礦物摻合料對機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能影響分析

趙 鑫

（山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，山西 太原 030032）

0 引言

近年來，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)消耗了大量的水泥混凝土，而砂在混凝土中約占30%～40%，每年消耗量巨大[1]。隨著環(huán)境保護(hù)呼聲的不斷提高，天然砂日益短缺，部分地區(qū)甚至出現(xiàn)天然砂枯竭的現(xiàn)象。雖然機(jī)制砂中含有一定量的石粉，但相同條件下機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度高于天然砂混凝土，因此可采用機(jī)制砂代替天然砂[2]。很多學(xué)者對機(jī)制砂中石粉的活性進(jìn)行了研究，得出石粉在水泥水化過程中也表現(xiàn)出一定的活性，但應(yīng)準(zhǔn)確控制石粉摻量。按照一定比例摻配粉煤灰和礦渣粉作為礦物摻合料也會改善機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能[3]。為了研究礦物摻合料對機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的影響，通過試驗(yàn)確定兩組天然砂混凝土配合比和3組機(jī)制砂混凝土配合比。通過比較不同水膠比、粉渣比的混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，分析確定礦物摻合料對機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

通過對比分析的方式，按照試驗(yàn)確定的配合比分別制作天然砂和機(jī)制砂混凝土，根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081—2002）中的試驗(yàn)方法制作試件，分別開展立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)[4]。為了研究礦物摻合料對機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的影響，通過試驗(yàn)確定3種機(jī)制砂混凝土配合比和兩種天然砂混凝土配合比，分別制作試驗(yàn)試件。每組試件15個(gè)，分別在齡期為3 d、7 d、28 d、60 d、90 d、120 d、180 d、365 d開展試驗(yàn)，分析混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定不同礦物摻合料摻配量的機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能。

2 原材料與配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料選配

該試驗(yàn)所選混凝土為高性能混凝土，混凝土標(biāo)號為C55。水泥選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，粗集料選用連續(xù)級配的玄武巖，細(xì)集料選用石灰?guī)r機(jī)制砂，各類原材料技術(shù)指標(biāo)如表1～表4所示。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表3 機(jī)制砂技術(shù)指標(biāo)

礦物摻合料選用粉煤灰與礦渣粉，其中粉煤灰選用Ⅱ級煤灰，細(xì)度為18.1%，燒失量為2.05%，SO3含量為0.76%，含水量0.2%，28 d活性指數(shù)為99%；礦渣粉選用595級礦渣粉，燒失量為0.19%，SO3含量為1.57%，流動(dòng)度比為99%，比表面積為4 520 cm2/g，7 d活性指數(shù)為81%，28 d活性指數(shù)為72.6%；減水劑選用聚羧酸高效減水劑；試驗(yàn)用水為人畜飲用水。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JTG 55—2011）中的相關(guān)規(guī)定，對機(jī)制砂混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了準(zhǔn)確確定礦物摻合料對機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的影響，分別選擇3個(gè)不同的配合比制作試件，配合比編號分別為JZ1、JZ2、JZ3，其中JZ1沒有摻加礦物摻合料。同時(shí)，分別選取兩組天然砂混凝土配合比制作試件，與機(jī)制砂混凝土試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，配合比編號分別為TR1、TR2，試驗(yàn)用混凝土配合比如表5。

表5 試驗(yàn)用混凝土配合比

3 礦物摻合料對機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能影響分析

3.1 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

按照機(jī)制砂混凝土和天然砂混凝土配合比制作試件，分別在不同齡期開展立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，收集試驗(yàn)結(jié)果繪制不同摻配量礦物摻合料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖1所示。

圖1 不同摻配量礦物摻合料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

分析圖1所示曲線變化趨勢，沒有摻加礦物摻合料的JZ1早期立方體抗壓強(qiáng)度較高，而隨著齡期的增長，與摻加礦物摻合料的混凝土之間強(qiáng)度的差異逐漸縮小。齡期達(dá)到120 d以后，摻加礦物摻合料的機(jī)制砂混凝土立方體抗壓強(qiáng)度逐漸超過JZ1，但天然砂混凝土立方體抗壓強(qiáng)度仍然低于JZ1，而JZ3機(jī)制砂混凝土365 d強(qiáng)度高于JZ2機(jī)制砂混凝土，分析原因是由于粉煤灰和礦渣粉的前期水化速度小于水泥水化速度，因此雖然二者雙摻會產(chǎn)生超疊加效應(yīng)，但早期混凝土強(qiáng)度增長速度較慢，而后期由于粉煤灰的火山灰反應(yīng)會增加膠凝產(chǎn)物，消耗了混凝土中Ca(OH)2，填充了孔隙，使混凝土強(qiáng)度不斷提高。與天然砂混凝土相比，機(jī)制砂混凝土中含有一定量的石粉，而試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)制砂混凝土立方體抗壓強(qiáng)度均高于天然砂混凝土，說明適量的石粉含量不會影響礦物摻合料發(fā)揮作用。

3.2 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

同樣按照機(jī)制砂混凝土和天然砂混凝土配合比制作的試件，分別在不同齡期開展劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，收集試驗(yàn)結(jié)果繪制不同摻配量礦物摻合料混凝土脆性指數(shù)和劈裂抗拉強(qiáng)度變化曲線如圖2和圖3所示。

圖2 不同摻配量礦物摻合料混凝土脆性指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同摻配量礦物摻合料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

分析圖2所示曲線變化趨勢，摻加礦物摻合料可以降低機(jī)制砂混凝土的前期脆性，但中后期變化不大，說明礦物摻合料對混凝土脆性改善效果不明顯。

分析圖3曲線變化趨勢，JZ2機(jī)制砂混凝土的水膠比為0.31、粉渣比為0.7，前期劈裂抗拉強(qiáng)度明顯低于JZ1，隨著齡期的增加強(qiáng)度差異逐漸縮小，365 d后超過了JZ1。而JZ3機(jī)制砂混凝土的前期劈裂抗拉強(qiáng)度較小，當(dāng)齡期超過90 d后劈裂抗拉強(qiáng)度超過了JZ2，齡期180 d后超過了JZ1，與立方體抗壓強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律類似，隨著齡期的增長，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸增加。分析原因也是由于粉煤灰的火山灰作用，消耗了混凝土內(nèi)部的Ca(OH)2，填充了孔隙，使混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度不斷增加。同樣，養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)天然砂混凝土TR1和TR2的劈裂抗拉強(qiáng)度均明顯小于機(jī)制砂混凝土。

3.3 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

分別選取3組機(jī)制砂混凝土配合比制作的試件，在各齡期開展軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，不同摻配量礦物摻合料混凝土軸心抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖4所示。

圖4 不同摻配量礦物摻合料混凝土軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

分析圖4曲線變化趨勢，未摻礦物摻合料的JZ1機(jī)制砂混凝土的前90 d軸心抗壓強(qiáng)度高于摻加礦物摻合料的JZ2和JZ3，而120 d后JZ2機(jī)制砂混凝土軸心抗壓強(qiáng)度超過了JZ1，而JZ3機(jī)制砂混凝土120 d的軸心抗壓強(qiáng)度接近JZ1，并呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。摻加礦物摻合料的機(jī)制砂混凝土軸心抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)前期增長速度慢，中后期保持增長，而后逐漸超過未摻加礦物摻合料的機(jī)制砂混凝土的規(guī)律。

4 結(jié)語

以C55高性能混凝土為例，分別制作天然砂混凝土和機(jī)制砂混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)，對比試驗(yàn)結(jié)果確定礦物摻合料對機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的影響，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

a）摻加礦物摻合料的機(jī)制砂混凝土前期立方體抗壓強(qiáng)度低，隨著齡期的增長強(qiáng)度逐漸超過未摻加礦物摻合料的機(jī)制砂混凝土，水膠比0.33的機(jī)制砂混凝土365 d強(qiáng)度高于水膠比0.31的機(jī)制砂混凝土，且均明顯高于天然砂混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

b）摻加礦物摻合料的機(jī)制砂混凝土軸心抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)前期增長速度慢，中后期持續(xù)增長并最終超過未摻加礦物摻合料的機(jī)制砂混凝土的規(guī)律。水膠比0.31的機(jī)制砂混凝土365 d強(qiáng)度高于水膠比0.33的機(jī)制砂混凝土，且均明顯高于天然砂混凝土。

綜上所述，機(jī)制砂混凝土在摻加礦物摻合料后力學(xué)性能得到了明顯改善，均高于天然砂混凝土，但應(yīng)做好機(jī)制砂混凝土水膠比的調(diào)整。