不同人工砂与天然砂混合比对混凝土力学性能的影响

王洪涛 陈方斌 谈安建 邱 剑 郭子晗 郭勇军

（1.四川大学 水利水电学院， 四川 成都 610065；2.中国水利水电第七工程局有限公司， 四川 成都 610213）

0 引言

我国建筑中应用于结构的主要建筑材料是混凝土，而砂是混凝土主要的骨架。目前多数地区应用的是天然砂，其特点是短期内不可再生且总量逐年减少。因此，探寻不同岩性人工砂对水工混凝土的影响对资源规划和生态保护都有着重要的意义。

本文通过力学特性实验、XRD图谱分析和SEM电镜扫描的方法，比较基于白鹤滩水电站施工混凝土原料的不同人工砂含量混凝土在力学特性（抗压强度、抗拉强度）和电镜扫描实验中结果的差异，通过实验结果探究人工砂含量对混凝土强度的影响规律，总结出基于白鹤滩水电站施工混凝土原料的既能提高混凝土强度又在一定程度上保持其拌和流动性的最佳人工砂含量。

1 力学性能试验

1.1 试验材料

制备混凝土所用的材料及质量比见表1。

表1 试验制备混凝土配合比

本试验根据人工砂与天然砂的质量比分为5组，按照规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行制备。混凝土标准试件的尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体，每组制备6个，具体细节见表2。制备后，将混凝土试件放在温度为20±3℃及相对湿度90%以上的条件下养护28天。

表2 人工砂掺和比例方案

1.2 力学性能试验

1.2.1 抗压性能检测试验

混凝土立方体试件抗压强度fcu（以MPa表示）按下式计算：

式中：F-极限荷载(N)；A-受压面积(mm2)。

1.2.2 抗拉强度检测试验

根据弹性力学可计算出其劈裂抗拉强度为ft=2F/(πA)，根据大量试验数据统计结果表明，混凝土轴心抗拉强度和立方体抗压强度之间符合以下关系：

式中：fcc为混凝土立方体抗压强度。

1.2.3 力学试验结果

具体试验结果如表3和图1所示。

表3 抗压性能及劈裂试验结果

图1 混凝土力学性能与其人工砂含量关系图

3 微观结构与化学组成分析

3.1 人工砂

人工砂样品化学成分分析结果如表4所示：

表4 白鹤滩水电站人工砂样品的化学成分含量百分比

可知，白鹤滩水电站人工砂样品的主要成分是石英、钠长石、斜绿泥石和辉石。从成分组成来看，白鹤滩水电站人工砂样品是由玄武岩制备而成。

3.2 混凝土

3.2.1 混凝土试件化学成分分析

通过X射线衍射仪（XRD）对五组含有不同质量百分比人工砂的混凝土试样进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料构成物化学成分的分子式以及含量百分比如下图2。

图2 不同人工砂含量混凝土中主要化学成分占比

从混凝土试件的半定量化学组成来看，混凝土试件的成分十分复杂。其主要成分是石英、方解石和钠长石。混凝土微观结构的孔隙较大，其中存在大块的、片状的Ca(OH)2晶体。高岭石与水泥水化释放出的Ca(OH)2反应，生成的胶凝物质，与水泥水化生成的胶凝物质的化学组成，结构相似。凝胶产物充填于晶体骨架之间，使混凝土结构变得致密，有利于提高混凝土的力学性能。方解石是有利于混凝土的力学性能。钠长石和石英都是不利于混凝土的力学性能。相比纯天然砂组，天然砂与人工砂质量比为 3：1组的高岭石和方解石含量增加，石英和钠长石含量减少。但是，随着人工砂质量百分比的继续增加，石英和钠长石的含量开始增加，方解石的含量开始减少。然而，高岭石含量是随着人工砂质量百分比的增加而增加，除了纯人工砂组中不含高岭石。只有人工砂组含有辉石，辉石是玄武岩的主要成分。

3.2.2 混凝土试件微观结构分析

图3 SEM照片：（a）组1；（b）组2；（c）组3；（d）组4；（e）组5

对比图3五组混凝土试件样品的电镜扫描图以及对应的抗压性能和抗拉试验结果，基于微观表面形态分析了玄武岩对混凝土试件力学性能的影响。从1000倍放大镜头下微观结构的密实程度来看，纯人工砂混凝土>天然砂与人工砂质量比为3：1的混凝土>天然砂与人工砂质量比为1：3的混凝土>天然砂与人工砂质量比为3：1的混凝土>纯天然砂。从针状晶粒体的发育情况来看，当人工砂质量百分比大于25%时，针状晶粒体开始明显发育。同时，随着人工砂质量百分比增加，针状晶粒体越发育，但在 1000倍放大镜头并不明显。五组混凝土试件都观察到有大小不一的球状物体存在，但是只有纯人工砂组发育片状物质填充间隙。结构密实程度的观察结果与力学性能的测试结果基本一致：虽然天然砂与人工砂质量比为 1：1组结构最为松散，孔隙最多，但是人工砂质量比为 1：1组发育有针状晶粒体填充孔隙，提升了力学性能。除纯人工砂组，其余间隙都发育颗粒状物质。人工砂组孔隙发育片状物质，结构最为密实，对力学性能有明显地提升。

4 结论

基于白鹤滩水电站施工混凝土配合比，含纯人工砂混凝土标准试件的抗压强度均值与抗拉强度均值最大。而根据混凝土试件微观结构与化学成分分析，纯天然砂组的孔隙是由球状粉煤灰以及与周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应生成具有胶凝性质的产物填充；纯人工砂组的孔隙是由原有的辉石填充。人工砂组孔隙发育片状物质，结构最为密实，对力学性能有明显地提升。从力学性能测试的结果来看，纯人工砂组的抗压性能和抗拉性能最好。