机制砂混凝土体积变形性能研究

康 晋 芳

(山西路桥第六工程有限公司,山西 晋中 030600)

机制砂多棱角，可以限制混凝土中骨料的移动和水泥石的变形。然而，与天然砂相比，机制砂内部含有较多的石粉，在混凝土拌制过程中会增加用水量和水泥等材料的消耗，从而造成机制砂混凝土与天然砂混凝土体积变形性能存在较大差异。在天然砂缺乏的地区，机制砂混凝土在公路桥梁施工中得到了广泛的应用。为了研究机制砂混凝土体积变形性能，对不同砂种类、石粉含量和掺合料的混凝土开展收缩性能和静压弹性模量试验，作为理论分析的依据。

1 国内外研究概况

国外很多学者研究成果表明，当机制砂石粉含量在0%～20%时，随着石粉含量的增加混凝土收缩量不断增加，且随着石粉含量的增加混凝土收缩变形速度越大，低强度混凝土变形较显著。我国很多学者研究成果表明，当机制砂混凝土中石粉含量在2%～6%时，混凝土收缩变形小，体积变形性能优于天然砂混凝土。通过混凝土收缩徐变模型修正分析，采用石灰岩机制砂可有效降低混凝土收缩徐变。还有学者研究表明，当0.16 mm小粒径颗粒含量超过12%时，混凝土干缩变形会显著提高。当机制砂混凝土中含量较高时，前7天干缩变形大，但后期变形与天然砂混凝土差异不大。另外，由于石粉可以减少混凝土应力集中，提高水化物的结晶度，可提高抵抗变形的能力，当石粉含量在7%时机制砂混凝土的徐变度和徐变系数均较小。在水泥用量和水胶比相同的情况下，机制砂混凝土在静压作用下抗变形能力更好，静压弹性模量大于天然砂混凝土。

2 机制砂混凝土收缩性能分析

2.1 砂种类影响分析

按设计配合比，制作天然砂混凝土试件(S1)、机制砂混凝土试件(J1)、石粉含量分别为0.5%，2.4%，6.6%机制砂混凝土试件(J2-1，J2-2，J2-3)，掺加粉煤灰与矿渣粉机制砂混凝土试件(J3)及其对比试验试件(J4)，试件尺寸100 mm×100 mm×515 mm。

混凝土收缩性能检测采用接触法，在养生期内测定试件在无约束状态下的收缩率。对不同龄期天然砂混凝土试件(S1)和机制砂混凝土试件(J1)混凝土收缩率进行检测，检测结果如表1所示。

分析试验结果可知，养生14 d内机制砂混凝土收缩变形较天然砂混凝土大，这是由于机制砂中的石粉分散到水泥中，提高水泥与水的接触面积，加快水化反应速度，增加了胶凝产物的量。由于养生初期水化反应速度快，混凝土收缩变形大。养生7 d以后，水化反应速度放缓，石粉填充到集料之间的空隙中，对混凝土变形起到了一定的抑制作用，因此养生14 d后机制砂混凝土干缩率较天然混凝土小。

表1 不同砂种类混凝土收缩率检测结果

2.2 石粉含量影响分析

分别选取石粉含量为0.5%，2.4%，6.6%机制砂制作混凝土试件，对不同龄期混凝土干缩率进行检测，检测结果如表2所示。

表2 不同石粉含量混凝土收缩率检测结果

分析表2数据，得出在混凝土养生早期(前7天)，随着石粉含量的增加混凝土收缩率不断增加。石粉含量2.4%与含量0.5%的混凝土相比，养生期3 d，7 d，14 d混凝土收缩率分别增加了9.91%，4.7%，1.0%。石粉含量6.6%与含量2.4%的混凝土相比，养生期3 d，7 d，14 d混凝土收缩率分别增加了23.3%，5.7%，5.4%。养生期14 d以后石粉含量为2.4%，6.6%的混凝土收缩率相对增长值出现了拐点，随着石粉含量的增加收缩率降低，收缩变形减少。

产生这种情况的原因是由于石粉的加入加速了水泥水化反应速度，早期胶凝产物产量高，混凝土养生早期收缩变形大。石粉含量越高，混凝土中钙钒石的含量越高，而钙钒石会产生膨胀变形，抑制混凝土收缩变形。另外，水泥水化后产生大量C-S-H凝胶，内部凝胶孔充满凝胶水。石粉加入后会增加C-S-H凝胶的产量，进而增加凝胶水的总量。由于混凝土内部水的总量是一定的，凝胶水量的增加就会降低晶间水量。研究表明，晶间水比凝胶水更不易蒸发，对混凝土收缩变形起到抑制作用，总体上说明石粉含量的增加在早期会增加收缩变形而后期会降低变形。

2.3 矿物掺合料影响分析

为了降低混凝土收缩变形，采用矿物掺合料比例为3∶2的矿渣粉与粉煤灰代替水泥，观测机制砂混凝土的收缩变形情况。本项目采用比例为3∶2的矿渣粉与粉煤灰代替30%的水泥，制作试件(J3)与普通机制砂混凝土(试件编号J4)进行对比，检测不同龄期混凝土收缩率，检测结果见表3。

表3 掺入矿物掺合料混凝土收缩率检测结果

分析表3数据，掺入矿物掺合料的混凝土明显下降，随着混凝土龄期的增加，混凝土收缩变形量不断下降，养生期180 d降低28.4%。试件J4的收缩率较高，这是由于机制砂混凝土中水泥用量较高，在水化反应过程中需要消耗大量自由水和凝胶水，导致混凝土收缩变形变大。当水泥石内部的相对湿度超过50%时，混凝土中的水分不容易失去。而掺入粉煤灰与矿渣粉后，会减缓混凝土中相对湿度的下降速度，并且粉煤灰可与水泥水化产物Ca(OH)2发生化学反应，生成C-S-H凝胶，而C-S-H凝胶产物的增加会减少凝胶水的散失，降低混凝土收缩变形。因此，在机制砂混凝土中掺入一定比例的粉煤灰和矿渣粉可改善混凝土收缩性能，减少收缩变形。

3 机制砂混凝土静压弹性模量分析

3.1 砂种类影响分析

为了研究砂种类和石粉含量对机制砂混凝土静压弹性的影响，制作试件(100 mm×100 mm×300 mm)开展静力受压弹性模量试验。在配合比相同的情况下，分别制作天然砂(M1)、机制砂(M2)混凝土试件，石粉含量分别为0.5%，2.4%，6.6%机制砂混凝土试件(M3-1，M3-2，M3-3)。分别检测不同砂种类、养生期为7 d，28 d，60 d，90 d和120 d的混凝土试件(M1，M2)静压弹性模量，检测结果见表4。

表4 不同砂种类混凝土静压弹性模量检测结果 GPa

分析表4检测数据，在配合比相同的情况下，试验结果表明机制砂混凝土各龄期静压弹性模量高于天然砂混凝土。分析检测数据，天然砂混凝土静压弹性模量为机制砂混凝土的90%左右。这是由于机制砂表面粗糙多棱角，可提高颗粒间的内摩擦力，在外力作用下不容易产生滑动变形。在相同试验荷载的作用下，机制砂混凝土可以得到较高的静压弹性模量。

3.2 石粉含量影响分析

对石粉含量分别为0.5%，2.4%，6.6%机制砂混凝土试件(M3-1，M3-2，M3-3)，在不同龄期分别开展静压弹性模量试验，检测结果如表5所示。

表5 不同石粉含量混凝土静压弹性模量检测结果 GPa

分析表5数据，随石粉含量增加，混凝土弹性模量下降。这是由于机制砂中的细粉含量较高，进而造成机制砂混凝土弹性模量下降。石粉在混凝土中起到填充作用，还可以增加浆体量，降低了混凝土中机制砂粗颗粒的含量。由于骨料含量减少，而浆体弹性模量仅为骨料的一半，造成混凝土弹性模量下降。

4 结语

与天然砂相比，机制砂具有多棱角、级配好、石粉含量高等特点，为检测机制砂混凝土的体积变形性能，制作试件检测收缩性能和静压弹性模量，分析试验结果得出以下结论：1)机制砂内部含有大量石粉，会加快水化反应，造成混凝土早期收缩变形大于天然砂混凝土，但后期由于石粉的填充作用收缩变形减少；2)研究表明，随着石粉含量的增加，混凝土养生早期(7 d)混凝土收缩变形增加，而养生后期混凝土收缩变形减少；3)掺入粉煤灰与矿渣粉可增加C-S-H凝胶产量，减少凝胶水的散失，降低混凝土收缩变形；4)静压弹性模量试验结果表明，机制砂混凝土静压弹性模量较高，但随石粉含量增加静压弹性模量下降。