不同细骨料对混凝土强度及抗裂性能的影响试验研究

吕 寅，徐 敏，周 炜

(武汉路通市政工程质量检测中心，武汉 430010)

目前政府部门对河道周边的水土保护日益重视，天然河砂的开采与使用受到诸多限制。机制砂作为碎石骨料开采的副产物，正在逐步取代天然河砂大量应用到混凝土的生产中。然而在机制砂作为混凝土细骨料的使用过程中，存在混凝土工作性能损失大、外加剂掺量高，且构造物表面易引发开裂的问题，引起了大家的广泛重视[1,2]。由于机制砂自身颗粒形貌和生产制备工艺的影响，使得机制砂混凝土配合比不同于普通混凝土配合比，需针对性解决上述工作性能和耐久性能不良的问题。试验就混凝土中细骨料分别采用河砂、“河砂+机制砂”及“江砂+机制砂”等三种不同细骨料情况对混凝土各项强度性能及抗裂性能展开对比验证，探讨不同的细骨料使用方案对混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的影响，同时就机制砂应用于混凝土中的配合比优化措施给予建议[3]。

1 试验原材料及方法

1.1 试验原材料

1)水泥：尖峰PO 42.5水泥，比表面积363 m2/kg，28 d抗压强度52.3 MPa；

2)矿粉：新冶钢S95级，流动度比103%，7 d活性81%，28 d活性100%；

3)粉煤灰：青山Ⅱ级粉煤灰，细度18.1%，需水量比102%，7 d活性67%，28 d活性68%；

4) 机制砂：细度模数为3.4，MB值1.25；

5) 天然砂：江砂—细度模数1.2，河砂—细度模数2.4；

6) 碎石：5～25 mm连续级配；

7)外加剂：联化聚羧酸减水剂，含固量19%，减水率28%。

1.2 试验方法

1)混凝土的制备、坍落度与扩展度测定方法，均按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080—2016)进行。成型试块在标准养护后，分别测定其3 d、7 d、28 d抗压强度。

2)混凝土抗裂性能试验，采用《混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082—2009)中的“早期抗裂试验”方法。

2 不同细骨料对混凝土工作性能及力学性能的影响

试验采取了不同的细骨料掺配方式和不同的机制砂掺入比例，研究其机制砂掺量对于混凝土坍落度和抗压强度的影响，见表1。其中配合比A1采用“河砂+机制砂”，机制砂掺量为64%；配合比A2和A3均采用“江砂+机制砂”，砂率与A1保持一致，机制砂掺量分别为76%和71%；配合比A4采用“江砂+机制砂”，其砂率由47%调整至49%，机制砂掺量与A3保持一致。

表1 试验配合比及工作性能

配合比A1与A2，通过在砂率一致的情况下，探讨分别采用河砂和江砂对于混凝土的性能影响；对比配合比A2与A3，通过提高江砂的比例，探讨江砂掺量提高，改善细集料颗粒级配后对于混凝土工作性能与力学性能的影响；对比A3与A4配合比，探讨相同的江砂掺配比例下，调整砂率对于混凝土的工作性能的改善。

对配合比A1，由于细集料合成后的细度模数较大，制备的混凝土工作性能极差，基本无流动性，无法满足施工要求，必须对混凝土配合比进行调整[4]。

对于配合比A2、A3，在砂率相同的情况下，随着机制砂掺入比例的降低(由76%减少至71%)，即使大幅提升外加剂掺量，混凝土工作性仍然较差，同时还导致混凝土生产成本上升。根据混凝土出机状态可知，由于粗、细骨料之间的级配情况不良，混凝土整体骨料中的细颗粒较少，并无法有效填充粗集料间的间隙，导致粗集料松散，包裹性能不良，需要对混凝土的砂率进行调整。

试验结果表明，配合比A3与A4在机制砂掺入比例相同的情况下(掺入比例为71%)，随着砂率的提高(由47%提升至49%)，工作性能得到显著改善。当砂率为47%时，无论采用河砂或是江砂与机制砂掺配后所制备的混凝土，其工作性能均较差无法满足泵送施工要求。当砂率提升至49%时(见图1)，浆体包裹状态良好，工作状态亦最佳，其2 h后塌落度为175 cm，扩展度为370 cm，由此得出机制砂制备混凝土的保塌能力较普通混凝土而言，虽1 h坍落度略有下降，但仍能满足泵送施工要求[5]。

就混凝土力学性能试验结果可知(见表2)，采用“河砂+机制砂”配合比A1的强度最好，随着混凝土砂率和江砂掺量的提高，强度有逐渐降低的趋势，故为保证混凝土工作性能和力学性能，应当严格控制砂率和江砂的掺入量。由此，当采用“江砂+机制砂”掺配方案下，需一定程度下提高胶凝材料用量，以保障混凝土强度要求。

表2 混凝土强度试验结果

3 不同细骨料对于混凝土抗裂性能的影响

试件早期的开裂敏感性评价准则如下：1)仅有非常细的裂纹；2)裂缝平均开裂面积<10 mm2；3)单位面积开裂裂缝数目<10根/m2；4)单位面积上的总裂开面积<100 mm2/m2。按照上述四个准则，将开裂敏感性划分为五个等级：

Ⅰ级—全部满足上述四个条件；

Ⅱ级—满足上述四个条件中的3个；

Ⅲ级—满足上述四个条件中的2个；

Ⅳ级—满足上述四个条件中的1个；

Ⅴ级—一个也不满足。

为探明不同细骨料使用方案对于混凝土抗裂性能的影响设计了实验方案，见表3。

表3 试验配合比及工作性能

1)通过B1和B2这两组均采用河砂的普通混凝土的配合比，比较在胶凝材料及水灰比相同的情况下，砂率对于混凝土抗裂性能的影响；

2)通过B2和B3此两组配合，比较在砂率相同的情况下，采用“河砂+机制砂”混凝土方案与采用纯河砂普通混凝土抗裂性能的差异；

3)通过B2和B4此两组配合，比较在砂率相同的情况下，采用“江砂+机制砂”混凝土方案与采用纯河砂普通混凝土抗裂性能的差别；

4)通过B3和B4这两组机制砂混凝土的配合比，比较“河砂+机制砂”与“江砂+机制砂”此两组细集料组合方案对混凝土抗裂性能的影响。

由表4可知，1)根据配合比B1和B2对比结果，对于普通混凝土而言，随着混凝土砂率从43%提高至49%，混凝土的抗裂性能得到较大的改善，采用配合比B2的试验中试样表面未见裂缝产生，抗裂等级为Ⅰ级；2)根据配合比B2、B3与B4对比结果可知，在砂率相同的情况下，普通混凝土的抗裂性能均优于机制砂混凝土，产生此结果的原因除了机制砂本身的粒形原因外，由于此机制砂本身的含泥量较高，泥浆上浮后易在混凝土上表面形成一种膜结构，阻碍了混凝土内部水分向表面的扩散，表层混凝土的水分蒸发无法得到及时补充，易引发开裂[6]；3)根据B3和B4对比结果可知，“河砂+机制砂”与“江砂+机制砂”方案下混凝土的抗裂性能评定等级均为Ⅲ级，同时两者的单位面积的总开裂面积相当，而两者的差别在于“河砂+机制砂”方案下，混凝土表面裂缝较宽(最大裂缝宽度0.4 mm)、长度较短，而“江砂+机制砂”方案下，混凝土表面裂缝较窄(最大裂缝宽度0.2 mm)、长度较长[7]。

表4 混凝土抗裂性能

4 结 论

a.当采用“江砂+机制砂”掺配方案时，江砂中的细颗粒分布对机制砂级配状况起到了较大的改善作用，在江砂较小的掺量情况下，机制砂混凝土的工作状态产生了较大的改善，实现了机制砂混凝土的良好工作性能，但混凝土强度的下降趋势也较为明显。为兼顾混凝土工作性能和力学性能，建议江砂的掺量不宜大于30%，砂率宜控制在48%～50%之间。

b.当采用“河砂+机制砂”掺配方案时，由于河砂的细度模数较大，无法对机制砂的级配状况做出明显改善，虽然对于混凝土强度无明显影响，但工作状态不满足施工要求。

c.混凝土随着砂率的提高，抗裂性能得到较大的改善，而在砂率相同的情况下，普通混凝土的抗裂性能均优于机制砂混凝土。“河砂+机制砂”与“江砂+机制砂”方案下混凝土的抗裂性能评定等级一致，两者的抗裂性能均为Ⅲ级，有较高的开裂风险，故对于机制砂混凝土，建议其在施工过程中加强混凝土的养护。