机制砂掺量对混凝土力学性能和体积稳定性的影响研究

邓翀，鄢佳佳，叶仙松

（中交武汉港湾工程设计研究院，湖北 武汉 430040）

0 前言

随着城镇化的加速，混凝土行业成为我国用砂最大的领域。砂是混凝土的重要组分之一，其特性对混凝土的各种性能有重要的影响。与此同时，随着天然河砂资源的逐渐减少，机制砂的应用越来越广泛。但由于不同地区的生产矿源不同、机制砂加工设备和加工工艺不同，生产出机制砂在粒形和颗粒级配与天然河砂会有很大的区别[1]。另外，通常情况下，机制砂在生产过程中不可避免地会产生一定量的石粉，这也是机制砂与天然砂最明显的区别之一[2]。机制砂中的石粉与天然河砂中的泥都为粒径小于75 μm的颗粒，但二者成分、粒径分布、在使用中的作用均不同[3]。目前，实际工程中经常将机制砂与河砂混合使用来成型混凝土，二者不同混合比例对混合砂混凝土的各项性能具有重要影响。因此，本文通过内掺不同掺量的机制砂成型C60强度等级的混凝土，研究了其对混合砂混凝土工作性、力学性能和体积稳定性的影响，并进行机理分析，以期为混合砂更好地应用于实际工程提供理论支撑。

1 试验

1.1 原材料与试验配比

胶凝材料：湖北华新P·Ⅱ52.5水泥、阳逻电厂F类Ⅰ级粉煤灰和福建罗强建材公司S95级矿粉，三者的主要化学成分见表1，主要物理力学性能见表2～表4；粗集料：5～20 mm连续级配花岗岩碎石；细集料：花岗岩机制砂和河砂，机制砂的压碎值为17%，石粉含量7.0%，MB值0.5 g/kg，二者的物理力学性能见表5，级配见表6；外加剂：聚羧酸高性能减水剂和烷基苯磺酸盐引气剂。

表1 胶凝材料的主要化学成分 %

表2 水泥的主要物理力学性能

表3 粉煤灰的主要物理力学性能

表4 矿粉的主要物理力学性能

表5 机制砂和河砂的物理力学性能

表6 机制砂和河砂的颗粒级配

本试验研究机制砂取代河砂掺量对混凝土工作性能、力学性能、弯曲韧性、早期塑性开裂、干缩和徐变性能的影响，混凝土配合比如表7所示。

表7 混凝土的配合比 kg/m3

1.2 试验方法

1.2.1 细集料粒形特征测试

采用DIP方法进行细集料粒形特征测试：随机选取100粒粒径为2.36～4.75 mm的机制砂、河砂，利用IPP 9.0软件进行图像采集和分析，分别计算机制砂、河砂的粒形特征参数圆度、长宽比和半径比[4]：

式中：P——细集料颗粒的投影周长，mm；

A——细集料颗粒的投影面积，mm2；

L——细集料颗粒的最小外接长方形的长度，mm；

W——细集料颗粒的最小外接长方形的宽度，mm；

R1——细集料颗粒中心距边缘的最小值，mm；

R2——细集料颗粒中心距边缘的最大值，mm。

1.2.2 混凝土性能测试方法

流变性：按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》进行测试。

力学性能：抗压强度、弹性模量按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，试件尺寸分别为150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×300 mm。

弯曲韧性：根据JSCE-SF4方法进行测试，四分点加载，加载速度为0.02mm/min，跨度为300mm，试件尺寸为100mm×100mm×400mm。选择弯曲韧性指数TIF衡量混凝土的弯曲韧性[5]，TIF越大表明混凝土弯曲韧性越好：

式中：P——荷载，kN；

εmax——挠度最大值，mm。

体积稳定性：混凝土早期塑性收缩抗裂性能、干燥收缩和徐变试验按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。早期抗裂性能试验采用带约束的800 mm×600 mm×100 mm平面薄板型试件，测试初裂时间、裂缝最大宽度和单位开裂面积。混凝土干缩测试采用接触法，从标养3 d以后开始测试，试件放置在（20±2）℃、相对湿度为（60±5）%的养护室中，分别测试试件在指定龄期时的干缩值。在混凝土经过14 d标养后进行徐变试验，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，测试龄期分别为 1、3、7、28、45、60、90、120、150和 180 d。

2 试验结果与讨论

2.1 机制砂掺量对混凝土工作性能的影响（见表8）

表8 机制砂掺量对混凝土工作性能的影响

由表8可以看出，混凝土中机制砂掺量为40%时，其工作性与纯河砂混凝土相差不大，工作性较好。而机制砂掺量为70%和100%混凝土的坍落度相比纯河砂混凝土分别减小了4.5%和9.1%，扩展度减小了2.9%和6.8%。由此可见，混凝土流动性能随着机制砂掺量的增加而逐渐变差。

主要原因在于机制砂在生产过程中会带有一定数量的石粉，机制砂掺量为40%、70%和100%的混凝土中分别含有3.0%、5.0%和7.0%的石粉。石粉比表面积远大于机制砂，使包裹其用水量增加，增加了浆体的粘滞性和新拌混凝土的粘聚性，降低了拌合物的流变性能[6]。因此，石粉含量的增加会降低拌合物的坍落度和扩展度，同时有助于减少混合砂混凝土的离析和泌水。

2.2 机制砂掺量对混凝土力学性能的影响

机制砂掺量对混凝土不同龄期抗压强度和弹性模量的影响分别见图1、图2。

图1 机制砂掺量对不同龄期混凝土抗压强度的影响

从图1可以看出，混凝土各龄期的抗压强度随着机制砂掺量的增加均呈先提高后降低的趋势。当机制砂掺量为70%时，混合砂混凝土的7 d、28 d和56 d抗压强度均最高，分别比相应龄期的纯河砂混凝土S0提高了7.81%、9.14%和6.21%。当机制砂掺量超过70%后，混凝土不同龄期的抗压强度均有所降低。

由图2可知，机制砂掺量分别为40%、70%和100%时，混凝土的28 d弹性模量相比纯河砂混凝土分别提高了3.60%、8.96%和7.15%，机制砂掺量为70%时，混凝土的弹性模量最大。机制砂掺量对混凝土弹性模量的影响与其对抗压强度的影响基本一致。由此可见，机制砂掺量小于70%时，混凝土力学性能随机制砂掺量的增加而增强；当掺量超过70%时，混凝土的力学性能有所降低，但仍高于纯河砂混凝土。

图2 机制砂掺量对不同龄期混凝土弹性模量的影响

机制砂对混凝土力学性能的影响可以归因于机制砂与河砂的粒形特征差异和石粉的作用。图3给出了机制砂、河砂粒形特征参数对比。

图3 机制砂、河砂粒形特征参数统计

由图3可以看出：相同粒径范围内，机制砂的圆度、长宽比和半径比要大于河砂，且各参数的标准差也较大。这说明河砂的整体圆度比机制砂好，更加光滑，且粒形更稳定。而机制砂颗粒圆度更大，表明其棱角更尖锐，表面更不规则，与水泥的机械啮合力相比河砂也就更大，有利于提高混凝土的力学性能。另一方面，机制砂中含有一定数量粒径＜75 μm的石粉，适量的石粉可以起到微集料填充效应和成核加速水泥水化反应的作用，增加了混凝土体系中的浆体数量，减少骨料-浆体界面过渡区有害裂缝和改善混凝土微观结构，使水泥石更加密实，从而有利于提高混凝土的力学性能。当机制砂掺量超过70%时，可能由于其带入的石粉数量过多，造成混凝土的级配不合理，相对降低了集料中粗颗粒含量，削弱了骨料的骨架作用，从而导致混凝土的力学性能下降[7]。

2.3 机制砂掺量对混凝土弯曲韧性的影响

机制砂掺量对混凝土弯曲韧性指数的影响见图4。

图4 机制砂掺量对混凝土弯曲韧性指数的影响

分析图4可知，所测混凝土的弯曲韧性指数都小于6.0J，反应出素混凝土准脆性特征，跟以往研究基本一致[8]。但是相比S0，S40、S70和S100具有更大的弯曲韧性指数，分别较S0提高了0.78%、8.10%和6.89%，各混凝土试件弯曲韧性指数大小排序为：S70＞S100＞S40＞S0。由此说明，混合砂混凝土的弯曲韧性随着机制砂掺量的增加先增大后减小，机制砂掺量为70%时弯曲韧性指数最大。这与机制砂对混凝土抗压强度和弹性模量的影响具有一致性。

2.4 机制砂掺量对混凝土早期抗裂性能的影响

机制砂掺量对混凝土早期塑性开裂的影响见表9，混凝土早期抗裂等级评定标准见表10。

表9 机制砂掺量对混凝土早期塑性抗裂性能的影响

表10 混凝土早期抗裂等级评定标准

由表9可知，机制砂取代河砂推迟了混合砂混凝土早期塑性开裂开始时间，与纯河砂混凝土S0相比，S40、S70和S100的初裂开始时间分别延迟了25、50和90 min，随着机制砂掺量的增加，混凝土初裂时间均呈现延长的趋势；随着机制砂掺量从0增加到100%，混凝土的裂缝最大宽度和单位开裂面积呈现逐渐减小趋势，其中S100早期抗裂性能最优，其裂缝最大宽度为0.15 mm、单位开裂面积为51.6 mm2/m2。根据表10可知，纯河砂混凝土S0的抗裂等级为Ⅳ级，而S40、S70和S100的抗裂等级为Ⅴ级。由此说明，机制砂取代河砂能够抑制C60混合砂混凝土的早期塑性开裂，提升混凝土的抗裂等级，且掺量越大越能有效地降低混凝土裂缝最大宽度和单位开裂面积。主要原因在于机制砂颗粒相比河砂粒形更尖锐，与水泥石具有更大的粘结力。且机制砂中石粉具有微集料填充效用，能够减少水泥水化过程中较大孔隙结构的形成，提高混凝土的致密性，使得其早期抗裂效果更好[9-10]。

2.5 机制砂掺量对混凝土干缩性能的影响（见图5）

图5 机制砂掺量对混凝土干缩性能的影响

由图5可以看出，干缩与养护龄期呈幂函数的关系，各组混凝土早期干缩普遍发展急剧，60 d龄期时S0、S40、S70和S100 的干缩率分别为 335.8×10-6，341.2×10-6，395.6×10-6和415.7×10-6，达到180 d龄期干缩率的90%以上，之后干缩增加缓慢。相同养护龄期时，随着机制砂掺量的增加，混凝土干缩均呈增大的趋势。S100的干缩最大，其180 d龄期的干缩为451.2×10-6，比同龄期纯河砂混凝土S0增大了22.9%。主要原因在于随着机制砂掺量的增加，混凝土体系中石粉含量随之增加，增多了混凝土中浆体数量，增大了自由水/水泥比，部分自由水并未参与水化，易于蒸发，导致混凝土干缩增大[7，10]。

2.6 机制砂掺量对混凝土徐变性能的影响

机制砂掺量对混凝土不同龄期徐变系数的影响见图6。

图6 机制砂掺量对混凝土不同龄期徐变系数的影响

由图6可以看出，混凝土徐变系数早期发展快，后期逐渐变缓，各龄期的徐变系数大小排序为：S40＜S0＜S70＜S100，随着机制砂掺量的增加均呈先减小后增大的趋势。当机制砂掺量在40%以内，对混凝土的徐变具有抑制作用；掺量超过40%，对混凝土的徐变具有提高作用。180 d龄期时，相比S0，S40组混凝土徐变系数降低了3.12%，S70和S100组混凝土徐变系数分别提高了8.63%和13.29%。原因在于机制砂掺量在40%以内时，石粉含量较少，机制砂颗粒尖锐，相互摩擦力较大，与水泥粘结紧密，且能够起到骨架作用，一定程度上限制徐变变形。机制砂掺量超过40%时，石粉量随之增加，混凝土浆体体积大幅增加，易导致徐变增加[10]。

3 结论

（1）随着机制砂掺量的增加，新拌混凝土的工作性逐渐变差。

（2）随着机制砂掺量的增加，混凝土的力学性能和弯曲韧性呈先提高后降低的趋势，机制砂最佳掺量为70%。

（3）机制砂能够抑制混凝土的早期塑性开裂，提升混凝土的抗裂等级。混凝土的干缩随机制砂掺量的增加呈增大的趋势。机制砂掺量在40%以内，对混凝土的徐变有一定的抑制作用；掺量超过40%以后，增大了混凝土的徐变。

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