機制砂混凝土早期開裂及抗水滲透性能影響因素研究

余勝偉

(湖南省交通建設(shè)工程監(jiān)理有限公司, 湖南 長沙 410015)

0 引言

在天然砂難以滿足建設(shè)需求的背景下，機制砂應運而生。當前運用機制砂配制混凝土已成為生產(chǎn)混凝土的一種常見方式。機制砂混凝土綜合運用性能較好，同時價格優(yōu)惠、生產(chǎn)簡便，逐步得到了廣大工程人員的認可。但機制砂運用于配備高性能混凝土，仍存在諸多不足，如機制砂在特殊結(jié)構(gòu)上的工作狀態(tài)與普通河砂的某些力學性能相比還有不足等。若要對機制砂進行充分利用，則需改善其配比性質(zhì)，通過添加其他材料提高其強度等性能，調(diào)配出適用性強的機制砂混凝土[1-2]。機制砂混凝土耐久性能是國內(nèi)研究者青睞內(nèi)容之一，形成了諸多具有借鑒意義的研究成果。國內(nèi)關(guān)于機制砂混凝土的性能研究主要集中在混凝土的抗凍性及抗?jié)B性方面，并且在這兩種性能方面的研究成果還存在部分爭議性[3]。如趙靜等[4]進行了機制砂、普通砂等多種砂的混凝土耐久性研究，考察3種砂制成混凝土的抗凍、抗?jié)B、抗碳化等耐久性，試驗結(jié)果表明：機制砂混凝土耐久性較天然砂混凝土好，機制砂中石粉對機制砂混凝土的抗?jié)B等耐久性指標影響不大，同時試驗得到了7%石粉含量的機制砂在C50混凝土中具有可運用性的結(jié)論。機制砂混凝土的耐久性能受多種因素影響，雨水侵蝕或有害液體侵入混凝土內(nèi)部均能降低混凝土耐久性能。機制砂的應用領(lǐng)域較多，尤其是運用到大體積混凝土中，更需要進行耐久性能研究，以期獲得更為有效的研究成果和更加實用的操作規(guī)范。

本文以砂類、石粉含量、礦物摻合量為變量，研究變量變化對機制砂混凝土早期抗裂及抗?jié)B透性能的影響程度。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

1) 水泥。采用質(zhì)量穩(wěn)定性好、抗裂性能優(yōu)良的P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，各項技術(shù)指標檢驗值均滿足規(guī)定要求。

2) 礦物摻合料。在機制砂混凝土中加入礦物摻合料可降低水泥用量，從而減少水泥水化熱，同時礦物摻合料還能改善混凝土結(jié)構(gòu)工作性能及內(nèi)部多孔隙結(jié)構(gòu)的性能，提高機制砂混凝土的抗?jié)B透、抗腐蝕等多項性能指標。本文選擇粉煤灰作為礦物摻合料，粉煤灰等級為II級，其技術(shù)性能指標均滿足規(guī)定要求值。

3)粗集料。粗集料粒徑對機制砂混凝土的和易性影響較大，在選擇粗集料時應盡量選擇最大粒徑較小、粒徑均勻的碎石。通過調(diào)查國內(nèi)C50機制砂混凝土的使用現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)粗集料的最大粒徑一般不超過20 mm。本文采用5～16 mm及16～25 mm連續(xù)級配碎石，按照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTGE42—2015)確定粗集料物理性能，具體指標滿足規(guī)范要求；按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50—2011)確定其級配碎石篩分結(jié)果，具體指標滿足規(guī)范要求。

4) 機制砂細集料。選用4種砂：天然砂、原狀機制砂、石灰?guī)r機制砂和水洗機制砂，4種砂的各項指標均滿足規(guī)定要求。篩分試驗結(jié)果均滿足級配曲線分區(qū)要求。

5) 外加劑。采用HXSX-A類高效減水劑，比照《聚羧酸系高性能減水劑》(JG/T223—2017)、《混凝土外加劑》(GB8076—2008)規(guī)定內(nèi)容，可確定該類外加劑可用于機制砂混凝土的配置。

6)水。所涉及的水均采用自來水。

7) 基準配合比。m水∶m水泥∶m砂∶m石∶m外加劑=150∶428∶692∶1130∶4.28。

1.2 試驗方案

針對機制砂混凝土的耐久性能，主要研究砂類、石粉含量、粉煤灰礦物摻合料這3個參數(shù)對機制混凝土早期開裂及抗水滲透性的影響。試驗設(shè)置砂種類為：天然砂、原狀機制砂、石灰?guī)r機制砂、水洗機制砂4種；石粉含量為：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。試驗組設(shè)計如表1所示。

表1 耐久性試驗組設(shè)置試驗組編號機制砂種類石粉含量/%礦物摻和料/%其他材料X1天然砂0.50X2-1原狀機制砂0.50

續(xù)表1 耐久性試驗組設(shè)置試驗組編號機制砂種類石粉含量/%礦物摻和料/%其他材料X2-2石灰?guī)r機制砂0.50P·O42.5級普通硅酸鹽水泥、5～16 mm及16～25 mm連續(xù)級配碎石、HXSX-A類高效減水劑、水X2-3水洗機制砂0.50X3-1天然砂0.56X4-1原狀機制砂3.50X4-2原狀機制砂7.50X4-3水洗機制砂3.50

2 機制砂混凝土早期開裂影響因素試驗研究

在炎熱或多風季節(jié)，混凝土結(jié)構(gòu)(如路面、混凝土橋和地板等)存在大面積暴露，當混凝土表面水分蒸發(fā)速率大于混凝土出水率時，混凝土表面存在較大收縮應力；當混凝土處于塑性狀態(tài)時，混凝土表面收縮應力大于混凝土表面抗拉強度，此時將產(chǎn)生收縮裂縫，混凝土發(fā)生早期開裂。裂縫的存在降低了混凝土結(jié)構(gòu)承受載荷能力，從而降低混凝土的耐久性。

依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082—2009)制作機制砂混凝土試件，試件尺寸為800 mm×600 mm×100 mm，試驗環(huán)境溫度控制在(20±2)℃，相對濕度保持在(60±5)%，控制風速保持在(5±0.5)m/s，采用MG10085-1A100X顯微鏡觀測試件裂縫?；炷猎缙诳沽研阅艿牡燃墑澐忠姳?。

表2 混凝土早期抗裂性能的等級劃分等級單位面積總開裂面積C/(mm2·m-2)ⅠC≥1 000Ⅱ700≤C<1 000Ⅲ400≤C<700Ⅳ100≤C<400ⅤC<100

2.1 機制砂混凝土早期開裂受砂種類影響

基于相同配合比，對X1(天然砂)、X2-1(原狀機制砂)、X2-2(石灰?guī)r機制砂)和X2-3(水洗機制砂)混凝土的早期開裂進行分析，試驗結(jié)果見表3、圖1。

由表3和圖1可知，機制砂混凝土單位面積的總開裂面積小于天然砂混凝土，而天然砂的彈性模量小于石灰?guī)r，由此可知混凝土中集料的種類和彈性模量對其早期收縮有很大影響，選用機制砂，并選用彈性模量大的集料，則混凝土抗裂性能較好。

表3 機制砂混凝土早期開裂情況統(tǒng)計表試驗組編號貫穿裂縫/條平均開裂面積/mm2裂縫數(shù)目/條·m-2 總開裂面積/mm2·m-2 裂縫最大寬度/mm等級評定 X132738.69450.41ⅡX2-123917.86230.37ⅢX2-202328.25610.31ⅢX2-311330.33420.29Ⅳ

圖1 不同砂種類混凝土的早期開裂情況

2.2 機制砂混凝早期開裂受石粉含量的影響

對石粉含量為0.5%、3.5%和7.5%原狀機制砂混凝土(試件編號分別為：X2-1、X4-1、X4-2)的早期開裂進行分析，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 不同石粉含量機制砂混凝土的早期開裂情況

由圖2可知，原狀機制砂混凝土中石粉含量從0.5%增加至3.5%時，隨著石粉含量增加，機制砂混凝土單位面積的總開裂面積先減小，此時機制砂混凝土早期抗開裂性能得到提高；當機制砂混凝土中石粉含量從3.5%增加至7.5%時，混凝土單位面積的總開裂面積再次變大，對應的早期抗開裂性能被削弱?？梢?，石粉含量并非越大越好，本文試驗最佳石粉含量為3.5%，其對應的混凝土早期開裂性能最佳。

2.3 機制砂混凝土早期開裂受礦物摻合料影響

對粉煤灰摻合料的機制砂混凝土早期開裂進行分析，得到試驗結(jié)果如表4所示。

表4 2種礦物摻合料含量的機制砂混凝土早期開裂結(jié)果試驗組編號礦物摻合料情況早期開裂情況水膠比摻加量/%裂縫數(shù)目/條·m-2 總開裂面積/mm2·m-2 裂縫最大寬度/mmX10.35024.03310.17X3-10.35613.6660.06

由表4可知，X3-1混凝土單位面積的裂縫數(shù)量、總開裂面積及裂縫最大寬度均要低于X1混凝土，說明摻加礦物摻合料會降低混凝土的抗早期開裂性能。

3 機制砂混凝土抗水滲透性影響因素試驗研究

混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部孔隙較多，孔隙的存在影響水分流動，同時影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。為分析機制砂混凝土抗水滲透性能，參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082—2009)，運用逐級加壓法進行機制砂混凝土抗水滲透性能試驗，研究天然砂和機制砂混凝土的抗水滲透性能。本次抗水滲透試驗所采用的儀器是HP-4.0型混凝土抗?jié)B儀，混凝土試件抗?jié)B等級的計算主要參照式(1)。

P=10H-1

(1)

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

獲得的抗水滲透結(jié)果見表5。

表5 機制砂混凝土抗水滲透試驗結(jié)果編號水壓力/MPa抗?jié)B等級X12.1P20X2-12.0P19X2-21.9P18X2-31.6P15X3-12.1P20X4-12.1P20X4-22.2P21X4-31.6P15

由表5可知，各試驗組混凝土的抗?jié)B等級均在P15級以上。

3.1 機制砂混凝土抗水滲透能力受砂種類影響

混凝土配合比相同時，天然砂混凝土X1的抗水滲透性最強，滲水壓力達到2.1 MPa時才出現(xiàn)滲水，水洗機制砂混凝土X2-3的抗水滲透性最差，滲水壓力在1.6 MPa時試件就開始滲水。總體來看，天然砂混凝土的抗水滲透性強于機制砂混凝土，機制砂在經(jīng)過水洗后，砂中的細料部分會被水沖洗干凈，導致整個混凝土結(jié)構(gòu)的孔隙率增加，從而降低了水洗機制砂混凝土的抗?jié)B透性能。

3.2 機制砂混凝土抗水滲透能力受石粉含量變化影響

由表5可知，同一種類機制砂混凝土，隨著石粉含量增大，其抗?jié)B等級越高。其中，X4-2混凝土抗?jié)B等級最高，X4-3混凝土抗?jié)B等級最低，這是由于水洗機制砂中粒徑0.6 mm以下的顆粒被清理干凈導致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)較大的孔隙率，使水洗機制砂混凝土的抗水滲透性能被減弱。摻入足夠的石粉具有填充混凝土孔隙作用，一定程度上提高了混凝土的密實度，使機制砂混凝土的抗水滲透性能得到顯著提高。

3.3 機制砂混凝土抗水滲透能力受礦物摻合料影響

通過比較表5中X1和X3-1可知，在機制砂混凝土中摻入6%的礦物摻合料取代部分水泥，能夠提高機制砂混凝土的抗水滲透性能，這是由于摻加礦物摻合料的混凝土在水泥水化過程中會發(fā)生復雜的化學反應生成特殊的膠凝材料，提高了混凝土的密實度。同時，膠凝材料的堆積密度也影響水泥漿體的抗水滲透性能，礦物摻合料的粒度均小于水泥顆粒，膠凝材料的各組成顆粒相互搭配填充后將獲得更佳級配，進一步降低了混凝土的孔隙率，提高抗?jié)B水性能。

4 結(jié)語

1) 機制砂混凝土中砂的種類和彈性模量對其早期收縮有很大影響，選用彈性模量大的機制砂，則混凝土抗裂性能較好。摻加粉煤灰礦物摻合料降低了混凝土的抗早期開裂性能。石粉含量并非越大越好，本文試驗最佳石粉含量為3.5%，對應的早期開裂性能最佳。

2) 天然砂混凝土的抗水滲透性強于機制砂混凝土。隨著石粉含量增大，同一機制砂混凝土下的混合料抗?jié)B等級越高。但水洗機制砂相對于原狀機制砂在抗水滲透方面的性能明顯較差。摻入礦物摻合料后，機制砂混凝土抗水滲透等級顯著高于未摻礦物摻合料的機制砂混凝土。