機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)研究

劉曉龍

（中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司， 北京 101300）

0 引言

隨著我國建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，基于混凝土設(shè)計(jì)的主要趨勢，越來越多的大型土木工程項(xiàng)目要求河砂作為普通細(xì)集料。河沙枯竭可能發(fā)生在許多地方，特別是遠(yuǎn)離任何河流的地方。在這種情況下，使用機(jī)制砂可能是一個(gè)簡單可行的選擇。與河砂相比，機(jī)制砂具有一些優(yōu)點(diǎn)，如可以存在聚晶微粉(AMF)。關(guān)于 AMF 在機(jī)制砂混凝土(MSC)性能方面的作用，有相互矛盾的報(bào)道。一些研究人員報(bào)告了在 MSC 中隨著 AMF 含量的增加，坍落度減少和需水量增加。另一些文獻(xiàn)認(rèn)為，對于 MSC 的性能而言，AMF 存在一個(gè)最佳含量，AMF 的存在可能有助于獲得更高的抗壓強(qiáng)度。據(jù)報(bào)道，抗壓強(qiáng)度受到許多不同因素的影響，這可能導(dǎo)致不同的報(bào)道結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，AMF 對水泥漿體流變性能的影響受到表面性質(zhì)、粒徑和礦物類型的影響。

1 機(jī)制砂混凝土性質(zhì)概述

機(jī)制砂是用碎石或碎石經(jīng)機(jī)械破碎分離而成的粒徑小于5mm 的人造砂，近年來已成為河道防護(hù)用天然砂的替代品。與天然砂相比，機(jī)制砂具有表面粗糙、棱角多、石粉含量大等特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝中，碎石或礫石直接放入破碎機(jī)中，粒度小于75 μm 的石粉易與泥塊或風(fēng)化層中形成的泥粉混合。因此，對于機(jī)制砂中石粉對混凝土性能的影響有不同的看法。為了避免石粉的不利影響，現(xiàn)行《建筑用砂標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14684-2001)對 C30-C60級(jí)澆注混凝土的機(jī)制砂石粉含量相對嚴(yán)格的限值低于5.0% ，極大地限制了機(jī)制砂在結(jié)構(gòu)混凝土中的應(yīng)用。

2 機(jī)制砂混凝土試驗(yàn)探究方法概述

機(jī)制砂由機(jī)械按照一定的破碎和篩分工序用碎石制成，具有不同于天然砂的許多特性，如不規(guī)則多邊形顆粒尖銳、表面粗糙新穎、充滿石粉等，使混凝土在新鮮和硬化狀態(tài)下具有不同的性能。因此，近年來我國對機(jī)制砂混凝土進(jìn)行了大量的研究。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在混凝土與機(jī)制砂混合時(shí)，應(yīng)清楚地了解混凝土的基本性能，包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂模數(shù)和彈性模量之間的關(guān)系。然而，以往對機(jī)制砂混凝土的研究很少涉及這一方面。關(guān)于這些屬性的部分測試數(shù)據(jù)在已發(fā)布的參考文獻(xiàn)中被分離。在這種情況下，我國現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范沒有對機(jī)制砂混凝土與普通天然砂混凝土進(jìn)行區(qū)分，也沒有對其適應(yīng)性進(jìn)行綜合評價(jià)。本文在總結(jié)已發(fā)表文獻(xiàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計(jì)分析，探討了機(jī)制砂混凝土的上述性能之間的關(guān)系，并與普通混凝土進(jìn)行了比較。對機(jī)制砂混凝土這些性能的設(shè)計(jì)應(yīng)用提出了一些建議。

然而，為了確保石粉的極限含量，盡可能地消除粉末泥漿，傳統(tǒng)的機(jī)制砂方法往往將水洗作為最終的測定方法。由此產(chǎn)生了兩個(gè)問題: 一是機(jī)制砂中大量石粉被沖刷出來排入河道造成的二次環(huán)境污染，二是混凝土綜合利用中自然資源的浪費(fèi)。針對這一情況，提出了將傳統(tǒng)的水洗工藝改為第一步工藝的技術(shù)改進(jìn)方案，使石材在破碎前進(jìn)行清洗，避免將泥漿混入原料中，最后保留完整的石材粉末。與傳統(tǒng)的機(jī)制砂不同，全石粉砂被稱為原機(jī)制砂。原機(jī)制砂中石粉的含量一般都超過規(guī)定的限量。

3 機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)

3.1 機(jī)制砂混凝土軸向壓縮強(qiáng)度與立方壓縮強(qiáng)度的理論關(guān)系研究

首先本文從已有的文獻(xiàn)中收集了55 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，混凝土的立方抗壓強(qiáng)度范圍為28.8 MPa 至102.5 MPa。通過統(tǒng)計(jì)分析，軸向壓縮強(qiáng)度與立方體壓縮強(qiáng)度之間的關(guān)系符合0.947 的關(guān)系系數(shù)和0.081 的標(biāo)準(zhǔn)差，GB50010 中規(guī)定的普通混凝土的關(guān)系式和機(jī)制砂的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比能夠得出，普通混凝土的試驗(yàn)結(jié)果在混凝土立方抗壓強(qiáng)度測試值小于60MPa 時(shí)接近試驗(yàn)值的下限，而混凝土立方抗壓強(qiáng)度大于60MPa 時(shí)接近于標(biāo)準(zhǔn)中提出的公式關(guān)系。因此，GB50010 中規(guī)定的普通混凝土的關(guān)系式可用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)制砂預(yù)測混凝土的軸向抗壓強(qiáng)度。在已有試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，原機(jī)制砂性能和石粉摻量對新拌混凝土工作性能和硬化混凝土性能有不同的影響。為此，進(jìn)行了原機(jī)制砂、石粉固有特性的系列試驗(yàn)，研究了石粉含量對砂性能和水泥砂漿強(qiáng)度的影響，并介紹了主要試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 原機(jī)制砂石粉含量對強(qiáng)度發(fā)展的影響試驗(yàn)探究

在實(shí)驗(yàn)的過程中選擇具有合格穩(wěn)定性的42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥和具有已知的物理力學(xué)性能的原機(jī)制砂進(jìn)行試驗(yàn)。對原機(jī)制砂進(jìn)行分選和測定后，重新調(diào)整了具有砂質(zhì)的石粉含量。5 毫米-10 毫米和10 毫米-25 毫米系列的石灰石粉按1:1 的比例混合，并且對其物理和機(jī)械性能進(jìn)行檢測和記錄。在混凝土配比的控制方面將混凝土的設(shè)計(jì)等級(jí)為 C50，只需改變石粉含量分別為3% 、7% 和13% ，減水劑含量為水泥質(zhì)量的0.75% 。試驗(yàn)方法符合《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)的規(guī)定。對150mm 的立方體進(jìn)行了3 d、4 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d、120 d、150 d 和180 d 的立方體抗壓強(qiáng)度測試，共測試了27 個(gè)周期。

首先對砂礫的特征進(jìn)行研究和分析，圖1 示出了天然砂和原機(jī)制砂的圖片，可以看出天然砂呈淡黃色，顆粒較大的圓形平原表面，粉砂含量較高，原機(jī)制砂呈凹凸灰色，顆粒呈不規(guī)則多邊形顆粒狀，表面粗糙，邊緣尖銳，石粉含量較高。粒度特征通常用點(diǎn)狀、長寬比和豐滿度三個(gè)指標(biāo)來描述。指向性反映了籽粒邊緣和角點(diǎn)的相對敏銳度，長寬比用于評價(jià)籽粒是否呈針狀，豐滿度是與籽粒表面光滑程度有關(guān)的籽粒凸度的度量。與天然砂相比，原機(jī)制砂的點(diǎn)狀和長寬比較大，含有更多的針狀顆粒。然而，天然砂由于長期磨損而表面光滑，所以充滿率較大。

圖1 天然砂(左)和原機(jī)制砂(右)的外觀示意圖

原機(jī)制砂的顆粒特性一般會(huì)導(dǎo)致顆粒之間產(chǎn)生較大的機(jī)械嚙合力，有利于砂與水泥的粘結(jié)，但不利于新拌混凝土的流動(dòng)性，在拌制混凝土?xí)r應(yīng)予以注意。

之后對于砂礫的級(jí)配進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，根據(jù)顆粒組成的統(tǒng)計(jì)分析，天然砂屬于 II 級(jí)配上下限中間具有理想級(jí)配曲線的中型砂，原機(jī)制砂屬于末端過粗級(jí)配、中間極少級(jí)配的粗砂，顆粒大于2.36 mm 或小于0.15 mm，但小于0.6 mm ー1.18 mm，符合 I 級(jí)配砂的技術(shù)要求。砂的級(jí)配對于控制新拌混凝土的含水量具有重要意義。4.75 mm 至0.15 mm 的顆粒效果更好，特別是4.75 mm 至2.36 mm 的顆粒效果更好。因此，應(yīng)采取相應(yīng)的措施來滿足新拌混凝土的工作性能。

在此基礎(chǔ)上對機(jī)制砂的細(xì)度分布進(jìn)行分析和研究，圖2 示出原機(jī)制砂中石粉的細(xì)度分布和各粒度級(jí)的合格率。原石粉的平均粒徑為29.99 μm，小于75 μm 的顆粒含量為90.2% ，小于10 μm 的顆粒含量為24.6% ，小于10 μm 的顆粒含量為25.5% ，小于30 μm 的顆粒含量為40.2% 。由于水泥漿體系中石粉微細(xì)顆粒的填充作用以及集料孔隙等因素的影響，石粉細(xì)度呈均勻連續(xù)分布，有助于提高混凝土的密實(shí)度。根據(jù)相關(guān)研究，石粉的微細(xì)晶粒，尤其是小于10μm 的微細(xì)晶粒，有促進(jìn)水泥水化的晶核效應(yīng)。

圖2 細(xì)度分布(左)及各粒度級(jí)石粉的通過率

通過試驗(yàn)?zāi)軌虻贸霾煌酆?、不同時(shí)間的混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展情況。石粉含量對砂性能的影響從圖3 可以看出，在0.15ー2.36 mm 的水平范圍內(nèi)，石粉含量對篩子累積剩余量(ATR)的影響為負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.99。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可將分級(jí)范圍劃分為0.6 mm 水平篩余物的累計(jì)剩余量。當(dāng)石粉含量低于6% 時(shí)，砂的級(jí)配屬于 I 級(jí)。當(dāng)含量在6% ー14% 之間時(shí)，屬于范圍 II。當(dāng)含量在14% ー20% 之間時(shí)，屬于范圍 III。

圖3 石粉含量對砂級(jí)配的影響示意圖

綜合來看，原機(jī)制砂的石粉含量在試驗(yàn)范圍內(nèi)是合適的。通過試驗(yàn)研究了原機(jī)制砂、石粉的性能，以及石粉摻量對砂性能和水泥砂漿強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果有助于解釋原機(jī)制砂在不同石粉摻量下混凝土的一些特性。與普通混凝土相比，混凝土的增量更為理想。并且根據(jù)得到的混凝土配比對機(jī)制砂強(qiáng)度的影響機(jī)制關(guān)系能夠?qū)炷恋膹?qiáng)度進(jìn)行有效準(zhǔn)確的預(yù)測，原機(jī)制砂中的石粉對混凝土強(qiáng)度的影響與普通機(jī)制砂中摻入石粉的混凝土強(qiáng)度的影響差別很大，原機(jī)制砂中石粉含量低于5% 的極限值不適合用于 C50 級(jí)混凝土。

3.3 石粉摻雜量對機(jī)制砂的彈性模量的影響試驗(yàn)探究

在進(jìn)行石灰石彈性模量檢測的過程中利用高摻量石粉制備高強(qiáng)高性能混凝土，以擴(kuò)大石灰石粉碎廢料的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)石灰石粉碎廢料的利用。采用52.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，3 天抗壓強(qiáng)度為30.3 MPa，28 天為62.4 MPa。礦物摻合料為I 級(jí)粉煤灰(FA)和磨細(xì)高爐礦渣（GFBS）。粗集料為5ー25mm 連續(xù)級(jí)配的石灰石碎料。采用兩種不同的砂作為細(xì)集料。第一種是細(xì)度模數(shù)為3.4 的石灰石砂，原始粉塵含量(＜ 75μm)為3.5% 。用河砂與質(zhì)譜進(jìn)行比較，其細(xì)度模數(shù)為2.7。采用濕篩法從剩余石灰石砂中分離出目數(shù)小于75μm 的石灰石粉塵。采用105 ° c 干燥24h，研磨至75μm 的方法制備粘土粉。摻合料為 JG-2 高效減水劑和 JG-3 緩凝超級(jí)塑化劑，按重量1:1 混合。

人們普遍認(rèn)為，混凝土的彈性模量取決于其抗壓強(qiáng)度、體積密度、骨料的相對體積和剛度(剛度與骨料來源密切相關(guān))。本文的結(jié)果表明，MS 混凝土與 RS 混凝土的彈性模量沒有明顯差別，微細(xì)粒含量最高的 MS 混凝土的彈性模量為14% ，而 MS 混凝土的彈性模量隨微細(xì)粒含量的增加而降低。微細(xì)粉含量的增加，一方面改善了混凝土的抗壓強(qiáng)度，使彈性模量趨于增加，但另一方面增加了漿體體積，然后降低了混凝土的彈性模量。用 FA 或 GBFS 替代水泥后，材料的彈性模量降低。

4 結(jié)束語

綜上所述，機(jī)制砂具有不規(guī)則多邊形顆粒尖邊、表面粗糙、石粉含量大等特點(diǎn)，對混凝土的性能影響不大。作為混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，必須清楚地了解混凝土的基本力學(xué)性能，如抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂模數(shù)和彈性模量之間的關(guān)系。本文總結(jié)了已發(fā)表文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過與普通混凝土的統(tǒng)計(jì)分析比較，討論了這些性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明，按照我國現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定的普通混凝土的抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式，可以預(yù)測混凝土的軸壓抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)低于 C30 時(shí)，預(yù)測抗拉強(qiáng)度應(yīng)乘以減小系數(shù)。機(jī)制砂混凝土的彈性模量大于普通混凝土的彈性模量，本文應(yīng)用公式進(jìn)行展望。同時(shí)，提出了斷裂模數(shù)的計(jì)算公式。