張坤球 姚青云 唐雙美

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001）

機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對(duì)C50梁變形性能的研究

張坤球 姚青云 唐雙美

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001）

利用不同細(xì)度模數(shù)的機(jī)制砂配制C50梁混凝土，對(duì)比研究機(jī)制砂不同細(xì)度模數(shù)對(duì)砂漿及C50梁混凝土的工作性能、力學(xué)性能和收縮性能的影響規(guī)律。研究表明：機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)在2.8～3.2時(shí)，混凝土的工作性較好；機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為3.0時(shí)，混凝土力學(xué)性能最優(yōu)；機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)越小，混凝土的收縮越小。機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)宜控制在3.0，C50梁混凝土的綜合性能最佳。

機(jī)制砂；細(xì)度模數(shù)；C50梁混凝土；變形性能

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展，作為建筑主要原材料之一的河砂資源日漸枯竭，很多劣質(zhì)低的砂被用于建設(shè)工程中，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量，機(jī)制砂為替代河砂作為細(xì)集料的最佳選擇，亟待加強(qiáng)機(jī)制砂應(yīng)用技術(shù)的研究[1,2]。機(jī)制砂在我國(guó)工程的應(yīng)用已經(jīng)開始逐步由云貴、湘鄂西部地區(qū)發(fā)展到東部的沿海地區(qū)，國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)制砂的研究也越來(lái)越深入[3]。目前機(jī)制砂應(yīng)用于中低強(qiáng)度混凝土已開始被工程界所接受，但在重大工程較高強(qiáng)度的混凝土中很少應(yīng)用。因此，面對(duì)緊缺的河砂資源現(xiàn)狀，推廣機(jī)制砂的應(yīng)用顯得尤為重要。

本文通過(guò)分析不同級(jí)配的機(jī)制砂砂漿的工作性能、力學(xué)性能和收縮性能，探究不同級(jí)配機(jī)制砂的特性；針對(duì)C50梁混凝土，研究不同細(xì)度模數(shù)的機(jī)制砂對(duì)C50梁混凝土的工作性能、力學(xué)性能和變形性能的影響規(guī)律，選定C50梁混凝土機(jī)制砂的最佳細(xì)度模數(shù)范圍。

1 原材料與方法

1.1試驗(yàn)原材料

水泥為廣西魚峰水泥股份有限公司生產(chǎn)的 PⅡ42.5硅酸鹽水泥，比表面積330m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量24.4%，7d和28d抗壓強(qiáng)度分別為30.0MPa和54.4MPa。粉煤灰為廣西華天能環(huán)保科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，密度2.235g/cm3，細(xì)度2.16%，需水量比95%，燒失量2.0%。礦粉為武漢武新新型建材有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉，比表面積400m2/kg，流動(dòng)度比96%，燒失量1.9%，28d活性指數(shù)105%。粗集料選用某項(xiàng)目部自產(chǎn)的5～25mm連續(xù)級(jí)配碎石，堆積密度 1550kg/m3，壓碎值 4.2%。外加劑為馬貝聚羧酸減水劑，減水率為35.5%。

試驗(yàn)研究不同細(xì)度模數(shù)的機(jī)制砂對(duì)混凝土性能的影響規(guī)律，所用的某項(xiàng)目部自產(chǎn)的機(jī)制砂，對(duì)比試驗(yàn)所用河砂為廣西合浦縣張黃鎮(zhèn)油灘砂場(chǎng)河砂，河砂與機(jī)制砂性能指標(biāo)分別如表1和表2所示。

表1　河砂的物理性能指標(biāo)

表2　機(jī)制砂的物理性能指標(biāo)

1.2試驗(yàn)過(guò)程及方法

以河砂和不同級(jí)配的機(jī)制砂分別配制水泥砂漿，研究不同顆粒級(jí)配機(jī)制砂對(duì)水泥砂漿的工作性能、力學(xué)性能和變形性能的影響，對(duì)比研究不同粉煤灰和礦粉摻量對(duì)水泥砂漿收縮變形性能的影響規(guī)律。

以河砂配制工作性良好的C50梁混凝土，并在此配合比基礎(chǔ)上利用不同細(xì)度模數(shù)的機(jī)制砂取代河砂，研究其對(duì) C50梁混凝土的工作性能、力學(xué)性能、變形性能的影響。試驗(yàn)通過(guò)調(diào)整外加劑摻量和砂率來(lái)使混凝土拌合物達(dá)到相同或相近的工作性能。

砂漿的工作性能測(cè)試按《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》（JGJ/T 70-2009）進(jìn)行，砂漿干縮率測(cè)試依據(jù)《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》(JC/T603-2004)進(jìn)行，其有效長(zhǎng)度L（mm）為扣除試件兩端釘頭埋入長(zhǎng)度后的值；混凝土收縮率測(cè)試按《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBT50082-2009）進(jìn)行。

1.3顯微硬度測(cè)試原理

選擇一定的載荷，把顯微硬度儀壓頭壓入試件表面并保持一定的時(shí)間，卸去載荷，試樣表面壓出一個(gè)底面為正方形的正四棱錐壓痕，測(cè)量其兩條對(duì)角線的長(zhǎng)度平均值d（如圖2所示），計(jì)算壓痕面積 F，然后再計(jì)算顯微硬度值 HV。壓痕面積F由（1）式計(jì)算：

其中，θ為壓頭與材料表面的接觸角(θ=68°)，d為對(duì)角線的長(zhǎng)度平均值。

顯微硬度HV可由（2）式計(jì)算：

其中，P為載荷。

圖1　顯微硬度儀壓頭形狀

圖2　顯微硬度測(cè)點(diǎn)

根據(jù)圖 2中所示的測(cè)試點(diǎn)分布在試件的拋光面上進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)試步長(zhǎng)為10μm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1不同級(jí)配機(jī)制砂對(duì)水泥砂漿性能的影響

2.1.1工作性

利用河砂和不同級(jí)配的機(jī)制砂對(duì)比研究水泥砂漿的性能，并摻不同粉煤灰和礦粉研究水泥砂漿的變形抑制作用，試驗(yàn)配合比及工作性如表 3所示，H-0為河砂水泥砂漿配合比，J-1～J-12為機(jī)制砂水泥砂漿配合比，其中J1～J4為不同顆粒級(jí)配的機(jī)制砂砂漿配合比，J-5～J-8為單摻粉煤灰和礦粉的機(jī)制砂砂漿配合比，J-9～J-12為復(fù)摻粉煤灰和礦粉的機(jī)制砂砂漿配合比。

表3　砂漿試驗(yàn)配合比

對(duì)比H-0和J-1可知，機(jī)制砂與河砂在配合比和級(jí)配相同情況下，機(jī)制砂的砂漿流動(dòng)性較差。對(duì)比J-1～J4可知，在配合比不變的情況下，隨著機(jī)制砂細(xì)顆粒組分的增加，機(jī)制砂的砂漿流動(dòng)性增大。機(jī)制砂細(xì)顆粒組分越大，砂漿在富漿條件下，砂子比表面積增大，漿體稠度變大，砂漿的粘聚性相應(yīng)增強(qiáng)，砂漿的流動(dòng)性增大[4]。

對(duì)比J-1、J-5、J-6可知，隨著粉煤灰摻量的增加，機(jī)制砂的砂漿流動(dòng)性增大。對(duì)比J-1、J-7、J-8可知，隨著礦粉摻量的增加，機(jī)制砂的砂漿流動(dòng)性減小。復(fù)摻粉煤灰與礦粉，對(duì)應(yīng)機(jī)制砂砂漿的工作性略有降低，并且礦粉的摻入比例越高，砂漿工作性越差。

2.1.2力學(xué)性能

從圖 3（a）可看出，在相同配合比和級(jí)配情況下，機(jī)制砂砂漿各齡期（7d、28d）的抗壓強(qiáng)度優(yōu)于河砂混凝土，尤其對(duì)早期強(qiáng)度（7d）機(jī)制砂與河砂砂漿相比優(yōu)勢(shì)明顯。機(jī)制砂較強(qiáng)的棱角性增加了混合材料之間的嵌擠力，機(jī)制砂粗糙的表面增加了界面粘結(jié)力，使得抗壓強(qiáng)度較大。

對(duì)比圖3（b）中的J-1～J-4可以看出，機(jī)制砂的級(jí)配不完整，砂漿的抗壓強(qiáng)度不同程度降低。機(jī)制砂級(jí)配越完整，顆粒級(jí)配和細(xì)度模數(shù)的協(xié)調(diào)性越強(qiáng)，使機(jī)制砂顆粒之間更能填充密實(shí)，骨架的整體空隙變小，大小顆粒之間的機(jī)械咬合處變多，抗壓強(qiáng)度增大。

圖3　各組河砂和機(jī)制砂砂漿試樣的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3（c）和圖3（d）表明，摻入粉煤灰和礦粉使機(jī)制砂砂漿早期（7d）的抗壓強(qiáng)度隨之降低，且隨著摻量的增大，早期壓強(qiáng)度越低，后期（28d）砂漿強(qiáng)度影響不大。

2.1.3收縮性能

各組砂漿試樣的干縮率試驗(yàn)結(jié)果如圖 2所示，同級(jí)配的機(jī)制砂和河砂砂漿試驗(yàn)的收縮率對(duì)比結(jié)果如圖 2（a）所示，不同級(jí)配機(jī)制砂試樣的收縮率對(duì)比結(jié)果如圖2（b）所示，摻粉煤灰和礦粉抑制收縮的有效性試驗(yàn)結(jié)果如圖2（c）和（d）所示。

圖4　各組河砂和機(jī)制砂砂漿試樣的干縮率試驗(yàn)結(jié)果

從圖 4可看出，機(jī)制砂砂漿的收縮率均比河砂砂漿的收縮率小。對(duì)比圖4（b）中的J-1～J-4可以看出機(jī)制砂級(jí)配不完整，砂漿的收縮率有不同程度的增大。機(jī)制砂級(jí)配越完整，機(jī)制砂顆粒填充更密實(shí)，空隙率小，收縮率越小。圖 4（c）和圖4（d）表明摻入分別一定量的粉煤灰和礦粉可以明顯降低砂漿的收縮率，當(dāng)粉煤灰和礦粉復(fù)摻時(shí)（J-9～J-12），收縮抑制效果更明顯。

粉煤灰和礦粉的密度比水泥小，在進(jìn)行等質(zhì)量取代時(shí)，摻入粉煤灰和礦粉的砂漿具有更高的漿體率，而粉煤灰的摻入能改善膠凝體系內(nèi)部的堆積效應(yīng)，礦粉多棱角的顆粒與水泥顆粒間的螯合作用也對(duì)改善膠凝體系內(nèi)部的堆積效應(yīng)也具有積極的作用，同時(shí)二者的二次水化反應(yīng)降低了砂漿的的收縮，具有更好的體積穩(wěn)定性。

2.2不同細(xì)度機(jī)制砂對(duì)C50梁混凝土性能的影響

2.2.1工作性

不同細(xì)度模數(shù)對(duì)C50梁海工混凝土性能影響研究的試驗(yàn)配合比如表 4所示，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對(duì)海工混凝土工作性能的影響試驗(yàn)結(jié)果如表 5所示。機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)越大則需提高砂率同時(shí)增大外加劑摻量來(lái)使混凝土拌合物達(dá)到相同或相近的工作性能。其中HS為河砂混凝土，JZS-1～JZS-4為不同細(xì)度機(jī)制砂混凝土。

表4　細(xì)度模數(shù)對(duì)C50箱梁混凝土性能影響試驗(yàn)配合比

表5　細(xì)度模數(shù)對(duì)機(jī)制砂C50箱梁混凝土工作性的影響

由表5可知，當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為2.8時(shí)，拌合物干澀粘稠；隨著機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)的增加，拌合物的坍落度逐漸增加，且外觀良好，具有良好的粘聚性；當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)進(jìn)一步增加到3.2時(shí)，拌合物的坍落度呈下降趨勢(shì)，當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)達(dá)到3.4時(shí)，出現(xiàn)輕微離析。配制C50梁海工混凝土?xí)r，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)在2.8～3.2時(shí)工作性較好。

2.2.2力學(xué)性能

各齡期不同細(xì)度模數(shù)對(duì)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂對(duì)各齡期C50箱梁混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖 5可見，機(jī)制砂海工混凝土的抗壓強(qiáng)度均比同齡期的河砂混凝土高，機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)對(duì)C50箱梁混凝土早期強(qiáng)度（4d、7d）的影響并不明顯，而后期強(qiáng)度（28d、56d）則隨細(xì)度模數(shù)的增加先增大后降低，存在一個(gè)最佳的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)值3.0。

圖6　河砂和機(jī)制砂的界面過(guò)渡區(qū)形貌

對(duì)HZ和JZS-1兩組試驗(yàn)配合比所成型的制作光片進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，對(duì)比分析河砂混凝土和機(jī)制砂混凝土的界面過(guò)渡區(qū)和顯微硬度性能特征，河砂混凝土（HZ）和機(jī)制砂混凝土（JZS-1）的界面過(guò)渡區(qū)形貌如圖6所示。

由圖 7可知，機(jī)制砂混凝土的機(jī)制砂界面過(guò)渡區(qū)比河砂混凝土的河砂界面過(guò)渡區(qū)窄，河砂表面形貌相對(duì)于機(jī)制砂而言更加的光滑，機(jī)制砂表面更加粗糙，機(jī)制砂粗糙的表面為C-S-H凝膠的粘結(jié)提供了良好的界面，因此機(jī)制砂在界面過(guò)渡區(qū)細(xì)骨料與C-S-H凝膠的結(jié)合更為緊密，提高了界面過(guò)渡區(qū)的粘結(jié)強(qiáng)度，使得機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度比河砂混凝土更高。

圖7　河砂和機(jī)制砂的界面過(guò)渡區(qū)顯微硬度測(cè)試

河砂和機(jī)制砂界面過(guò)渡區(qū)的顯微硬度測(cè)試結(jié)果如圖 7所示。從圖7可知，機(jī)制砂界面過(guò)渡區(qū)的C-S-H凝膠的顯微硬度值比河砂的高，而隨著距骨料距離的增加，C-S-H凝膠的顯微硬度也相應(yīng)地升高。

2.2.3收縮性能

圖8　不同細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂對(duì)C50箱梁混凝土收縮率的影響

各齡期不同細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂對(duì)混凝土收縮形變的影響結(jié)果如圖8所示?？傮w上來(lái)看，不同細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂C50箱梁混凝土體積收縮率均小于河砂海工混凝土體積收縮率。細(xì)度模數(shù)2.8～3.4的機(jī)制砂配制機(jī)制砂C50梁海工混凝土?xí)r，均有較好的體積穩(wěn)定性。細(xì)度模數(shù)越小，體積穩(wěn)定性越好。

2.3分析與討論

混凝土拌合物的工作性與漿體性質(zhì)、骨料性質(zhì)以及漿體與骨料的相對(duì)體積含量有關(guān)，當(dāng)其他條件保持不變，機(jī)制砂的性質(zhì)對(duì)拌合物的工作性存在重要影響。砂的細(xì)度模數(shù)反映其組成顆粒的整體粗細(xì)程度，影響骨料顆粒的比表面積和骨架體系的空隙率。

合適的骨料比表面積和較低的骨架體系的堆積空隙率，需要填充空隙和包裹骨料表面的漿體數(shù)量就少，相同條件下骨料表面有更多的漿體，潤(rùn)滑作用增強(qiáng)。細(xì)度模數(shù)適中的機(jī)制砂，有利于改善拌合物的工作性，細(xì)度模數(shù)過(guò)小，吸附外加劑較多，導(dǎo)致混凝土工作性嚴(yán)重降低，而細(xì)度模數(shù)較大時(shí)，粗顆粒較多，漿體不足以填充顆?？障逗桶w粒表面，混凝土有離析的趨勢(shì)。細(xì)度模數(shù)適中的機(jī)制砂，具有足夠粗顆粒形成骨架結(jié)構(gòu)，又有足夠的細(xì)顆粒填充骨架空隙，骨架體系的空隙率低，抗壓強(qiáng)度越大[5]。

機(jī)制砂表面棱角多，顆粒表面摩擦力較大，通過(guò)調(diào)整機(jī)制砂的級(jí)配和增加細(xì)顆粒組分，降低細(xì)度模數(shù)，可以明顯改善機(jī)制砂的工作性能，提高抗壓強(qiáng)度，可以彌補(bǔ)機(jī)制砂形狀不良引起的混凝土工作性較差的缺點(diǎn)[6]。

機(jī)制砂中含有一定的石粉，適當(dāng)含量的石粉填充到細(xì)集料中，使得混凝土更為密實(shí)，從而提高混凝土的體積穩(wěn)定性，因此不同細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂混凝土收縮較河砂混凝土小。而隨著機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)的增加，粗顆粒比例增加，出現(xiàn)離析的趨勢(shì)，漿骨粘結(jié)性不好，界面孔隙增多，因而收縮大，體積穩(wěn)定性逐漸下降。

3 結(jié)論

（1）機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)對(duì)C50箱梁混凝土早期強(qiáng)度（4d、7d）的影響并不明顯，而后期強(qiáng)度（28d、56d）則隨細(xì)度模數(shù)的增加先增大后降低，存在一個(gè)最佳的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)值3.0。同時(shí)機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度均比同齡期的河砂混凝土高。

（2）對(duì)于細(xì)度模數(shù)2.8～3.4的機(jī)制砂配制機(jī)制砂C50梁混凝土?xí)r，細(xì)度模數(shù)越小，機(jī)制砂中的石粉含量越高，對(duì)混凝土的填充密實(shí)作用更明顯，體積穩(wěn)定性更好。不同細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂C50箱梁混凝土體積收縮率均小于河砂混凝土體積收縮率。

（3）機(jī)制砂與河砂在配合比和級(jí)配相同情況下，機(jī)制砂的砂漿流動(dòng)性相對(duì)較差。對(duì)比相同配比的機(jī)制砂流動(dòng)度，隨著機(jī)制砂細(xì)顆粒組分的增加（細(xì)度模數(shù)降低），機(jī)制砂的砂漿流動(dòng)性增大。隨著粉煤灰摻量的增加，機(jī)制砂的砂漿流動(dòng)性增大。隨著礦粉摻量的增加，機(jī)制砂的砂漿流動(dòng)性減小。

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Influence of the fineness modulus of machine-made sand on deformation performance of C50 girder

Applying different fineness modulus of machine-made sand in C50 girder concrete to comparative study the influence of different fineness modulus of machine-made sand in C50 girder concrete on work performance, mechanical properties and shrinkage properties. Research shows that: when the fineness modulus of machine-made sand is 2.8 to 3.2, concrete works better; When the fineness modulus of machine-made sand arrives 3.0, the mechanical properties of concrete is the best；The fineness modulus of machinemade sand is smaller, the less the shrinkage of concrete .The fineness modulus of machine-made sand should be controlled at 3.0,at which the comprehensive performance of C50 girder concrete is the best.

Machine-made sand; fineness modulus; C50 girder concrete; deformation properties

U443.3

A

1008-1151(2015)06-0020-05

2015-05-12

張坤球（1968－），男，廣西路建工程集團(tuán)有限公司高級(jí)工程師，從事公路工程施工技術(shù)開發(fā)和管理工作。