机制砂与河砂混凝土30 m T梁足尺模型混凝土性能对比试验研究

全青青，徐文冰，秦明强，周玉娟

(1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北武汉430040;2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉430040;3.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，湖北武汉430040; 4.宁波市高等级公路建设指挥部，浙江宁波315192)

机制砂与河砂混凝土30 m T梁足尺模型混凝土性能对比试验研究

全青青1，2，3，徐文冰1，2，3，秦明强1，2，3，周玉娟4

(1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北武汉430040;2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉430040;3.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，湖北武汉430040; 4.宁波市高等级公路建设指挥部，浙江宁波315192)

以“28 d龄期同强度等级”为目标优选配合比，开展了C50机制砂与河砂混凝土30 m T梁足尺模型试验，对比研究机制砂与河砂混凝土的力学性能、耐久性能、实体结构的抗裂性能。研究结果表明:机制砂混凝土通过优选配合比，具备不劣于河砂的良好的施工性能;机制砂混凝土比河砂混凝土在力学性能方面优势明显;机制砂混凝土的抗氯离子渗透性能及实体梁的抗裂性能与河砂混凝土相近;用机制砂配制的海工混凝土用于实体结构是可行性的。

机制砂 30 m T梁 模型试验 海工混凝土

一直以来，建设工程中主要采用优质河砂作为混凝土细集料，但现今河砂资源稀缺，淡化海砂质量难以保证，并且很多沿海城市的建设工程中已明确禁止使用淡化海砂，使得国内众多跨海桥梁结构混凝土不得不寻找其他细集料来代替天然河砂［1-2］。跨海桥梁结构物一般服役环境恶劣，结构形式复杂，对海工混凝土的性能和质量提出了较高要求。

本文采用机械破碎而成的机制砂配制机制砂海工混凝土，对比研究机制砂与河砂混凝土的配合比及性能特点;再通过机制砂与河砂混凝土的30 m简支T梁足尺模型试验，研究机制砂对实体梁结构性能的影响规律;并与河砂混凝土梁进行对比，以验证机制砂海工混凝土在原材料、配合比、力学性能及耐久性能等方面是否满足相关要求，以及利用机制砂配制的海工混凝土在实体结构应用的可行性及可靠性。

1 原材料及试验方法

1.1 试验原材料

胶凝材料采用宁波港物质有限公司生产的高耐久性建筑混合料(主要由P.O42.5普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰、S95矿粉及调整剂复配而成的复掺体系)，其物理性能见表1。

表1 水泥混合料物理性能指标

砂采用2级配区的机制砂与天然河砂，机制砂由凝灰岩破碎而成，机制砂与河砂的物理性能指标见表2。

表2 机制砂与河砂物理性能指标

碎石应选用粒形和级配良好、压碎值高、针片状含量低、含泥量低、无碱活性的反击破碎石。试验采用象山磊顺石料有限公司生产的5～25 mm连续级配碎石，表观密度2 620 kg/m3，紧密堆积密度1 580 kg/m3，压碎值5.7%(参照《建设用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011))，含泥量0.4%。

机制砂及河砂海工混凝土减水剂均采用中交二航武汉港湾新材料有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂(LN-SP)，减水率29%。拌合水采用洁净的自来水。

1.2 测试方法

混凝土拌合物性能试验按《普通混凝土拌合物性能试验方法》(GB/T 50080—2002)进行。混凝土力学性能试验按《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T 50081—2002)进行。混凝土抗氯离子渗透性能按《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》(GB/T 50082—2009)的RCM法进行。

1.3 显微硬度测试原理

选择一定的荷载，把显微硬度仪压头压入试件表面并保持一定的时间，卸去荷载，试样表面压出一个底面为正方形的正四棱锥压痕，如图1所示。测量正四棱锥压痕两条对角线的长度平均值d，则压痕面积F为

其中:θ为压头与材料表面的接触角，θ=68°。

再求得显微硬度HV为

其中，P为载荷。

图2为显微硬度测点示意。根据图中所示的测点分布在试件的抛光面上进行显微硬度测试，测试步长为10 μm。

图1 显微硬度仪压头形状

图2 显微硬度测点示意

2 试验结果分析

2.1 混凝土配合比优选

根据30 m T梁足尺模型试验C50机制砂及河砂混凝土的技术要求，以“28 d龄期同强度等级”为目标开展机制砂与河砂混凝土配合比设计和优选。混凝土试验配合比及工作性能见表3。

表3C50机制砂与河砂混凝土试验配合比及工作性能

从表3可以看出，机制砂1#，2#在水胶比和用水量较低时，混凝土工作性能不良，主要表现为坍落度和流动度小，黏聚性差，骨料无法被浆体充分包裹;机制砂3#，4#在增加了胶凝材料和用水量后，坍落度增大，整体流动性和黏聚性明显改善，骨料被浆体充分包裹，具有良好的工作性能。河砂混凝土的工作性能总体上略好于机制砂混凝土。与天然砂相比，机制砂颗粒多呈三角形或方矩体，颗粒表面粗糙，棱角多，球形度小，增大了混合材料之间的摩擦力［3-4］。进行机制砂配合比设计时，选择合适的胶凝材料用量［5-6］、砂率及减水剂掺量对机制砂混凝土的工作性能具有明显影响。

图3为C50机制砂与河砂混凝土的力学性能对比。可以看出，在力学性能方面，机制砂混凝土各龄期(4，7，28 d)的抗压强度均优于河砂混凝土，尤其是早期强度(4，7 d)，机制砂混凝土与河砂混凝土相比优势明显。

图3C50机制砂与河砂混凝土力学性能对比

机制砂3#和河砂1#坍落度分别为190，195 mm，工作性能相近，28 d抗压强度分别为64.6，64.2 MPa，满足强度设计要求并且28 d龄期为同强度等级，因此推荐机制砂3#(JZS-ST)和河砂1#(HS-ST)的配合比分别为机制砂和河砂30 m T梁的混凝土施工配合比。

2.230 m T梁足尺模型试验

试验T梁尺寸采用中梁，梁高2.0 m，梁长30.0 m，顶板宽1.7 m，厚16 cm，根部加厚至25 cm，马蹄宽度为50 cm，等高段长度20 cm，梁顶面按平坡设置。主梁采用C50混凝土，纵向预应力采用高强度低松弛钢绞线。制作了30 m T梁2片，机制砂混凝土梁和河砂混凝土梁各1片。T梁结构布置如图4所示。

图4T梁结构布置(单位:mm)

根据室内混凝土配合比的优选工作，现场采用与室内试验相同的原材料，以JZS-ST和HS-ST的配合比分别作为机制砂和河砂30 m T梁的混凝土施工配合比。

2.2.1 混凝土力学性能

图5为机制砂及河砂混凝土留样及取芯试块在标准养护条件下和同条件养护条件下抗压强度测试结果。从图中可知，在相同胶凝材料用量(480 kg/m3)时，机制砂混凝土的水胶比(0.32)比河砂混凝土水胶比(0.31)高的情况下，标准养护条件下的机制砂混凝土各龄期(3，7，28 d)的抗压强度均比河砂混凝土高，具有明显的力学优势，而机制砂混凝土稍大的水胶比也保证了其良好的工作性能和施工性能。机制砂混凝土的早期强度发展较快，7 d抗压强度达到了C50混凝土设计强度以上。河砂混凝土与机制砂混凝土28 d抗压强度接近，基本处于相同强度等级。

同条件养护条件下，河砂混凝土和机制砂混凝土比标准养护条件下具有更高的抗压强度。由于施工现场环境温度较标准养护条件高，胶凝材料水化反应快，抗压强度发展更快。取芯试样的混凝土龄期较长(46 d)，混凝土抗压强度较高，机制砂混凝土的抗压强度仍比河砂混凝土高。

图6为机制砂及河砂混凝土留样及取芯试块在标准养护条件下弹性模量测试结果。从图中可以看出，机制砂混凝土的水胶比在比河砂混凝土高的情况下，机制砂混凝土的弹性模量较河砂混凝土略高。

图5C50机制砂及河砂混凝土留样及取芯试块的抗压强度

图6C50机制砂及河砂混凝土留样及取芯试块的弹性模量

2.2.2 抗氯离子渗透性能

机制砂及河砂混凝土的留样及取芯试块的氯离子扩散系数测试结果见表4。

表4C50机制砂及河砂混凝土留样及取芯试块的氯离子扩散系数×10-12m2/s

从表4可以看出，标准养护条件下，机制砂混凝土的氯离子扩散系数比河砂混凝土略高。河砂混凝土与机制砂混凝土28 d和56 d的标准养护条件下试样氯离子扩散系数均＜1.5×10-12m2/s，达到《混凝土质量控制标准》(GB 50164—2011)中RCM-Ⅴ级;自然养护条件下，河砂混凝土与机制砂混凝土46 d的取芯试样氯离子扩散系数均＜2.5×10-12m2/s，达到GB 50164—2011中的RCM-Ⅳ级。

取芯试样的46 d氯离子扩散系数比标准养护条件下的28 d氯离子扩散系数高，一方面是由于标准养护条件下的试样由振捣棒振捣成型，混凝土密实，而自然养护的取芯试样的混凝土由附着式振捣器振捣成型，密实效果比前者略差;另一方面，标准养护条件下试样养护水分充足，二次水化反应充分，混凝土结构密实，而自然养护条件下气温较高，湿度较低，养护水分较少，取芯试样内部孔隙较多，因此抗氯离子扩散性能略差。

2.3 显微硬度测试分析

对采用河砂和机制砂混凝土两组试验配合比所成型的制作光片进行显微硬度测试，对比分析河砂和机制砂混凝土的界面过渡区和显微硬度性能特征。

河砂和机制砂混凝土的界面过渡区形貌如图7所示。从图中可以看出，机制砂混凝土界面过渡区比河砂混凝土界面过渡区窄，河砂表面形貌相对于机制砂更加光滑，机制砂表面更加粗糙，机制砂粗糙的表面为C-S-H凝胶的粘结提供了良好的界面，因此机制砂在界面过渡区细骨料与C-S-H凝胶的结合更为紧密，提高了界面过渡区的粘结强度，使得机制砂混凝土的力学性能较河砂混凝土高。

图7 河砂和机制砂混凝土的界面过渡区形貌

河砂和机制砂混凝土界面过渡区的显微硬度测试结果如图8所示。可以看出，机制砂混凝土界面过渡区的C-S-H凝胶的显微硬度值比河砂的高，而随着距骨料边缘距离的增加，C-S-H凝胶的显微硬度值也相应地升高。

图8 河砂和机制砂混凝土的界面过渡区显微硬度

2.4 开裂试验

河砂与机制砂混凝土试验T梁分别以跨中双支点加载(间距6 m)的形式，分1～28级荷载进行加载，最大荷载为1 180 kN。河砂混凝土T梁在第15级加载后出现裂缝，对应开裂荷载为572.0～600.6 kN，机制砂混凝土T梁在第18级加载后出现裂缝，对应开裂荷载为629.2～686.4 kN。

河砂混凝土T梁首先在跨中区域处出现底板横向裂缝和腹板垂直裂缝，随着荷载的增加，裂缝区域由跨中向两边延展，裂缝条数不断增加，并沿腹板出现斜向裂缝，裂缝长度不断延展，裂缝宽度逐渐变宽，在第28级荷载加载完毕后，河砂混凝土T梁裂缝分布区域为6.27～24.09 m，裂缝最大宽度为0.61 mm;机制砂混凝土T梁的裂缝出现及发展规律与河砂混凝土T梁基本一致，但机制砂混凝土T梁裂缝分布区域为5.43～24.07 m，裂缝最大宽度为0.81 mm。

卸载后，河砂混凝土T梁与机制砂混凝土T梁均出现裂缝闭合和裂缝宽度变小现象，河砂混凝土T梁未闭合裂缝最大宽度为0.21 mm，机制砂混凝土T梁未闭合裂缝最大宽度为0.19 mm。

3 分析与讨论

试验所用的混合胶凝材料中掺入了大量的粉煤灰和矿粉，导致混凝土水化C-S-H凝胶生成慢，早期强度偏低;而机制砂混凝土由于机制砂表面粗糙，棱角多，界面新鲜，使得机制砂—水化凝胶之间表现出了更好的嵌集咬合效应，骨料紧密堆积效应更强［7］，因此机制砂混凝土早期具有更高力学性能。

试验用机制砂由凝灰岩破碎而成，河砂则为天然冲刷而成，在岩性方面的差别，使得机制砂具备比河砂更高的坚固性;另一方面，由于机制砂粗糙的表面和多棱角形状增强了自相嵌固作用［8］，使混凝土各部位的协同受力变形能力增强，体积稳定性更好，变形较小，刚度较大［9］，因此机制砂混凝土的弹性模量比河砂混凝土高。

机制砂采用破碎成型的工艺，导致机制砂颗粒内部存在微裂纹，孔隙率大，开口相互贯通的孔隙多［10］，形成氯离子扩散渗透的通道，因而机制砂混凝土比河砂混凝土的氯离子扩散系数高。

4 结论

通过C50机制砂与河砂混凝土30 m T梁足尺模型试验，对机制砂与河砂混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能进行研究，结论如下:

1)机制砂混凝土通过调节单方用水量、优选外加剂并适当增大掺量，具备不劣于河砂混凝土的良好施工性能。

2)28 d龄期同强度等级条件下，C50机制砂混凝土与河砂混凝土相比具有更高的早期力学性能，力学性能优势明显。同样荷载条件下C50机制砂混凝土与河砂混凝土实体结构裂缝发展变化规律相似。

3)C50机制砂混凝土抗氯离子渗透性能虽然略低于河砂混凝土，但其28 d和56 d标准养护试样的氯离子扩散系数均达到GB 50164中的RCM-Ⅴ级。

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Comparative experimental study on concrete performance of 30 m T-shaped beam full-scale model respectively using machine-made sand and river sand

QUAN Qingqing1，2，3，XU Wenbing1，2，3，QIN Mingqiang1，2，3，ZHOU Yujuan4
(1.CCCC Wuhan Harbor Engineering Design＆Research Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430040，China; 2.Key Laboratory of Large-span Bridge Construction Technology，Wuhan Hubei 430040，China; 3.Hubei Key Laboratory of Advanced Materials＆Reinforcement Technology Research for Marine Environment Structures，Wuhan Hubei 430040，China;4.Ningbo Expressway Construction Headquarters，Ningbo Zhejiang 315192，China)

T he“28 d with the same strength level”standard was used in C50 concrete mix design with machinemade sand and river sand，respectively.A 30 m T-shaped beam full scale model test was conducted.T he mechanical properties，durability and crack resistance were studied.T he mechanical properties of the concrete with machinemade sand outweigh those of concrete with river sand，with the same workability，chlorine penetration resistance，crack resistance.T his study has verified that the feasibility of the machine-made sand used for marine concrete in structures.

M achine-made sand;30 m T-shaped beam;M odel test;M arine concrete

TU528.1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.38

1003-1995(2015)12-0147-05

(责任审编周彦彦)

2015-08-12;

2015-09-22

宁波市交通运输委员会科技项目(201210);浙江省交通厅科技计划项目(2013H28-2)

全青青(1991—)，男，助理工程师。