不同骨料下水泥砂浆抗冻性能研究

孙洪超，臧建斌，常正强，赵琼琳

（山东省交通规划设计院有限公司，山东 济南 250031）

引言

随着钢筋混凝土的发展，细骨料（天然砂）不断的消耗，天然砂必然会出现越来越匮乏现象，进而影响公路及建筑行业的发展，所以使用机制砂替代天然砂必为趋势所向[1-3]。王稷良[4]研究机制砂特性对混凝土性能及机理的影响，表明机制砂多棱角特性，可以提高混凝土的强度与体积稳定性。王雨利[5]研究了机制砂及石粉对混凝土抗冻性能的影响，表明适量的石粉可提高混凝土的工作性能，并改善混凝土的抗冻性能。抗冻性能是砂浆的耐久性的重要指标之一，水泥砂浆构件在服役过程中，会受到荷载和所处环境的影响，其环境影响主要为干湿和冻融循环作用，砂浆在多种效应耦合作用下进行工作，其耐久性将出现不同程度的降低，从而影响构造的部分功能的使用性和安全性[6-7]。

1 试验

1.1 试验原材料

采用普通硅酸盐水泥（P·O 42.5）。骨料为河砂和机制砂，机制砂为石头粉碎后的细骨料，对骨料性能测试按照规范《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ 52-2006）要求，物理性能见表1。采用自来水。

表1 骨料物理性能

1.2 砂浆配合比

试验中，水胶比为0.6，水泥为385 g，水为231 g。河砂为1 502 g，机制砂为1 509 g。砂浆试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。

1.3 试验方法

试验前对两种骨料进行烘干处理，然后按照规范《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671-2010）对试件进行制作及养护。养护过程中，进行7 d、28 d强度试验，试验方法按照规范《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671-2010）进行试验。养护28 d后，对两种试件进行冻融试验，冻融循环试件放入水中进行冷冻12 h，温度控制在-20±2℃。然后取出试件放入20±2℃的恒温水箱中12 h，24 h为一循环。4次循环为1周期，每周期结束测试水泥砂浆的力学性能及耐久性能。试验测试的冻融循环次数为20次。

2 砂浆力学性能总结及分析

以河砂与机制砂分别为骨料的砂浆的力学性能见表2。

表2 水泥砂浆7 d、28 d强度

由表2可知，在7 d强度中，机制砂砂浆的抗折强度比河砂砂浆高0.8 MPa，抗压强度低3.2 MPa；在28 d强度中，机制砂砂浆的抗折强度比河砂砂浆高1.5 MPa，抗压强度低6 MPa。由此可知，在该配合比下，机制砂可以提高砂浆的抗折能力，但会降低混凝土的抗压能力。

3 砂浆抗冻性能对比

3.1 冻融下抗折性能

图1 冻融循环对砂浆抗折性能影响

在冻融情况下，对两种砂浆的抗折性能绘图处理，见图1。可知两种砂浆随着冻融次数的增加，抗折能力下降且幅度较大，两者下降趋势基本一致，呈一次函数状。在冻融过程中，机制砂破坏线性较好，河砂变化有一定的波动性。在冻融8次循环后，河砂砂浆的抗折强度为5.52 MPa，较初始强度降低了19.2%，机制砂砂浆的抗折强度为4.5 MPa，较初始强度降低了45.6%；在冻融16次循环后，河砂砂浆的抗折强度为2 MPa，较初始强度降低了70.7%，机制砂砂浆的抗折强度为2.6 MPa，较初始强度降低了68.5%。由此可知冻融对抗折性能影响较大。

3.2 冻融下抗压性能

在冻融情况下，对两种砂浆的抗压性能绘图处理，见图2。可知河砂砂浆与机制砂砂浆的抗压性能随冻融次数的增加而降低，两者的抗冻性能呈一次函数关系。在冻融8次循环后，河砂砂浆的抗压强度为42.5 MPa，较初始强度降低了6.5%，机制砂砂浆的抗压强度为36.7 MPa，较初始强度降低了12.3%；在冻融16次循环后，河砂砂浆的抗压强度为36.1 MPa，较初始强度降低了20.7%，机制砂砂浆的抗压强度为25.4 MPa，较初始强度降低了37.4%。冻融循环对抗压强度影响较大，但影响程度小于冻融对抗折强度的影响。

图2 冻融循环对砂浆抗压性能影响

3.3 冻融下砂浆质量损失

在冻融情况下，两种砂浆的质量损失见图3。可知在砂浆冻融12个循环中，机制砂与河砂做骨料的砂浆质量都有所增加，增加量基本一致，砂浆表面没有出现脱落现象。在前4次冻融循环中，由于水充分填充于砂浆内部孔隙，导致砂浆质量有所增加，当质量增加一定程度后，在4～8个循环中，砂浆处于饱和状态，质量较稳定。但过了12～20个冻融循环中，砂浆的质量损失大幅度的上升，表面出现脱落，裸露出骨料。在第20次循环冻融结束后检测质量时，机制砂和河砂端部脱落严重，结构程蓬松状态，破坏较严重。

3.4 冻融下砂浆相对动弹性模量

图3 冻融循环对砂浆质量损失影响

在冻融情况下，对两种砂浆的相对动弹性模量绘图处理，见图4。可知两者的冻融循环的线性较相似，在0～16个冻融循环中，相对动弹性模量下降较平缓，在16～20个冻融循环中，相对动弹性模量下降较迅速。16次冻融循环后，河砂和机制砂砂浆的相对动弹性模量的值分别为67.2%和65.2%。与质量损失相比较可知，质量损失在冻融12次循环后出现转折点后，相对动弹性模量在16次后出现转折点，由此可推断，质量损失过大后才会导致相对动弹性模量出现较大的转折。

图4 冻融循环对砂浆相对动弹性模量影响

4 结语

研究结果表明机制砂可以提高砂浆的抗折能力，但会降低混凝土的抗压能力，在冻融循环中机制砂砂浆与河砂砂浆表现出相似抗冻性能。由力学性能和耐久性能两方面对机制砂砂浆与河砂砂浆进行性能比较可以看出，由两者试验结果可知机制砂替代河砂的可取性较好。另外在砂浆冻融循环中发现，砂浆质量损失过大后才会导致相对动弹性模量出现较大的转折。