020中II類細集料的技術要求，細度模數為2.78，為中砂。河砂質量檢測結果如表6所示。

表6 天然砂質量檢測結果

⑥機制砂采用石灰?guī)r機制砂。機制砂進行了含泥量，表觀密度、松裝密度、亞甲藍值試驗，機制砂含泥量為＜0.075顆粒含量。機制砂質量與《公路橋涵施工技術規(guī)范》JTG/T 3650—2020要求的機制砂具有一定差距。機制砂質量檢測結果如表7所示。

表7 機制砂質量檢測結果

⑦減水劑采用標準型高性能減水劑，摻量1.0%。減水劑進行了減水率、泌水率比、含氣量及抗壓強度比試驗。減水劑符合《混凝土外加劑》GB 8076-2008中標準型高性能減水劑的技術要求。減水劑質量檢測結果如表8所示。

表8 減水劑質量檢測結果

1.3 試驗及樣品的制備

水泥混凝土的拌和及性能測試依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG 3420-2020）進行?；炷涟韬筒捎脭嚢铏C機械攪拌，拌和時間約2min，機械拌合后，再經人工翻拌1～2min，使拌合物均勻一致。坍落度試驗采用坍落度儀法，混凝土分三層裝入坍落度筒，每層插搗25次，分別記錄坍落度、棍度、黏聚性和保水性。拌合物體積密度采用5L容量筒進行測試?；炷量箟簭姸仍嚰捎?50mm×150mm×150mm標準立方體，經過3d、7d、28d標準養(yǎng)護后，采用壓力試驗機進行測試。

混凝土試件抗壓強度，按下式計算

式中：fcu——混凝土立方體抗壓強度（MPa）；F——極限荷載（N）；A——受壓面積（mm2）。結果計算精確至0.1MPa。

2 性能測試結果

混凝土的坍落度關系到混凝土的強度與工作性，坍落度過大容易造成強度達不到設計要求，而且容易出現露漿，拆模后結構物表面會形成蜂窩、孔洞等問題，嚴重影響混凝土結構的外觀質量。坍落度過小會增加施工難度，混凝土不易密實，內部容易形成空洞，嚴重的還會影響到混凝土結構的質量。坍落度試驗過程中除了要進行坍落度測試，還要對混凝土的棍度、黏聚性和保水性進行判斷，確?；炷聊軌蛘嚢柽\輸、澆注振搗、并具有良好的外觀質量?；炷恋牧⒎襟w抗壓強度是各種力學指標的基本代表值，直接影響到混凝土結構作用的發(fā)揮，在排除因振搗、成型等影響基礎上，混凝土應保證自身足夠的抗壓強度。通過對5種混合砂混凝土的坍落度及抗壓強度進行測試，得到各比例混凝土的試驗結果如表9所示。

表9 各配合比測試結果

各組拌合物拌和后狀態(tài)如圖1所示。

圖1 各編號混凝土拌合物拌合后狀態(tài)

3 性能對比分析

3.1 機制砂比例對混凝土工作性能的影響

通過混凝土拌和及坍落度試驗結果可以得到，D100混凝土拌合物粘聚性不好，有多量的水從拌合物中泌出。D75有少量的水泌出，黏聚性不好，混凝土的整體性不是特別理想。在拌和物配合比相同，減水劑組分相同的情況下，通過試驗結果可知，D50、D25、D0混凝土工作性能基本可以滿足施工要求。

通常情況下，機制砂相比于天然砂表面棱角多、表面粗糙，機制砂混凝土的坍落度較小。試驗結果卻得到了相反的結論，究其原因主要因為采用了先進的機制砂加工工藝，機制砂級配質量良好，機制砂的顆粒圓潤度較高。機制砂中適量的石粉起到了滾珠作用，對混凝土的坍落度起到了積極的作用。

3.2 機制砂比例對混凝土抗壓強度的影響

機制砂占混合砂比例不同，混凝土的抗壓強度也表現出了一定的差異。將3d、7d、28d抗壓強度進行圖表表示，如圖2所示。

圖2 機制砂占混合砂比例與抗壓強度對應曲線圖

從圖中可以得到以下結論：

①機制砂的添加可有效提高河砂混凝土的強度。

從數據可知，除去機制砂占混合砂100%的情況下，機制砂的添加均或多或少地提高了混凝土立方體28d的抗壓強度。雖然機制砂占比100%的混凝土立方體試件抗壓強度較河砂混凝土低了3.3MPa，主要原因是在相同條件下全機制砂混凝土拌合后產生了嚴重離析、泌水問題，導致混凝土漿體溢出、內部空隙較大，試件密實程度不好，必須通過調整減水劑中的成分，增強混凝土黏度及保坍性能，才能得到合適的混凝土，因此28d抗壓強度值缺少代表性，因此在分析的過程中可以忽略不計。

②機制砂占混合砂比例達到50%時，混凝土立方體28d抗壓強度最高。通過試驗結果，混凝土立方體的28d抗壓強度與機制砂占混合砂比例呈拋物線關系，機制砂占混合砂比例達到50%時，混凝土立方體的抗壓強度最高。機制砂占混合砂比例50%較完全河砂的立方體抗壓強度提高了2.6MPa。

③機制砂占混合砂比例影響混凝土28d內強度增長趨勢。通過對比3d、7d、28天強度曲線對比，對于3d、7d強度，機制砂占混合砂比例占75%時，強度達到高值，但28d強度卻是機制砂占比50%時達到高值，因此說明機制砂占比影響了28d強度的增長趨勢。

4 結論

①良好的機制砂級配，圓潤的機制砂形狀及適當的機制砂粉塵含量可以解決機制砂工作性不好的問題，其性能可以達到甚至優(yōu)于河砂混凝土的性能。

②機制砂的摻入能夠提高混凝土的抗壓強度，機制砂占混合砂比例達到50%時，其抗壓強度值可以達到最高。