矿物掺合料对机制砂混凝土力学性能影响分析

2022-06-11赵鑫

山西交通科技 2022年2期

赵鑫

（山西省交通建设工程质量检测中心，山西太原 030032）

0 引言

近年来，基础设施的建设消耗了大量的水泥混凝土，而砂在混凝土中约占30%～40%，每年消耗量巨大[1]。随着环境保护呼声的不断提高，天然砂日益短缺，部分地区甚至出现天然砂枯竭的现象。虽然机制砂中含有一定量的石粉，但相同条件下机制砂混凝土强度高于天然砂混凝土，因此可采用机制砂代替天然砂[2]。很多学者对机制砂中石粉的活性进行了研究，得出石粉在水泥水化过程中也表现出一定的活性，但应准确控制石粉掺量。按照一定比例掺配粉煤灰和矿渣粉作为矿物掺合料也会改善机制砂混凝土的力学性能[3]。为了研究矿物掺合料对机制砂混凝土力学性能的影响，通过试验确定两组天然砂混凝土配合比和3组机制砂混凝土配合比。通过比较不同水胶比、粉渣比的混凝土力学性能试验结果，分析确定矿物掺合料对机制砂混凝土力学性能的影响规律。

1 试验方案

通过对比分析的方式，按照试验确定的配合比分别制作天然砂和机制砂混凝土，根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2002）中的试验方法制作试件，分别开展立方体抗压强度试验、轴心抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验[4]。为了研究矿物掺合料对机制砂混凝土力学性能的影响，通过试验确定3种机制砂混凝土配合比和两种天然砂混凝土配合比，分别制作试验试件。每组试件15个，分别在龄期为3 d、7 d、28 d、60 d、90 d、120 d、180 d、365 d开展试验，分析混凝土力学性能试验数据，确定不同矿物掺合料掺配量的机制砂混凝土力学性能。

2 原材料与配合比设计

2.1 原材料选配

该试验所选混凝土为高性能混凝土，混凝土标号为C55。水泥选用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，粗集料选用连续级配的玄武岩，细集料选用石灰岩机制砂，各类原材料技术指标如表1～表4所示。

表1 水泥技术指标

表2 粗集料技术指标

表3 机制砂技术指标

矿物掺合料选用粉煤灰与矿渣粉，其中粉煤灰选用Ⅱ级煤灰，细度为18.1%，烧失量为2.05%，SO3含量为0.76%，含水量0.2%，28 d活性指数为99%；矿渣粉选用595级矿渣粉，烧失量为0.19%，SO3含量为1.57%，流动度比为99%，比表面积为4 520 cm2/g，7 d活性指数为81%，28 d活性指数为72.6%；减水剂选用聚羧酸高效减水剂；试验用水为人畜饮用水。

2.2 配合比设计

按照《普通混凝土配合比设计规程》（JTG 55—2011）中的相关规定，对机制砂混凝土配合比进行设计。为了准确确定矿物掺合料对机制砂混凝土力学性能的影响，分别选择3个不同的配合比制作试件，配合比编号分别为JZ1、JZ2、JZ3，其中JZ1没有掺加矿物掺合料。同时，分别选取两组天然砂混凝土配合比制作试件，与机制砂混凝土试验结果进行对比分析，配合比编号分别为TR1、TR2，试验用混凝土配合比如表5。

表5 试验用混凝土配合比

3 矿物掺合料对机制砂混凝土力学性能影响分析

3.1 混凝土立方体抗压强度试验结果分析

按照机制砂混凝土和天然砂混凝土配合比制作试件，分别在不同龄期开展立方体抗压强度试验，收集试验结果绘制不同掺配量矿物掺合料混凝土立方体抗压强度变化曲线如图1所示。

图1 不同掺配量矿物掺合料混凝土立方体抗压强度试验结果

分析图1所示曲线变化趋势，没有掺加矿物掺合料的JZ1早期立方体抗压强度较高，而随着龄期的增长，与掺加矿物掺合料的混凝土之间强度的差异逐渐缩小。龄期达到120 d以后，掺加矿物掺合料的机制砂混凝土立方体抗压强度逐渐超过JZ1，但天然砂混凝土立方体抗压强度仍然低于JZ1，而JZ3机制砂混凝土365 d强度高于JZ2机制砂混凝土，分析原因是由于粉煤灰和矿渣粉的前期水化速度小于水泥水化速度，因此虽然二者双掺会产生超叠加效应，但早期混凝土强度增长速度较慢，而后期由于粉煤灰的火山灰反应会增加胶凝产物，消耗了混凝土中Ca(OH)2，填充了孔隙，使混凝土强度不断提高。与天然砂混凝土相比，机制砂混凝土中含有一定量的石粉，而试验结果表明机制砂混凝土立方体抗压强度均高于天然砂混凝土，说明适量的石粉含量不会影响矿物掺合料发挥作用。

3.2 混凝土劈裂抗拉强度试验结果分析

同样按照机制砂混凝土和天然砂混凝土配合比制作的试件，分别在不同龄期开展劈裂抗拉强度试验，收集试验结果绘制不同掺配量矿物掺合料混凝土脆性指数和劈裂抗拉强度变化曲线如图2和图3所示。

图2 不同掺配量矿物掺合料混凝土脆性指数试验结果

图3 不同掺配量矿物掺合料混凝土劈裂抗拉强度试验结果

分析图2所示曲线变化趋势，掺加矿物掺合料可以降低机制砂混凝土的前期脆性，但中后期变化不大，说明矿物掺合料对混凝土脆性改善效果不明显。

分析图3曲线变化趋势，JZ2机制砂混凝土的水胶比为0.31、粉渣比为0.7，前期劈裂抗拉强度明显低于JZ1，随着龄期的增加强度差异逐渐缩小，365 d后超过了JZ1。而JZ3机制砂混凝土的前期劈裂抗拉强度较小，当龄期超过90 d后劈裂抗拉强度超过了JZ2，龄期180 d后超过了JZ1，与立方体抗压强度的发展规律类似，随着龄期的增长，混凝土劈裂抗拉强度逐渐增加。分析原因也是由于粉煤灰的火山灰作用，消耗了混凝土内部的Ca(OH)2，填充了孔隙，使混凝土的劈裂抗拉强度不断增加。同样，养护龄期内天然砂混凝土TR1和TR2的劈裂抗拉强度均明显小于机制砂混凝土。

3.3 混凝土轴心抗压强度试验结果分析

分别选取3组机制砂混凝土配合比制作的试件，在各龄期开展轴心抗压强度试验，不同掺配量矿物掺合料混凝土轴心抗压强度变化曲线如图4所示。

图4 不同掺配量矿物掺合料混凝土轴心抗压强度试验结果

分析图4曲线变化趋势，未掺矿物掺合料的JZ1机制砂混凝土的前90 d轴心抗压强度高于掺加矿物掺合料的JZ2和JZ3，而120 d后JZ2机制砂混凝土轴心抗压强度超过了JZ1，而JZ3机制砂混凝土120 d的轴心抗压强度接近JZ1，并呈现不断增加的趋势。掺加矿物掺合料的机制砂混凝土轴心抗压强度也呈现前期增长速度慢，中后期保持增长，而后逐渐超过未掺加矿物掺合料的机制砂混凝土的规律。