高强机制砂混凝土抗压性能试验研究

刘春杰，丁新新，卢亚召，韩 冰，凡有纪

(1．焦作市公路管理局，河南 焦作 454152;2．华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045)

随着对自然环境和天然河道保护的重视，机制砂已逐渐成为替代天然砂的主要人工资源． 目前对采用机制砂配制常用强度等级混凝土的研究已较为成熟，并得到了广泛的工程应用［1－3］．如王稷良［4］研究了机制砂中石粉含量及机制砂的粒形、级配、压碎值等机制砂特性指数对混凝土性能的影响． 赵顺波等［5］通过试验研究指出机制砂再生粗骨料混凝土梁的开裂弯矩小于普通钢筋混凝土梁的开裂弯矩，建议采用普通钢筋混凝土梁开裂弯矩乘以折减系数的方法来计算机制砂再生粗骨料混凝土配筋梁的正截面开裂弯矩．但对于强度等级在C50 以上的机制砂混凝土的研究还较少，仍然是困扰工程技术人员的技术难题，从而制约了机制砂在混凝土结构中的应用和推广．鉴于此，笔者开展了高强机制砂混凝土配合比设计、拌合物工作性能和抗压性能的试验研究，具有重要意义．

1 试验概况

1．1 原材料

采用P·O 52．5 普通硅酸盐水泥，焦作石灰岩质原状机制砂和石灰岩质碎石，基本性能见表1—3．矿物掺合料为I 级粉煤灰，密度为2 280 kg/m3，细度为3．9，需水量比为95%．减水剂为焦作协力建材TX—102 缓凝高效减水剂，实测减水率为19%．拌合水采用洁净自来水．

表1 水泥基本物理力学性能指标

表2 机制砂的基本物理性能指标

表3 石子的基本物理力学性能指标

1．2 混凝土配合比

采用绝对体积法进行配合比设计［3，6］． 考虑机制砂石粉含量较多，用机制砂总质量4%的石粉按照等体积替代的方式取代粉煤灰，具体配合比见表4．

表4 配合比设计

1．3 试验方法

采用卧轴强制式搅拌机进行混凝土拌制，混凝土试件的投料顺序及搅拌时间为:细骨料，矿物掺合料，1/3 水(搅拌0．5 min)，水泥、粗骨料，掺入减水剂的剩余水(搅拌2．5 min)．

混凝土拌合物性能试验按规范GB/T 50080—2002 进行［7］，测试指标为塌落度及其1 h 经时损失．混凝土抗压性能试验按规范GB/T 50081—2002进行［8］，测试混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度和受压弹性模量，采用150 mm × 150 mm ×150 mm标准立方体试块和150 mm × 150 mm ×300 mm标准棱柱体试块．

2 试验结果分析

2．1 混凝土拌合物工作性能

机制砂混凝土拌合物工作性能试验结果如图1所示．31FC 系列中，砂率为29% ～35%的混凝土拌合物塌落度在160 ～220 mm，塌落扩展度在520 ～580 mm，1 h 经时损失控制在15 ～48 mm．除31FC—29 组混凝土拌合物存在微量离析现象外，其余混凝土拌合物均具有良好的黏聚性和保水性．28FC 系列中，砂率从31%变化至35%时，混凝土拌合物的塌落度在120 ～200 mm，塌落扩展度在250 ～410 mm，1 h 经时损失控制在75 mm 之内，混凝土拌合物均具有良好的黏聚性和保水性．

图1 砂率对混凝土工作性能的影响

固定水胶比0．28、用水量156．8 kg/m3、粉煤灰掺量25%的FC—33 与未掺粉煤灰的基准混凝土F0C 拌合物相比，塌落度降低60 mm 左右，塌落扩展度降低190 mm 左右，如图2 所示．

图2 粉煤灰对混凝土工作性能的影响

由图2 可知，随着粉煤灰替代胶凝材料用量的增加，塌落度和塌落扩展度均明显增加，并超越基准混凝土．这说明了粉煤灰在增大混凝土拌合物粉体体积、黏聚性与保塌性能等方面的正负效应［3］． 同时，粉煤灰有利于保持混凝土拌合物的工作性能，1 h 经时损失随粉煤灰掺量的增加而减小． 为了保证粉煤灰混凝土的优良工作性能，水胶比0．28 的混凝土的粉煤灰掺量需大于30%．

2．2 砂率对混凝土抗压性能的影响

砂率对混凝土立方体抗压强度的影响如图3 所示．31FC 系列中，砂率29% ～35%的混凝土立方体抗压强度:3 d 时为54． 7 ～56． 6 MPa，7 d 时为56．9 ～63．0 MPa，28 d 时为66．6 ～69．9 MPa，56 d时为77．4 ～82．9 MPa．FC 系列中，砂率31% ～35%的混凝土立方体抗压强度:3 d 时为56． 2 ～63．8 MPa，7 d 时为63． 0 ～67． 5 MPa，28 d 时为73．3 ～77．3 MPa，56 d 时为82．0 ～84．2 MPa． 表明砂率31% ～35%在合理砂率区域，对立方体抗压强度性能无显著影响．

图3 砂率对混凝土立方体抗压强度的影响

如图4 所示，31FC 系列中，砂率29% ～35%时，混凝土轴心抗压强度在50．7 ～59．5 MPa，离散性大于立方体抗压强度，缘于高强混凝土的脆性较大，最优砂率为35%;该系列混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值fc/fcu，0在0． 74 ～0． 85，均值为0．79．FC 系列中，轴心抗压强度随砂率的增加呈现微幅降低的规律，最优砂率为31%;该系列混凝土fc/fcu，0在0． 76 ～0． 87，均值为0． 81． 与我国规范GB 50010—2010具有一致性［9］．

图4 砂率对混凝土轴心抗压强度的影响

如图5 所示，31FC 系列中，砂率29% ～35%时，混凝土弹性模量为(4．45 ～4．69)×104MPa，最优砂率为35%．FC 系列中，砂率31% ～35%时，混凝土弹性模量为(4．67 ～5．01)×104MPa，最优砂率为33%和35%．

图5 砂率对混凝土抗压弹性模量的影响

综上分析，采用机制砂配制C60 ～C80 混凝土时，砂率不宜小于33%．

2．3 粉煤灰掺量对混凝土抗压性能的影响

粉煤灰掺量对混凝土立方体抗压强度的影响如图6 所示． 龄期3 d 时，FC 强度均小于未掺加粉煤灰的基准混凝土强度，FC，F35C，F45C 与基准混凝土F0C 抗压强度的比值依次为0．92，0．81，0．76;龄期7 d 时，抗压强度比值依次为1．01，0．87，0．80，FC 的抗压强度与F0C 相当;龄期28 d 时，抗压强度比值依次为1．11，0．96，0．94，F35C 和F45C 抗压强度与F0C 逐步接近;龄期56 d 时，抗压强度比值依次为1．07，0．98，1．07，三种粉煤灰掺量的混凝土抗压强度均达到并超过基准混凝土的抗压强度．因此，粉煤灰作为矿物掺合料在高强混凝土中的水化过程是缓慢而持续的，粉煤灰掺量25% ～45%对混凝土的长期强度无不利影响．

图6 粉煤灰掺量对混凝土立方体抗压强度的影响

如图7 所示，FC，F35C，F45C 组混凝土与基准混凝土F0C 的混凝土轴心抗压强度比值分别为1．04，1．08，0．88．FC 和F35C 轴心抗压强度均大于基准混凝土F0C，基于轴心抗压强度得到的粉煤灰最佳掺量为35%． 此外，混凝土轴心抗压强度与标准立方体抗压强度的比值fc/fcu，0为0．80 ～0．96．其中粉煤灰掺量为35%时，fc/fcu，0为0．96;粉煤灰掺量为25%和45%时，fc/fcu，0约为0．79． 随着粉煤灰掺量的变化，fc/fcu，0的离散性较大，就本次试验而言，粉煤灰的最佳掺量为35%．

图7 粉煤灰掺量对混凝土轴心抗压强度的影响

受压弹性模量随粉煤灰掺量的变化情况如图8所示．

图8 粉煤灰掺量对受压弹性模量的影响

由图8 可知，弹性模量随粉煤灰掺量的增加有微幅的增长． FC，F35C，F45C 组混凝土与基准混凝土F0C 的弹性模量比值分别为1．04，1．01，1．10．说明粉煤灰的掺加对混凝土弹性模量无不利影响，就本次试验而言，基于弹性模量粉煤灰掺量可达到45%．

2．4 骨料最大粒径对混凝土抗压性能的影响

骨料最大粒径对混凝土抗压强度的影响如图9所示．3 d、7 d 和28 d 龄期时，混凝土抗压强度均表现出随骨料最大粒径减小而降低的趋势，28 d 龄期时强度差最明显，FC—33 与FC05 立方体抗压强度之差达到15．7 MPa．而56 d 龄期时，骨料最大粒径为16 mm 和10 mm 的FC16 和FC10 强度基本与FC—33 持平，最大骨料粒径为5 mm 的FC05 强度较FC—33 低7 MPa 左右． 这说明骨料的级配和骨架作用对混凝土前期强度影响较明显，随着养护龄期的增加，混凝土中水化反应的发展，骨料的作用逐渐减弱，混凝土的均质化逐渐加强［10］．

图9 骨料最大粒径对混凝土立方体抗压强度的影响

轴心抗压强度随骨料最大粒径的变化情况如图10 所示．轴心抗压强度随骨料最大粒径的减小有微幅的降低，FC 与FC05 轴心抗压强度之差为2．8 MPa．轴压强度与立方体强度之比fc/fcu，0表现出明显的变化趋势，骨料粒径从20 mm 减小至5 mm时，fc/fcu，0由0．80 增大至0．95． 骨料最大粒径对轴心抗压强度和立方体抗压强度的影响程度不相同，也是fc/fcu，0比值变化的原因．

图10 骨料最大粒径对混凝土轴心抗压强度的影响

弹性模量随骨料最大粒径的减小而减小，如图11 所示．骨料的骨架作用随骨料最大粒径的减小而减弱，从而引起混凝土弹性模量的降低．

图11 骨料最大粒径对受压弹性模量的影响

3 结 语

对高强机制砂混凝土工作性能和抗压性能试验研究的结果表明，采用机制砂配制C50 ～C80 高强混凝土的砂率可取33%;粉煤灰掺量在25% ～35%范围之内对混凝土的工作性能和基本抗压性能影响不大;抗压性能最优的连续级配碎石的最大骨料粒径为20 mm．

［1］刘春杰．机制砂粉煤灰混凝土性能研究［D］．郑州:华北水利水电学院，2007．

［2］刘春杰，贾春燕，李长永． Evaluation of relations among basic mechanical properties of fly-ash concrete with machine-made sand［J］． Applied Mechanics and Materials，2013(438 －439):15 －19．

［3］李凤兰，刘春杰，潘丽云，等． 机制砂混凝土概论［M］．北京:中国水利水电出版社，2014．

［4］王稷良．机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究［D］．武汉:武汉理工大学，2008．

［5］赵顺波，邵文静，李长永． 机制砂再生粗骨料混凝土配筋梁正截面抗裂试验研究［J］． 华北水利水电学院学报，2013，34(4):46 －49．

［6］中国建筑科学研究院． JGJ 55—2011． 普通混凝土配合比设计规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002．

［7］中国建筑科学研究院．GB/T 50080—2002．普通混凝土拌合物性能试验方法标准［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002．

［8］中国建筑科学研究院．GB/T 50081—2002．普通混凝土力学性能试验方法标准［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002．

［9］中国建筑科学研究院．GB 50010—2002．混凝土结构设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002．

［10］蒲心诚．超高强高性能混凝土原理、配制、结构性能应用［M］．重庆:重庆大学出版社，2004．