人工砂混凝土性能試驗研究①

汪學清， 沈正艷， 潘國棟， 陳劍雷

（1.中國礦業(yè)大學（北京） 力學與建筑工程學院，北京100083； 2.威海市文登區(qū)澤庫鎮(zhèn)人民政府，山東 威海264404）

混凝土中的骨料主要包括石子和砂，目前砂主要采用河沙、海砂、山砂和江砂等天然砂［1］，而自然界中的天然砂石料是不可再生資源，十分有限，為滿足建設(shè)施工需求，需要使用人工生產(chǎn)的骨料來替代天然砂石料，因此，深入了解人工砂混凝土力學性能有助于工程建設(shè)的順利開展。 前人對人工砂混凝土進行了大量研究［2-6］，但主要考慮單因素對混凝土的影響。 混凝土是多種材料共同膠結(jié)而成的產(chǎn)物，本文綜合考慮人工砂、石粉、粉煤灰對混凝土性能的影響，可為人工砂混凝土的配置提供一定參考。

1 材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

本次試驗研究的重點是人工砂混凝土的性能，所采用的細骨料分為天然砂和人工砂兩類，粗骨料是天然碎石。

細骨料人工砂選自山東棗莊所產(chǎn)的碎石，采用小型顎式破碎機和人工破碎所得，其砂粒徑小于4.75 mm。對破碎所得人工砂進行了篩分，結(jié)果見表1 和圖1。

表1 人工砂各篩分計篩余量含量

細度模數(shù)Mx計算公式為：

式中Ni為累計篩余百分率，i＝1，2，3，4，5，6。

圖1 人工砂篩分曲線（第一級配區(qū)）

將圖1 數(shù)據(jù)代入式（1），計算得到本次試驗人工砂的細度模數(shù)為3.2，分配曲線為第一級配區(qū)。 根據(jù)篩分曲線和細度模數(shù)判斷為粗砂。

細骨料天然砂為細度模數(shù)2.7 ～3.0 的天然中砂，顆粒級配符合JGJ52—2006《普通混凝土用砂質(zhì)量標準》中砂顆粒級配Ⅱ區(qū)，屬中砂范圍，其物理性質(zhì)如表2 所示。

表2 天然砂物理性質(zhì)

天然粗骨料為4.75 ～16 mm 天然碎石，根據(jù)《建筑用卵石、碎石》（GB／T14685—2011）進行檢驗，其主要物理性質(zhì)如表3 所示。

表3 天然粗骨料物理性質(zhì)

本試驗根據(jù)實際情況采用了山東棗莊中聯(lián)水泥有限公司生產(chǎn)的中聯(lián)PC 32.5 復(fù)合硅酸鹽水泥。

水為實驗室普通自來水。

試驗所用減水劑為聚羧酸系和萘系減水劑。 通過水泥凈漿流動性測試試驗，比較了兩種減水劑的水泥凈漿流動度，來選擇減水劑種類和確定合適摻量［7］，結(jié)果見表4。 從表4 得出，減水劑摻量不斷增多，兩種減水劑作用下的凈漿流動度都是先增大而后減小，從試驗數(shù)據(jù)中分析得出聚羧酸減水劑摻量為0.25%時，流動度最大且滿足流動性要求。 故此選用聚羧酸系減水劑，最佳摻量為0.25%。

1.2 試驗方法

表5 正交試驗因素水平表

根據(jù)正交試驗方案表計算出每一組試驗的混凝土配合比，將拌好的人工砂混凝土裝入模具，放在混凝土振動臺上振實并將其表面刮平。 將振實后的混凝土在20 ℃下養(yǎng)護24 h 后脫模、編號，再放入養(yǎng)護室。 養(yǎng)護條件：溫度20±3 ℃，濕度90%。

人工砂混凝土性能試驗研究中，設(shè)計混凝土目標強度等級為C30。 研究不同人工砂替代率、石粉含量和粉煤灰含量下人工砂混凝土的工作性能及基本力學性能，系統(tǒng)研究人工砂混凝土的坍落度及其在3 d、28 d齡期下的抗壓強度。

試驗采用的配合比是在普通混凝土配合比的基礎(chǔ)上，在水泥、粗骨料、水和減水劑摻量不變的前提下，改變細骨料的取代率以及石粉和粉煤灰的摻量。 參照普通混凝土配合比計算C30 混凝土的配合比為m水泥∶m砂∶m石＝1 ∶1.49 ∶3.02，水灰比W／C ＝0.41，砂率為33%［8］，聚羧酸減水劑摻量為0.25%。

為找出最佳的配比方案，通過盡量少的試驗，來達到相對較好的試驗效果，本試驗采取正交試驗的方法［9］。 選取影響人工砂混凝土性能的人工砂取代率、石粉和粉煤灰摻量3 個因素進行研究。 正交試驗因素水平見表5。 其中，A 為人工砂含量占總細骨料的百分比；B 為石粉含量占總粗骨料的百分比，本試驗所用石粉為制備人工砂過程中篩分所得，粒徑小于0.15 mm；C 為粉煤灰占膠凝材料的百分比。

2 試驗結(jié)果及分析

本次試驗測試的是齡期3 d 和28 d 的人工砂混凝土抗壓強度，試驗儀器為YAW-2000 型微機控制電液式壓力試驗機。

采用直觀分析法處理試驗數(shù)據(jù)。 各配合比下混凝土表觀密度、坍落度及3 d、28 d 抗壓強度正交試驗結(jié)果見表6，極差分析見表7。

表6 各配合比下混凝土表觀密度、坍落度及3 d、28 d 抗壓強度正交試驗結(jié)果

表7 極差分析結(jié)果

2.1 人工砂混凝土的和易性能

由表6～7 可以看出在試驗因素水平變化范圍內(nèi)，混凝土流動性受C 因素（極差為5）的影響最顯著，B因素（極差為3.4）次之，A 因素（極差為2.5）對強度指標影響最小，所以各種因素對人工砂混凝土流動性能的影響順序為：C＞B＞A，即粉煤灰摻量＞石粉摻量＞人工砂取代率。

為了更好看出坍落度的變化規(guī)律，將坍落度試驗值繪于圖2 中。 從圖2 可以看出，坍落度對粉煤灰的影響比較敏感，隨著粉煤灰摻量增加，坍落度增加明顯，當粉煤灰摻量為5%時坍落度達到最大值，之后坍落度呈逐漸減小趨勢，但影響并不大。 粉煤灰中的SiO2和Al2O3可以與水泥水化反應(yīng)后生成的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生水化硅酸凝膠，與水泥中硅酸鹽的水化產(chǎn)物相同，兩者共同包裹在石子和砂表面，起到了潤滑作用，在相同的用水量下，能使混凝土坍落度加大，采用粉煤灰也有利于降低泌水與離析，由此可得，加入適量粉煤灰可以在一定程度上改善混凝土的坍落度。

圖2 三因素與混凝土坍落度關(guān)系

坍落度隨著人工砂取代率增加先增加后減小。 坍落度減小的主要原因是人工砂表面粗糙，棱角較多，使得骨料之間的內(nèi)摩擦力加大，所以混凝土的流動性變差，坍落度降低。 隨著石粉摻量增加，坍落度先減小后增加，摻入適量的石粉能夠填充骨料間的孔隙，使混凝土密實度增加，石粉在骨料孔隙之間能起到微滾珠的作用，減小了骨料之間的摩擦力，能起到改善混凝土坍落度的作用。

2.2 人工砂混凝土的強度性能

從表7 可知，各種因素對人工砂混凝土3 d 抗壓強度的影響順序為：石粉摻量＞粉煤灰摻量＞人工砂取代率；同理可得，各因素對混凝土28 d 抗壓強度的影響為：人工砂取代率＞石粉摻量＞粉煤灰摻量。 為了進一步分析三因素對于混凝土抗壓強度的影響，將三因素與3 d 和28 d 抗壓強度的關(guān)系繪于圖3 中。

從圖3 可以看出，隨著人工砂取代率增加，混凝土早期強度逐漸增加，主要原因是人工砂表面粗糙，棱角較多，使得骨料之間的內(nèi)摩擦力加大，所以混凝土的抗壓強度會提高；隨著石粉摻入量增加，早期強度先增加后降低，由于石粉填充人工砂的孔隙，彌補有棱角的人工砂的不足，使得混凝土表觀密度增大，提升了混凝土的抗壓強度，但是過量的石粉摻入造成有些石粉依附在砂的表面，使得砂與水泥的粘結(jié)反應(yīng)受到阻礙，影響混凝土強度，使得混凝土抗壓強度減?。浑S著粉煤灰摻入量增加混凝土的強度逐漸降低。

隨著人工砂取代率增加，28 d 抗壓強度逐漸降低，人工砂取代率為10%時混凝土強度達到最大；石粉摻量的影響趨勢同早期強度變化趨勢相似，摻量為3%時，混凝土28 d 抗壓強度最大；隨著粉煤灰摻入量增加，28 d 抗壓強度先增大后減小，存在一個最優(yōu)摻入量5%。 粉煤灰后期充分發(fā)生水化反應(yīng)，能提高混凝土密實度，從而有利于提高混凝土強度。 由于28 d強度為混凝土的標準抗壓強度，且隨著時間增長，后期強度變化不大，因此通過混凝土28 d 齡期的抗壓強度可以得到混凝土配合比最優(yōu)方案為A1B2C2，即人工砂取代率10%，石粉摻量3%，粉煤灰摻量5%。

圖3 三因素與混凝土抗壓強度關(guān)系

2.3 人工砂混凝土最優(yōu)配比驗證

為增加試驗的嚴謹性，特以最佳配合比再進行3組混凝土，進行復(fù)驗，并與普通混凝土相比，試驗數(shù)據(jù)見表8。

表8 人工砂混凝土與普通混凝土試驗數(shù)據(jù)

從表8 可以看出，利用最優(yōu)配比加入粉煤灰和石粉可以提高混凝土強度，比設(shè)計強度C30 提高了28%，將人工砂取代天然砂可以進一步提高混凝土強度，相比設(shè)計強度提高了33.7%，相比普通砂混凝土的抗壓強度提高了4.4%。 與普通混凝土相比，人工砂混凝土中人工砂表面棱角多，使得混凝土骨料之間的鑲嵌緊湊，石粉能夠填充混凝土之間的孔隙，讓混凝土變得更加密實，粉煤灰能夠與水泥發(fā)生化學反應(yīng)使混凝土流動性增大，所以人工砂混凝土的性能要優(yōu)于普通混凝土。

2.4 人工砂混凝土的經(jīng)濟效益分析

將1 m3的普通混凝土和人工砂混凝土各材料的用量和價格列于表9，可以看出每立方米人工砂混凝土材料費可節(jié)省3.588 元。 人工砂混凝土既滿足了設(shè)計要求又提高了抗壓強度，具有較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。 對于某些大型工程，比如隧道開挖，由于道路崎嶇，隧道開采的碎石不易運出，可以利用開采出的碎石制備人工砂，不僅解決了碎石亂堆砌的問題，而且緩解了因材料輸送不及時引起的窩工問題，極大減少了河砂的購買和運輸成本，經(jīng)濟效益顯著。

表9 C30 人工砂混凝土與普通混凝土經(jīng)濟性比較

以三峽二期工程泄洪壩段混凝土工程施工為例進行人工砂混凝土經(jīng)濟分析，在三峽二期工程混凝土工程施工中，混凝土工程施工技術(shù)又得到進一步的改進和提高，混凝土澆筑強度連續(xù)三年闖過400 萬立方米大關(guān)，多次刷新混凝土澆筑強度世界紀錄，泄洪壩段混凝土澆筑施工工程量較大，混凝土總量700 多萬立方米，施工組織設(shè)計高峰月強度達30 萬立方米／月［10］。三峽二期工程泄洪壩段混凝土工程經(jīng)濟性分析如表10 所示。

表10 三峽二期工程泄洪壩段混凝土工程經(jīng)濟性對比分析

由表9 可以得出，C30 人工砂混凝土可以比相同配合比的普通混凝土節(jié)約1.794 元／m3，由表10 可以得出，在三峽二期工程泄洪壩段混凝土工程施工中應(yīng)用人工砂混凝土可以節(jié)約建筑材料費用1 255.8 萬元。同時，人工砂可就地取材，利用施工中開采出的碎石進行制備，取代一定量的河砂，減少了河砂的運輸成本，解決了碎石亂堆砌的問題，并且緩解了因材料輸送不及時引起的窩工問題，經(jīng)濟效益顯著。

3 結(jié) 論

采用正交試驗方法研究了人工砂取代率、石粉摻量和粉煤灰摻量對人工砂混凝土的坍落度和抗壓強度的影響，得出以下結(jié)論：

1） 粉煤灰摻量對坍落度影響最大，石粉摻量次之，人工砂取代率對坍落度的影響最小。

2） 石粉摻量對混凝土3 d 抗壓強度的影響最大，粉煤灰摻量次之，人工砂取代率對3 d 抗壓強度的影響最??；而對于混凝土28 d 抗壓強度的影響則表現(xiàn)為人工砂取代率＞石粉摻量＞粉煤灰摻量，摻入石粉能夠提高混凝土的早期性能，摻入粉煤灰和人工砂取代天然砂對于混凝土后期的影響比較大。

3） 通過分析可以得到人工砂混凝土的最佳摻量配比為：人工砂取代率10%，石粉摻量3%，粉煤灰摻量5%，此時混凝土28 d 抗壓強度為40.1 MPa，相對于設(shè)計強度30 MPa 有了極大提高。

4） 人工砂取代一定量天然砂配制混凝土能夠節(jié)約建筑材料費用，減少河砂的運輸成本，解決碎石亂堆砌的問題，并且能夠緩解因材料輸送不及時引起的窩工問題，經(jīng)濟效益顯著。