机制砂混凝土早期开裂及抗渗透性影响因素分析

摘要 机制砂混凝土施工中，砂类、石粉含量、矿物掺配料占比等直接影响其早期开裂性能、抗水渗透性能。文章针对机制砂混凝土早期开裂及抗渗透性影响进行研究，基于对砂类、石粉含量、矿物掺配量三大变量的试验进行分析，提出其变化对机制砂混凝土早期开裂性能及抗渗透性带来的影响。试验研究表明：天然砂混凝土的抗水渗透性能，优于机制砂混凝土;石粉含量与混凝土抗早期开裂性能无直接关系，与混凝土抗水渗透性能成正比;粉煤灰矿物掺合料占比与混凝土抗早期开裂性能成反比，与混凝土抗水渗透性能成正比。

关键词 机制砂种类;早期开裂;抗水渗透

中图分类号 U414 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）12-0132-03

收稿日期：2022-03-18

作者简介：张克永（1976—），男，本科，高级工程师，从事公路桥梁施工工作。

0 引言

随着城市化建设进程的加快，基础建筑建设中，砂子作为混凝土的主要原材料，用量也随之快速增长。考虑到天然砂的不可再生性，为降低城市建设需求对资源的依赖及环境的影响，混凝土中配置机制砂的生产方式得到了广泛推广使用[1]。该文以某机制砂混凝土为例，基于其原材料构成，对砂类、石粉含量、矿物掺和量三个参数的变化所引起的机制砂混凝土早期抗裂性及抗渗透性能的变化进行了重點分析，以供机制砂混凝土的研究参考与借鉴。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

机制砂又称人工砂，主要由矿物掺合料、石粉等材料构成，分为原状机制砂、石灰岩机制砂、水洗机制砂等几种类型，是一种广泛应用于基础建筑施工的新型混凝土原材料，可以有效改善混凝土的工作性能，机制砂混凝土主要原材料如下：

（1）水泥。水泥是混凝土的主要原材料之一，其型号、配比的选用对于保证混凝土强度达标具有重要意义。该试验统一选用P·O42.5级普通硅酸盐水泥，其稳定性、抗裂性均达到标准;

（2）矿物掺合料。矿物掺合料的引入对机制砂混凝土性能有很大影响，既可以节约水泥用量、降低水泥水化热，又可以优化混凝土结构性能和工作性能，从而提升混凝土的稳定性[2]。其掺量应视工程性质、环境因素、现场条件等因素而选择。该文机制砂混凝土选用粉煤灰作为矿物掺合料，其性能指标可匹配要求参数。

（3）粗集料。粗集料粒径对于平衡机制砂混凝土的流动性、保水性和粘聚性具有重要意义，应遵循优先选择粒径均匀、最大粒径较小的原则。查阅相关文献可知，国内工程粗集料最大粒径控制在20 mm以内，该文机制砂混凝土选用5～16 mm及16～25 mm连续级配碎石，其物料性能、级配碎石筛分结果均可匹配规范要求。

（4）细集料。细集料的选用对于促进水泥水化、提升水泥微观结构密实性至关重要。该试验细集料选用天然砂、原状机制砂、石灰岩机制砂和水洗机制砂4种，结合相关文献及筛分实验结果可知其各项指标均满足建筑规范中级配曲线分区等规定要求[3]。

（5）外加剂、水，全部用水选用自来水。

（6）基准配合比。混凝土基准配合比的设计要结合砂类等原材料的性能特点，例如在选择机制砂时要重点关注其针片状颗粒混杂、石粉含量较高的特性。该试验水、水泥、砂、石、外加剂的比例按照150∶428∶692∶1 130∶4.28执行。

1.2 试验方案

该试验设计主要为研究砂类、石粉含量、矿物掺合料三大变量所引起的混凝土耐久性能变化，其中三大变量的砂类主要分为天然砂、原状机制砂、石灰岩机制砂、水洗机制砂4种，其石粉含量分别为：0.5%、3.5%和7.5%;矿物掺和料含量为：0%、6%，其他材料种类和含量保持不变。试验组设计如表1所示。

2 机制砂混凝土早期开裂影响因素试验研究

混凝土结构性能受外界环境因素影响较大，特别是在炎热或多风等干燥天气时，混凝土结构表面水分的蒸发流失与内部补给失衡，混凝土未凝结硬化前，其表面所承受较大的收缩应力大于抗拉强度，内外应力的差异形成收缩裂缝，降低了混凝土结构性能，导致早期开裂。机制砂混凝土试件尺寸及环境标准设置具体如下：

（1）尺寸。试件尺寸设置为800 mm×600 mm×100 mm。

（2）环境标准。温度控制在（20±2）℃，相对湿度保持在（60±5）%，控制风速保持在（5±0.5）m/s。

（3）监测仪器选用MG10085-1A100X显微镜。

混凝土早期抗裂性能的等级划分见表2。

2.1 砂种类对机制砂混凝土早期开裂的影响

保证配合比一致的情况下，研究X1（天然砂）、X2-1（原状机制砂）、X2-2（石灰岩机制砂）和X2-3（水洗机制砂）4种砂类混凝土的开裂变化，分析表3、图1可以得出以下结论：

（1）总开裂面积：机制砂混凝土小于天然砂混凝土。

（2）弹性模量：天然砂小于石灰岩。

（3）砂类、弹性模量是影响机制砂混凝土早期开裂的主要因素，由机制砂或弹性模量较大集料构成的混凝土具有较好的抗裂性能[4]。

2.2 石粉含量对机制砂混凝土早期开裂的影响

分析X2-1（含量为0.5%）、X4-1（含量为3.5%）、X4-2（含量为7.5）三种不同石粉含量的原状机制砂混凝土早期开裂情况，试验结果见图2。

观察图2 中各试验组对应的开裂面积数值及随着石粉含量增加所引起的开裂面积变化趋势可以看出，X4-1（含量为3.5%）具有最高的早期抗裂性能，石粉含量与混凝土的早期抗开裂性能并无绝对的正比关系。

2.3 矿物掺合料对机制砂混凝土早期开裂的影响

分析X-1、X3-1两种不同矿物掺合料配比的天然砂混凝土早期开裂情况，试验结果见表4。

对比表4数据可以看出，掺配量比值较高的X3-1出现的早期开裂病害情况较少，因此可知矿物掺和料占比与混凝土的抗早期开裂性能成反比关系，掺合料占比越大，混凝土的抗早期开裂性能越好。

3 机制砂混凝土抗水渗透性影响因素试验研究

混凝土水化硬结过程中容易形成大小孔径不一的孔隙，水分在孔隙间流动所形成的水压力及液体表面压力都会引起混凝土结构的耐久性变化[5]。根据混凝土耐久性能试验等相关文献，该试验通过逐级加压法测试机制砂、天然砂两种砂质的抗水渗透性能。试验标准如下：

（1）监测仪器选用HP-4.0型混凝土抗渗仪。

（2）混凝土试件抗渗等级的计算公式为：P=lOH-1 （1）

式中，H——50%的试件出现渗水时的水压力（MPa）;P——混凝土的抗渗等级。

获得的抗水渗透结果见表5。

观察表5数据可知，各试验组混凝土的抗渗等级均≥P15级。

3.1 砂种类对机制砂混凝土抗水渗透能力的影响

基于同等配合比时可知，X1（天然砂混凝土）的抗水渗透性最佳，渗水压力临界值为2.1 MPa;X2-3（水洗机制砂混凝土）的抗水渗透性最差，渗水压力临界值仅为1.6 MPa，其主要原因为机制砂在水洗工序时细料流失，掺入混凝土后形成较多孔隙，水在孔隙间的流动会降低混凝土的稳定性，故其抗渗透性能劣于天然砂混凝土[6]。

3.2 石粉含量变化对机制砂混凝土抗水渗透能力的影响

根据表5数据可知，抗渗级别最高的是X4-2混凝土，最差的是X4-3混凝土，同时从表中数据可以看出，同类机制砂混凝土的石粉含量与抗渗透性能成正比关系，石粉含量越大对应的混凝土抗渗透等级越高，主要原因为机制砂经水洗工序后粒径0.6 mm以下的颗粒流失，所构成的混凝土孔隙率较大，石粉的添加可以填实水洗工序造成的孔隙，混凝土密实度得以提升，水在空隙间的流动性减弱，进而提升混凝土的抗水渗透性。

3.3 机制砂混凝土抗水渗透能力受矿物掺合料影响

对比表5中X3-1与X1的抗渗级别可知，提高矿物掺合料占比可以優化混凝土的抗水渗透性，主要原因为在水泥水化过程中矿物掺合料会发生一系列的物理、化学反应，从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其他物料，制成有一定机械强度的复合固体的物质，能填充混凝土内部的孔隙和提升混凝土的密实性及优化混凝土的抗水渗透性。

4 结论

综上所述，机制砂混凝土改变砂类、石粉含量、矿物掺配料占比等，分析其早期开裂及抗渗透性，试验研究结论如下：

（1）机制砂混凝土弹性模量与混凝土抗裂性成正比，弹性模量越大，混凝土抗裂性越好。

（2）天然砂混凝土的抗水渗透性能，优于机制砂混凝土。

（3）石粉含量与混凝土抗早期开裂性能无直接关系，而石粉含量与混凝土抗水渗透性能成正比，石粉含量越大，混凝土抗水渗透性越佳。

（4）粉煤灰矿物掺合料占比与混凝土抗早期开裂性能成反比，矿物掺合料越大，混凝土的早期抗裂性能越差。

（5）粉煤灰矿物掺合料占比与混凝土抗水渗透性成正比，矿物掺合料越大，混凝土的抗水渗透性能越佳。

总之，机制砂作为一种新型的建筑材料，其在混凝土中的应用对于缓和建设需求与资源、环境的矛盾具有重要意义，只有加以科学合理地控制运用，才能充分发挥机制砂的综合效益。

参考文献

[1]余胜伟. 机制砂混凝土早期开裂及抗水渗透性能影响因素研究[J]. 湖南交通科技， 2021（2）： 102-104+113.

[2]孟召辉. 机械制造砂石混凝土早期开裂与抗水渗透性影响分析[J]. 黑龙江水利科技， 2022（2）： 14-16+20.

[3]高育欣， 刘明， 曾超， 等. 机制砂表面改性技术研究与应用[J]. 材料导报， 2021（22）： 22072-22078+22084.

[4]宋小软， 段中剑， 张亚涛， 等.  机制砂自密实大体积混凝土桥台早期温度场分析[C]//. 2021年工业建筑学术交流会论文集（中册）. [知网会议论文集]， 2021： 376-381.

[5]李福献.  基于GRA-熵权法的C60高性能机制砂混凝土配合比优化研究[C]//. 2019年全国土木工程施工技术交流会暨《施工技术》2019年理事会年会论文集（上册）. [知网会议论文集]， 2019： 237-242.

[6]焦晓东， 熊剑平， 张仰鹏， 等. 外掺石粉对机制砂砂浆性能的影响研究[C]//. 第八届全国砂石骨料行业科技大会论文集. [知网会议论文集]， 2021： 117-121.

[7]于显浩，张显羽，游秋森，等.混凝土骨料粒形表征与评价研究进展[C]//.第八届全国砂石骨料行业科技大会论文集.[知网会议论文集]，2021：33-38.