摘要：針對(duì)安徽省建筑用砂的特點(diǎn)，采用細(xì)河砂與機(jī)制砂混摻，配制C30高性能混凝土，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化混凝土配合比。試驗(yàn)結(jié)果表明，用60％的機(jī)制砂與40％的天然細(xì)砂作為細(xì)骨料，能夠滿足高性能混凝土的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，與天然中砂相比。其力學(xué)性能和耐久性能更為理想。
摘要：針對(duì)安徽省建筑用砂的特點(diǎn)，采用細(xì)河砂與機(jī)制砂混摻，配制C30高性能混凝土，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化混凝土配合比。試驗(yàn)結(jié)果表明，用60％的機(jī)制砂與40％的天然細(xì)砂作為細(xì)骨料，能夠滿足高性能混凝土的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，與天然中砂相比。其力學(xué)性能和耐久性能更為理想。
關(guān)鍵詞：機(jī)制砂；高性能混凝土；正交試驗(yàn)；力學(xué)性能；耐久性
0 前言
長(zhǎng)江和淮河兩大河流橫貫安徽省內(nèi)，過(guò)去建筑用砂主要來(lái)自這兩大河流。隨著開采量的增大，河砂質(zhì)量日益下降，基本以細(xì)砂為主，但高性能混凝土對(duì)建筑用砂提出了越來(lái)越高的要求，細(xì)砂已不能滿足工程需求，且隨著環(huán)保力度的加大，禁采范圍越來(lái)越廣?；炷灵L(zhǎng)期以河砂為細(xì)骨料的安徽省不得不探求砂資源的可持續(xù)發(fā)展，機(jī)制砂引起了越來(lái)越廣泛的關(guān)注和研究。就全國(guó)范圍來(lái)看，使用機(jī)制砂替代河砂已成為混凝土行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種趨勢(shì)[1-3]。
機(jī)制砂是由機(jī)械破碎、篩分制成的粒徑小于4.75mm的巖石顆粒，但不包括軟質(zhì)巖、風(fēng)化巖石的顆粒，由機(jī)制砂和天然砂混合制成的砂為混合砂[4]。安徽省境內(nèi)用來(lái)生產(chǎn)機(jī)制砂的巖石分布比較廣泛，儲(chǔ)量豐富，可緩解河砂緊張狀況[5]；且機(jī)制砂可以就近開采就地使用，節(jié)省運(yùn)費(fèi)，為砂資源的可持續(xù)發(fā)展提供一條道路。
本文對(duì)省內(nèi)主要機(jī)制砂產(chǎn)區(qū)進(jìn)行了考察，不同產(chǎn)地機(jī)制砂性能指標(biāo)見表1。
從表1可以看出，省內(nèi)機(jī)制砂以中粗砂為主，這與其它省份機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)一致[6]。結(jié)合省內(nèi)建筑用砂以細(xì)砂為主的實(shí)際情況，本文采用細(xì)砂和機(jī)制砂混摻制得中砂，以滿足高性能混凝土建筑用砂的需求，提高混凝土性能。
1 原材料
水泥：P.O42.5級(jí)硅酸鹽水泥。
細(xì)骨料：六安產(chǎn)細(xì)河砂，細(xì)度模數(shù)1.8，屬III區(qū)，顆粒級(jí)配見表2；六安產(chǎn)中砂，細(xì)度模數(shù)2.8，屬II區(qū)，顆粒級(jí)配見表3；機(jī)制砂為廬江產(chǎn)，細(xì)度模數(shù)3.5，屬I區(qū)，顆粒級(jí)配見表4，其中石粉含量為10％。
粗骨料：巢湖散兵碎石，連續(xù)粒級(jí)5-25mm。
粉煤灰：淮南I級(jí)粉煤灰。
外加劑：合肥產(chǎn)中效減水劑，摻量為膠凝材料的2.3％，減水率為13.8％。
以上原材料經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，其性能指標(biāo)均符合相應(yīng)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求。
2 試驗(yàn)方法
混凝土力學(xué)性能按GBT 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，混凝土耐久性能按GBT 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，其中抗氯離子滲透試驗(yàn)采用RCM法進(jìn)行，干縮試驗(yàn)采用弓形螺旋測(cè)微計(jì)測(cè)量。
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 C30高性能混凝土配合比的優(yōu)選
本試驗(yàn)混凝土配合比的計(jì)算采用重量法，C30初步配合比如表5所示。
以C30高性能混凝土為研究對(duì)象，采用正交試驗(yàn)優(yōu)化混凝土配合比，考察影響混凝土性能的關(guān)鍵因素，如表6所示。
由表6正交試驗(yàn)L9（34）可知，C30混合砂泵送混凝土理論最優(yōu)配比的主次順序?yàn)椋禾涠取鶦1B2A1D1；7d抗壓強(qiáng)度→A2C2B2D2；28d抗壓強(qiáng)度→A1C2B2D1。對(duì)混凝土和易性和7d、28d抗壓強(qiáng)度而言，C2B2即砂率41％和外加劑摻量2.3％是該試驗(yàn)的最優(yōu)摻量。在以往實(shí)際試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，粉煤灰摻量為15％對(duì)混凝土的和易性和長(zhǎng)期耐久性起積極作用，因此，粉煤灰摻量確定為15％。從正交表可知，影響坍落度的順序從主到次為：C→B→A→D，影響7d、28d抗壓強(qiáng)度的主次順序?yàn)椋篈→C→B→D。由此可以看出，因素D（細(xì)度模數(shù)）即機(jī)制砂與河砂的混合比例在四個(gè)因素中占最次要位置，考慮到機(jī)制砂砂源廣，價(jià)格便宜且質(zhì)量可以人為控制，將機(jī)制砂摻量由40％提高到60％，即細(xì)度模數(shù)由2.6提高到2.8。因此，C30機(jī)制砂高性能混凝土的最優(yōu)配比確定為A2C2B2D3。
3.2 C30混合砂混凝土與河砂混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果
以正交試驗(yàn)的最優(yōu)配合比為基礎(chǔ)，將混合砂用細(xì)度模數(shù)相同的河砂代替，研究?jī)煞N混凝土施工性能、強(qiáng)度和耐久性能，為工程實(shí)際和科學(xué)研究提供參考。
3.2.1 工作性和強(qiáng)度
表7、表8分別為混合砂和河砂混凝土的配合比、工作性能與力學(xué)性能。
省內(nèi)機(jī)制砂篩余0.315mm以下所占的比例較小，僅有10％左右，而天然細(xì)砂的粒徑主要集中在0.315mm以下，與機(jī)制砂復(fù)合正好可填補(bǔ)0.315mm以下的累計(jì)篩余，使細(xì)骨料具有良好的級(jí)配。與此同時(shí)，天然砂可減小機(jī)制砂之間的內(nèi)摩擦力，從而獲得良好的施工性能，因此，混合砂混凝土的和易性和流動(dòng)度接近天然中砂混凝土的，甚至工作性能更好。
混合砂混凝土28d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均高于河砂混凝土，其中抗壓強(qiáng)度提高12％，抗折強(qiáng)度提高10％，劈裂強(qiáng)度提高7％。這是因?yàn)椋菏紫?，機(jī)制砂表面結(jié)構(gòu)優(yōu)于天然河砂，其表面沒有風(fēng)化層，均是新鮮的巖面且棱角豐富，與水泥漿的咬合力增大；其次，機(jī)制砂中含泥量較小，機(jī)制砂中低強(qiáng)度的輕物質(zhì)含量較河砂少；第三，機(jī)制砂中含有5％一15％左右的石粉，石粉彌補(bǔ)了機(jī)制砂中細(xì)顆粒偏少的缺陷，有效填充了細(xì)骨料間的孔隙，不但使混凝土中的毛細(xì)孔得到細(xì)化，孔隙率減小，混凝土更加密實(shí)，而且改善了水泥漿與骨料間的粘結(jié)，使機(jī)制砂混凝土的斷裂能比同條件下河砂混凝土的斷裂能大。同時(shí)，在中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中，石粉在水泥水化過(guò)程中起到一定的晶核作用，誘導(dǎo)水泥水化產(chǎn)物析晶，可加速水泥水化并參與水化物的形成[7]。因此，機(jī)制砂混凝土的抗壓、抗折、劈裂強(qiáng)度均優(yōu)于河砂混凝土。
3.2.2 耐久性
分別對(duì)表7中的混合砂混凝土和河砂混凝土做抗?jié)B性能和干縮性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。其結(jié)果見表9。
從表9可以看出，混合砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為1.62x10-8cm2/s，河砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為1.81x10-8cm2/s，均可滿足高性能混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)不大于300x10-14m2/s，（即3x10-8cm2/s）的要求，這表明C30混合砂混凝土和河砂混凝土具有較好的抗氯離子滲透性能。混合砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)比河砂混凝土的降低了10.5％，說(shuō)明混合砂混凝土的抗?jié)B性能比相同細(xì)度模數(shù)的河砂混凝土抗?jié)B性能好。這可能是機(jī)制砂等量取代河砂后，機(jī)制砂中的石粉起到了分散水泥粒子的作用，使水泥水化更加均勻、一致，生成的水泥石中有害的大孔減少，封閉的小孔增多，從而改善了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，降低了氯離子擴(kuò)散系數(shù)，提高了抗?jié)B性能，增強(qiáng)了抵抗外界侵蝕環(huán)境的破壞能力。
從表9中還可以看出，除早期（即1d、3d）河砂混凝土的干縮值低于混合砂混凝土外，7d以后河砂混凝土的干縮值都高于混合砂混凝土的。這可能是C30混凝土中膠凝材料用量較少，機(jī)制砂中的石粉含量相當(dāng)于增加了漿體的體積，填補(bǔ)了混凝土骨料之間的空隙，使新拌混凝土的工作性隨石粉含量的增加逐步改善，密實(shí)度提高，對(duì)干縮的抑制能力增強(qiáng)。
4 結(jié)論
（1）利用正交試驗(yàn)對(duì)C30混合砂高性能混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果表明：用60％的機(jī)制砂與40％的天然細(xì)砂作細(xì)骨料能配制出和易性、力學(xué)性能良好的高性能混凝土。
?。?）通過(guò)正交試驗(yàn)得出的混合砂混凝土最優(yōu)配比與細(xì)度模數(shù)相同的河砂混凝土進(jìn)行耐久性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透性能和干縮性能均優(yōu)于河砂混凝土，說(shuō)明混合砂混凝土配合比進(jìn)行合理優(yōu)化后，其耐久性也優(yōu)于河砂混凝土。
（3）結(jié)合實(shí)際情況，省內(nèi)中粗機(jī)制砂和天然細(xì)砂按合適比例混摻后可以替代河砂配制高性能混凝土，緩解省內(nèi)建筑用砂矛盾，不僅具有一定的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性，還具有一定的環(huán)境效益和社會(huì)效益。由于機(jī)制砂的生產(chǎn)不受氣候、季節(jié)的影響，在生產(chǎn)工藝上能有效控制，因而其性能指標(biāo)相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)混凝土拌合物性能、力學(xué)性能及耐久性能都有明顯改善，有利于提高建筑工程的質(zhì)量。
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編輯：ls
