人工砂混凝土体积变形特性的试验研究

关炳强,谢 亮,詹镇峰,黎秋锋

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广州大学土木工程学院，广东 广州 510006)

人工砂混凝土体积变形特性的试验研究

关炳强1,谢 亮2,詹镇峰2,黎秋锋1

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广州大学土木工程学院，广东 广州 510006)

人工砂的表面粗糙，棱角尖锐，由人工砂配制的混凝土在强度、抗冻性及抗渗性等方面性能要优于天然砂混凝土。天然砂资源短缺的情况下，采用人工砂制备混凝土具有良好的经济效益。对人工砂混凝土的干燥收缩和自收缩进行了试验研究。结果表明，人工砂混凝土的干缩早期发展快，后期变缓直至稳定，随着石粉含量的增大其干缩先增大后减小，并且随着水灰比的增大而减小；在水灰比一定时，人工砂混凝土各个龄期的干缩均大于河砂混凝土；人工砂混凝土的自收缩在早期表现膨胀变形，后期快速收缩直至稳定。

人工砂；干燥收缩；自收缩

混凝土是目前应用最广泛的土木工程材料，有可模性好、刚度大、有利于结构变形控制和就地取材等优点，因而广泛应用于基础建设中。目前，我国混凝土工程中应用的细集料多是天然砂[1]，天然砂资源是短期内不可再生的，并且地域性较强，也不利于长距离运输。随着我国基础建设的快速发展，对天然砂资源的需求越来越大，很多地区出现乱采、乱挖现象，过度采砂造成的环境破坏越来越严重。为此，我国相继出台了一系列限采或禁采天然砂的措施，由于可用的天然砂资源下降，寻找新的砂源日益紧迫。徐健等[2]的研究指出，使用人工砂制备的混凝土在强度、抗渗性、抗冻性等方面都优于普通混凝土，具有广阔的应用前景。

人工砂指经除土处理的机制砂和混合砂的统称，是用专门的制砂机械生产，可以按工程的需要，人为较稳定地控制人工砂的质量。人工砂的表面粗糙，棱角尖锐，颗粒级配通常为两头大中间小。由于人工砂的这些特性，导致人工砂混凝土在应用上与普通混凝土存在差别。为研究人工砂混凝土与普通混凝土之间的不同，本文对人工砂混凝土的体积变形特性进行了研究，通过比较收缩性能方面的差异，为人工砂混凝土的应用奠定基础。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1) 水泥：韶关某水泥厂生产的普通硅酸盐水泥，强度等级为P·O 42.5R，水泥的性能如表1。

2) 粗集料：广东省某水利枢纽工程施工所用二级配碎石，灰岩碎石，级配组成为60%中石和40%小石(见表2)。

3) 细集料：①人工砂，母岩为石灰岩，细度模数为2.8，级配属Ⅱ区；②河砂，细度模数为2.8，级配属Ⅱ区。石粉为人工砂过0.16 mm筛的筛下部分，并与筛上部分混合成不同石粉含量的机制砂备用。砂的物理性能和级配曲线如图1及表3所示。

4) 水：普通自来水。

5) 外加剂：萘系缓凝高效减水剂，固含量为21%。

表1 水泥的物理力学性能

表2 碎石物理性能试验结果

表3 砂的物理性能

图1 砂级配曲线

1.2 试验方法

1) 混凝土干燥收缩和自收缩均按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)进行测试。

2) 混凝土的配合比设计见表4。

2 试验结果与讨论

2.1 人工砂与河砂混凝土的体积变形特性

2.1.1 人工砂与河砂混凝土的干燥收缩

图2为人工砂及河砂混凝土的干燥收缩与龄期的关系曲线。由图2可知，河砂与人工砂混凝土的干燥收缩变形曲线发展趋势大体一致，早期收缩快，随着龄期的延长，干缩逐渐变缓，但到90 d时，混凝土的

表4 混凝土的配合比设计

干燥收缩仍在发展。对比河砂和人工砂混凝土干缩曲线可知，人工砂混凝土各个龄期的干缩均大于河砂，但后期的干缩率相差不大。如河砂混凝土90 d的干缩值为227×10-6，人工砂混凝土90 d的干缩值为237×10-6，干缩量仅增大4%。造成人工砂混凝土的干缩大于河砂混凝土的原因是人工砂中含有石粉。王稷良认为石粉对混凝土干燥收缩性能的影响存在两方面的作用，一方面石粉粒径与水泥相近，可以提高混凝土中浆体的数量，对混凝土的干燥收缩产生不利影响；另一方面石粉可以完善细骨料的级配，提高混凝土结构的密实性，有利于抑制混凝土的干燥收缩[3]。正是石粉对混凝土的干燥收缩的不利影响大于其抑制混凝土的干燥收缩的作用，导致其干燥收缩大于河砂混凝土。

图2 人工砂及河砂混凝土的干燥收缩

2.1.2 人工砂与河砂混凝土的自收缩

混凝土的自收缩是由于水泥水化造成的，水泥水化过程没有外界水的供应或即使有外界水供应，但其通过毛细孔渗透到体系内部的速度小于内部空隙的形成速度时，毛细孔水从饱和趋向于不饱和状态，即产生自干燥现象[4]。他与干缩现象有明显差异，首先它是在与外界无水分交换的条件下出现的；其次，他在混凝土体内均匀发生，而不是仅发生在表面。已硬化的混凝土水泥石，由于水泥的水化，其中的毛细管失水而产生收缩；当自收缩的应力大于水泥石的抗拉强度时，混凝土就会发生开裂。因此，研究人工砂混凝土的自收缩具有重要的意义。

图3是混凝土的自收缩与龄期的关系曲线。由图3可知，人工砂及河砂混凝土的自收缩随龄期的发展规律大致相同，都是早期为膨胀变形，后期快速产生收缩，最后趋向稳定，但人工砂混凝土产生收缩的速度及变形量大于河砂混凝土。人工砂混凝土在5 d内的自收缩形为膨胀，然后开始收缩，早期收缩快，到70 d龄期后趋缓，但到90 d龄期收缩仍在发展。河砂混凝土的收缩与之类似，但人工砂混凝土90 d龄期的自收缩变形量比河砂混凝土增大了约60%。

图3 人工砂及河砂混凝土的自收缩—龄期曲线

2.2 石粉含量对人工砂混凝土干缩的影响

人工砂中，小于0.16 mm的微细颗粒称为石粉。国标上对人工砂石粉含量的限制较为严格，对于中低标号混凝土限制在7%以下。一般认为，人工砂中适量的石粉含量能起到填充料的作用，且对于提高混凝土强度有利，同时还能改善混凝土和易性和抗渗性能。

本节研究石粉含量对人工砂混凝土干缩影响，通过人工砂混凝土干缩的变化规律，获取适宜的石粉掺量。

图4为石粉含量对人工砂混凝土干缩的影响曲线。根据图4可知：人工砂混凝土的干缩随着石粉含量的增大先增大后减小，超过极限值以后干缩又增大。石粉掺量在12%以内，随着石粉含量的增加，混凝土的干缩随之增大；当石粉掺量超过12%以后，混凝土的干缩随石粉掺量的增加而下降，并且在石粉掺量为15%时其干缩率最小。另外，随着龄期的增加，各个石粉掺量下的人工砂混凝土的干缩均增大。李北星等[5]认为石粉的细度接近于水泥的细度，可起晶核作用，加速水泥水化产物氢氧化钙和C-S-H的形成，并与C3A反应生成水化碳铝酸钙晶体，增加水化产物数量，即作为胶凝材料的一部分而增加浆体数量，从而使收缩增大。

图4 石粉含量对人工砂混凝土干缩的影响

2.3 水灰比对人工砂混凝土干缩的影响

图5为不同水灰比河砂及人工砂混凝土的干缩与龄期的关系曲线。由图5可知：当水灰比一定时，河砂混凝土各个龄期的干缩均小于人工砂混凝土，与前面的结论一致。如水灰比为0.55时，掺6%石粉的人工砂混凝土90 d干缩率为237×10-6，掺12%石粉的人工砂混凝土90 d干缩率为260×10-6，而河砂混凝土90 d干缩为227×10-6，干缩率分别增大了4%与14.5%，说明在中低标号混凝土中，人工砂混凝土中的石粉掺量不宜过大。对比混凝土不同水灰比的干缩—龄期曲线发现，该配合比，混凝土的干缩随着水灰比的增大而下降。

图5 水灰比对混凝土干缩的影响

综上所述，人工砂混凝土的收缩性能差于河砂混凝土，会限制人工砂的应用，但可以考虑掺加膨胀剂来改善其体积变形特性，从而优化人工砂混凝土的收缩性能，拓宽人工砂的应用。

3 结语

本文对人工砂及河砂混凝土的干缩以及自收缩进行了研究，得到以下结论：

1) 人工砂混凝土的干缩早期发展快，后期变缓直至稳定；在一定的配合比下，人工砂混凝土的干缩率大于河砂混凝土。

2) 在该配合比下，人工砂混凝土的干缩随着石粉含量的增大先增大后减小，超过极限值以后干缩继续增大，但其干缩随着水灰比的增大而减小。

3) 人工砂混凝土的自收缩在早期表现膨胀变形，后期快速收缩直至稳定。

[1] 蔡基伟. 石粉对机制砂混凝土性能的影响及机理研究[D].武汉：武汉理工大学， 2006．

[2] 徐健， 蔡基伟， 王稷良，等. 人工砂与人工砂混凝土的研究现状[J]. 建材世界， 2004， 25(3):20-24．

[3] 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．

[4] 安明哲， 覃维祖， 朱金铨. 高强混凝土的自收缩试验研究[J]. 济南大学学报(自然科学版)， 1998(S1):141-145．

[5] 李北星， 周明凯， 蔡基伟，等. 机制砂中石粉对不同强度等级混凝土性能的影响研究[J]. 混凝土， 2008(7):51-54．

(本文责任编辑 王瑞兰)

Experimental Study on Volume Stability of Manufactured Sand Concrete

GUAN Binqiang1, XIE Liang2, ZHAN Zhenfeng2,LI Qiufeng1

(1. Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower, Guangzhou 510635,China; 2.School of Civil Engineering,Guangzhou University, Guangzhou 510006,China)

Manufactured sand concrete, prepared by the artificial sand with rough surface, sharp edges and corners, have better performance than natural sand concrete on compressive strength, frost resistance and impermeability resistance. In the case of shortage of natural sand resources, the use of artificial sand preparation of concrete has good engineering benefits. The experimental study on drying shrinkage and self-shrinkage of artificial sand concrete is carried out in this paper. The results show that the shrinkage of the manufactured sand concrete increases rapidly in the early stage and slows down in the later stage, which first increases and then decreases with the increase of the stone powder content，and decreases with the water-cement ratio increased The dry shrinkage of artificial sand concrete is bigger than the river sand concrete at all ages when the water-cement ratio is constant. The self-shrinkage of the artificial sand concrete expands and deforms at an early stage and then shrinks rapidly until it is stable.

manufactured sand ; drying shrinkage ; self-shrinkage

2016-12-05;

2016-12-09

关炳强(1988)，男，本科，助理工程师，从事水利工程检测及材料研究。

TU528

：A

：1008-0112(2016)012-0022-04