机制砂对混凝土抗压强度和抗折强度相关性的影响

陈鹏飞

（绍兴市旭峰混凝土有限公司，浙江 绍兴 312011）

0 前言

混凝土作为基础工程建设最大宗的建筑材料，其技术发展要统筹环保政策、结构性能等各方面因素，天然砂短缺带来的机制砂混凝土应用技术方兴未艾，国内外学者对此进行了大量研究，兰聪、高瑞军等人研究了机制砂石粉对混凝土性能的影响[1,2]，孙胜伟、李风兰等[3,4]对机制砂应用于不同强度等级混凝土进行探索，目前机制砂混凝土的应用范围不断在扩展，已经在桥梁、水电站、航道等工程取得良好效果[5-7]。

相比天然砂，机制砂可加工性强，可根据需要生产相应细度和级配，与水泥浆体咬合力强，同条件下，机制砂混凝土强度甚至高于天然砂，但受开采条件和母岩所限，机制砂容易产生波动，机制砂 MB 值、细度、石粉含量等都会对混凝土性能产生影响。机制砂的应用需要考虑混凝土各项性能，其中力学性能是最为重要的指标之一，另一个重要的指标是混凝土结构的抗裂性能。

本文对机制砂应用于混凝土后的抗压强度和抗折强度进行研究，并对二者的相关性进行分析，以综合评价机制砂对混凝土的影响。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）水泥为海螺 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，水泥的性能指标分别见表 1。粉煤灰为Ⅱ级灰，需水比为99%，矿粉为 S95。

表 1 水泥的性能指标结果

表 2 机制砂筛分结果

（2）本试验采用河砂为中砂，细度模数 2.6，含泥量 1.0%；机制砂为母岩石灰岩破碎后筛分制得，细度模数 2.7，机制砂的筛分结果见表 2。

（3）外加剂采用浙江科之杰复合高效外加剂，含固为 12 %，掺量自定。

（4）细集料采用全机制砂，细度模数为 2.6，石粉含量 9.0%，MB 值为 1.5。粗集料为小石（5～10mm）和大石（10～20mm）搭配使用。

1.2 试验方法

（1）按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试混凝土工作性能和凝结时间。

（2）混凝土抗压强度试验按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行，成型 100mm×100mm×100mm 混凝土试件，进行标准养护，测定混凝土相应龄期的抗压强度和抗折强度。

（3）本文提及的 C20、C30、C40、C50、C60 混凝土基准组均采用河砂，采用机制砂等量替代进行试验。

2 试验结果及讨论

2.1 机制砂比例

通常将混凝土归类为脆性材料，即抗压强度高，抗折强度低，易产生脆性断裂，因此对机制砂加入后混凝土抗折和抗压强度进行研究。以 C30 混凝土为例，测试不同机制砂掺量对混凝土强度的影响，并分析了折压比，结果见表 3、图 1。

表 3 机制砂掺量对 C30 混凝土抗折和抗压强度相关性的影响

图 1 机制砂掺量对混凝土抗折和抗压强度的影响

图 1(a) 结果显示，相比纯天然砂混凝土，机制砂加入后混凝土抗折和抗压强度都有所增加，且随机制砂比例增加先增加后降低，当机制砂掺量在 60% 时混凝土7d 和 28d 抗折强度和抗压强度最高，此后机制砂掺量增加混凝土抗折和抗压强度均有所降低。这是因为机制砂粒型多棱角，与浆体的结合能力较强，同时适量的机制砂能够提高混凝土的和易性，机制砂石粉能够促进水泥水化[8]，生成较多的水化产物，使得硬化后的混凝土密实度提高，从而对混凝土强度发展有利。

图 1(b) 混凝土折压比结果显示，混凝土折压比随机制砂掺量呈现递增后降低趋势，当机砂比例 60% 时数值最高，表现出较强的抗裂能力，这说明适量的机制砂能够改善混凝土界面过渡区，提高混凝土抗裂性能。

2.2 混凝土强度等级

目前机制砂配制各种强度等级的混凝土技术已经成熟，且市场应用良好。固定机制砂取代河砂比例 60%，研究 C20～C60 混凝土抗折强度和抗压强度的相关性，结果见表 4、图 2。

表 4 不同强度等级机制砂混凝土抗折强度和抗压强度相关性

图 2 不同强度等级混凝土抗折和抗压强度的相关性

表 4 结果所示加入相同比例机制砂，不同强度等级混凝土抗折和抗压强度增长幅度不一，从 C20～C60，混凝土强度等级提高，7d 至 28d 混凝土强度增长率呈下降趋势，这是因为机制砂中的石粉附着在水泥颗粒表面，对水泥继续水化形成一定阻碍，在水胶比低的情况下，影响水泥和活性矿物掺合料的进一步水化。

图 2 结果表明，混凝土强度等级增加，混凝土折压比总体呈现下降趋势，且 28d 折压比相比 7d 高，说明机制砂混凝土随龄期发展，混凝土抗裂能力有所提高。

2.3 机制砂石粉含量

石粉含量是影响机制砂应用重要的指标，机制砂中适宜的石粉含量能够改善混凝土和易性，提高混凝土内部密实性，进而有利于混凝土强度发展。将原机制砂进行筛分获得 75μm 以下石粉，通过外掺获得不同石粉含量的机制砂。以 C30 和 C50 混凝土为例，固定机制砂掺比 60%，研究机制砂石粉含量对混凝土抗折强度和抗压强度相关性的影响。测试结果见表 5 和图 3。

表 5 和图 3(a)、图 3(b) 数据说明，对于 C30 混凝土，适量石粉能够改善混凝土和易性，混凝土抗折和抗压强度都有所增加，当石粉含量 12% 时，混凝土抗折和抗压强度最高，同时混凝土 7d 和 28d 折压比也最高。当石粉含量超过 12% 时，混凝土抗折强度和抗压强度都有所下降，且折压比也降低，说明过量石粉对混凝土抗裂性能不利。

对于 C50 混凝土，适量石粉同样能够提高混凝土强度，但幅度较小，C50 混凝土对应的机制砂石粉含量较低（9.0%），此时混凝土抗折和抗压强度最好，所对应的折压比也最高。混凝土强度等级高，水胶比低，机砂含粉不宜过高，不然会对混凝土流动性造成不良影响，进而影响混凝土强度。

表 5 石粉含量对机制砂混凝土抗折强度和抗压强度相关性的影响

图 3 石粉含量对机制砂混凝土抗折强度和抗压强度相关性的影响

3 结论

（1）相比天然砂，机制砂加入后混凝土抗折和抗压强度都有所增加，当机制砂掺量在 60% 时混凝土 7d和 28d 抗折强度和抗压强度最高，此时混凝土折压比也较高。

（2）同机制砂掺量下，不同强度等级混凝土抗折和抗压强度增长幅度有所差异，混凝土强度等级提高，7d 至 28d 混凝土强度增长率呈下降趋势，混凝土折压比总体呈现下降趋势。

（3）机制砂适量的石粉可以提高混凝土和易性，从而有利于混凝土强度提升，对应的混凝土折压比也较高，对混凝土抗裂有利。