李先重LI Xian-zhong；荊月飛JING Yue-fei；符益銘FU Yi-ming；秦曉雨QIN Xiao-yu；崔偉CUI Wei

（①山東高速工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250014；②山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，濟(jì)南 250061）

0 引言

建設(shè)過(guò)程中由于過(guò)度開(kāi)采天然砂來(lái)配制混凝土，造成了部分地區(qū)天然砂資源短缺，且運(yùn)輸過(guò)程中易造成環(huán)境破壞、開(kāi)采難度大、受地域限制以及使用成本高等因素都給天然砂的使用帶來(lái)了一定影響。因此許多學(xué)者開(kāi)始研究使用機(jī)制砂來(lái)替換天然砂，相關(guān)研究能起到資源有效利用、環(huán)境保護(hù)及節(jié)約成本的目的[1-3]。機(jī)制砂是人工處理巖石后制成的人工砂，其顆粒級(jí)配偏于Ⅰ區(qū)，中間粒徑顆粒偏少、顆粒孔隙率偏大，級(jí)配不佳，同時(shí)也存在粒徑不規(guī)則，制砂過(guò)程中石粉含量難以控制等特性，這些特性都會(huì)對(duì)所制混凝土的性能產(chǎn)生很大影響[4-5]。相關(guān)研究提出在原料中摻入復(fù)合摻合料，并設(shè)計(jì)合理配合比來(lái)配制混凝土，同時(shí)通過(guò)抗壓試驗(yàn)、影響因素正交試驗(yàn)及相關(guān)預(yù)測(cè)模型等方法來(lái)分析混凝土相關(guān)性能，以研究出符合預(yù)期的機(jī)制砂混凝土配制方案[6-7]。此外關(guān)于高石粉含量下機(jī)制砂混凝土的復(fù)摻技術(shù)研究較少，有試驗(yàn)表明一般情況下石粉含量在16%為佳[8]，但不同地區(qū)所用機(jī)制砂的特性存在差異，并不存在絕對(duì)完善的方案。

鑒于砂率、粉煤灰摻量及復(fù)合摻合料種類等影響因素都會(huì)對(duì)混凝土成品的強(qiáng)度產(chǎn)生影響[6-9]，因此本文的混凝土配制基于復(fù)合摻合料的使用出發(fā)，選擇合適的砂率、復(fù)合摻合料占比及種類來(lái)確定合理的配合比進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)原材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料 原材料主要包括水泥、機(jī)制砂、碎石、水、復(fù)合摻合料、減水劑。水泥采用P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，機(jī)制砂由某高速公路修建過(guò)程中的廢棄巖石制成，細(xì)度模數(shù)約為3.4，其所含石粉含量偏高（15.9%）。機(jī)制砂相關(guān)技術(shù)指標(biāo)參照GB/T 14684-2022 進(jìn)行檢測(cè)?；诨炷涟韬衔锼玫哪＞叱叽鐬?0×100，選取碎石粒徑為4.75～9.50mm。試驗(yàn)所用復(fù)合摻合料是由粉煤灰分別與S95礦渣粉及磷渣粉按一定比例經(jīng)球磨機(jī)磨制而成，主要分為FS 和FP 系列。本文中FS 系列由粉煤灰和S95 礦渣粉共同粉磨而成，包括FS40、FS55、FS70 三個(gè)種類，F(xiàn)P 由粉煤灰和磷渣粉共同粉磨而成，包括FP40、FP55、FP70 三個(gè)種類。FS 系列的三個(gè)種類具體指將粉煤灰與S95 礦渣粉分別按照0.40:0.60、0.55:0.45、0.70:0.30 的比例進(jìn)行混合研磨，F(xiàn)P 系列的種類同理。減水劑采用粉劑的聚羧酸高性能減水劑，其減水率為35%，泌水率為29%，含氣量為4.0%。

1.2 試驗(yàn)方法及配合比設(shè)計(jì) 機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)參考《機(jī)制砂高性能混凝土》及《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》來(lái)進(jìn)行。設(shè)置基準(zhǔn)配合比，基于此配合比設(shè)置實(shí)驗(yàn)組。在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上，通過(guò)控制水膠比不變，改變砂率，以及通過(guò)控制砂率及用水量不變，改變復(fù)合摻合料摻量占比來(lái)設(shè)置兩組對(duì)照組的配合比。具體配合比設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 配合比設(shè)計(jì)

混凝土試件24 小時(shí)脫模后，在溫度為20℃，濕度為95%的恒溫恒濕條件下養(yǎng)護(hù)28 天后進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)及三軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)前試件兩端需進(jìn)行打磨，以減小端面不平整帶來(lái)的誤差。

2 試驗(yàn)結(jié)果討論

單軸壓縮試驗(yàn)：

2.1 試驗(yàn)程序

①啟動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及配套試驗(yàn)軟件，以位移加載方式操控試驗(yàn)機(jī)壓縮軸上升至合適高度后，在試件臺(tái)上安放試件，試件需居于試件臺(tái)中心（見(jiàn)圖1），以保證試件受壓時(shí)受力均勻。②以10mm/min 的位移加載速率使壓縮軸緩慢下降直至接近試件上端，繼而切換下降速率為1mm/min，直至壓縮軸完全接觸試件上端，當(dāng)軟件顯示試件所受負(fù)荷上升時(shí)，切換0.5mm/min 的位移加載速率對(duì)試件進(jìn)行單軸壓縮。③實(shí)時(shí)觀察試件壓縮情況，使用軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行記錄。

圖1 單軸壓縮試驗(yàn)

2.2 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)組所用復(fù)合摻合料種類為FS40、FP40、FS55、FP55、FS70、FP70；對(duì)照組D-1、D-2 種類為FS40、FP40；對(duì)照組D-3、D-4 種類為FS55、FP55。各組單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

2.3 砂率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2 和表2 中S-3、S-4、D-1、D-2 數(shù)據(jù)可知，在控制水膠比為0.39 不變，將砂率從0.42 調(diào)至0.39 時(shí)，F(xiàn)S55的單軸抗壓強(qiáng)度由48.3MPa 下降至44.2MPa，而FP55 的強(qiáng)度從40.9MPa 下降至36.1MPa。將砂率從0.42 調(diào)至0.39，提高了粗骨料碎石使用比例，但機(jī)制砂與碎石本身存在粒徑不規(guī)則的特點(diǎn)，由強(qiáng)度變化可知下調(diào)砂率一定程度上影響了機(jī)制砂填充碎石間隙的有效性，造成混凝土用料均勻性有所降低，使得對(duì)應(yīng)試件的強(qiáng)度有所降低。試驗(yàn)用機(jī)制砂石粉含量偏高，結(jié)合砂率的下降也會(huì)影響混凝土后期強(qiáng)度。

圖2 不同砂率下混凝土抗壓強(qiáng)度

2.4 摻合料占比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響

在控制砂率、用水量及水膠比不變的情況下，將復(fù)合摻合料的摻入占比從8.8%調(diào)整至8%。結(jié)合表1 及表2 中S-1、S-2、D-3、D-4 組數(shù)據(jù)可知，摻合料占比為8%時(shí)，F(xiàn)S40 強(qiáng)度為39.3MPa，F(xiàn)P40 強(qiáng)度為34.9MPa，摻合料占比為8.8%時(shí)，F(xiàn)S40 強(qiáng)度上升至53.5MPa，而FP40 強(qiáng)度略微下降至30.4MPa。由圖3 可知，對(duì)于FS40 和FP40，改變復(fù)合摻合料的摻入占比對(duì)前者強(qiáng)度影響較大，對(duì)后者影響較小，但占比降低使得FP40 強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。因此，對(duì)于復(fù)合摻合料來(lái)說(shuō)，在一定占比下，使用粉煤灰與礦渣粉的混合研磨產(chǎn)物去替換混凝土用料中的部分水泥用量，能高效提升混凝土成品強(qiáng)度。

圖3 不同復(fù)合摻合料占比下混凝土抗壓強(qiáng)度變化

2.5 摻合料種類對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響

由圖4 可知，在其余條件一致，只改變復(fù)合摻合料種類的情況下，F(xiàn)S40、FS55、FP55 的強(qiáng)度比較高，均在40MPa以上，F(xiàn)P40、FS70、FP70 強(qiáng)度比較小。FS 系列中FS40 的強(qiáng)度最高，F(xiàn)P 系列中FP55 的強(qiáng)度最高，但整體來(lái)看FS 系列的強(qiáng)度普遍比FP 系列的要高?？梢?jiàn)在一定研磨技術(shù)支持下，粉煤灰與礦渣粉、磷渣粉按相近比例混合研磨后摻入混凝土用料中，可有效提高摻合料的集料效應(yīng)，改善混凝土的密實(shí)性及強(qiáng)度。

圖4 不同復(fù)合摻合料種類下混凝土抗壓強(qiáng)度變化

3 三軸壓縮試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)程序

①將應(yīng)變儀安裝在試件上，按照規(guī)定將試件安放于三軸壓縮試驗(yàn)艙內(nèi)并安裝好實(shí)驗(yàn)油管，確保油體能夠給予試件穩(wěn)定的圍壓。②使用15mm/min 的位移加載速率使試驗(yàn)艙上升至與壓縮機(jī)接觸，當(dāng)試驗(yàn)艙即將接觸到頂方壓縮機(jī)時(shí)，換成軸向負(fù)荷加載方式，加載速率設(shè)為30N/s，限值設(shè)為0.5kN，使試驗(yàn)艙緩慢上升，直至試件受到0.5kN 的軸向負(fù)荷。③保持軸向負(fù)荷加載設(shè)置不變，在此基礎(chǔ)上調(diào)整圍壓參數(shù)，給予試件穩(wěn)定的5MPa 圍壓，加載方式為圍壓負(fù)荷加載，速率設(shè)置為25kPa/s，限值設(shè)為5MPa，當(dāng)圍壓穩(wěn)定在5MPa 后即可軸向施壓。④選擇軸向負(fù)荷加載方式進(jìn)行軸向施壓直至試件被破壞（見(jiàn)圖5），速率為0.1MPa/s，限值估計(jì)為單軸最大破壞荷載的2 倍。

圖5 試件裂縫特征

3.2 三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)果顯示，F(xiàn)S40、FS55 及FP55 試件的強(qiáng)度分別為81.8MPa、63.0MPa 及68.3MPa，對(duì)應(yīng)的5MPa 圍壓下彈性模量分別為40.324GPa、25.145GPa 及31.983GPa。圍壓5MPa 下試件應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖6。

圖6 圍壓5MPa 應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖6 可知，F(xiàn)P55 的破壞變形較小，F(xiàn)S40 在保持應(yīng)力峰值最高的情況下也能表現(xiàn)出較好的變形控制能力，在達(dá)到同樣應(yīng)變值時(shí)，F(xiàn)S55 的應(yīng)力是最小的。因此粉煤灰與磷渣粉混合研磨后摻入用料中，對(duì)于混凝土的變形控制效果要優(yōu)于粉煤灰與礦粉的復(fù)合產(chǎn)品，但抗壓強(qiáng)度指標(biāo)上FS40 較可觀。

4 結(jié)論

對(duì)于高石粉含量的機(jī)制砂混凝土，當(dāng)原料中摻入復(fù)合摻合料種類為FS55 及FP55 時(shí)，宜選擇砂率為0.42 左右的配合比進(jìn)行混凝土配制，一定程度上可提高所制機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度。當(dāng)原料中摻入復(fù)合摻合料種類為FS40及FP40 時(shí)，8.8%左右的摻合料占比比較適合由FS40 所制成的混凝土，而8%～8.8%的摻合料占比對(duì)FP40 所制成的混凝土強(qiáng)度影響差別較小。對(duì)于FS 系列，使用FS40 及FS55 為摻合料種類摻入原料中制成混凝土后，抗壓強(qiáng)度要比摻入FS70 這一類別的效果要高。對(duì)于FP 系列，摻入FP55 來(lái)制備混凝土更為合適，且FS 系列強(qiáng)度普遍比FP系列高。其次從三軸壓縮試驗(yàn)來(lái)看，F(xiàn)S40、FS55、FP55 試件的強(qiáng)度都比較高，雖然FP55 抗壓強(qiáng)度不及FS40，但就變形指標(biāo)而言FP55 比較可觀。當(dāng)原料中摻入的復(fù)合摻合料種類選擇為FS40、FS55 及FP55 時(shí)，所制成高石粉含量機(jī)制砂混凝土能表現(xiàn)出較好的抗壓強(qiáng)度，再針對(duì)對(duì)應(yīng)類別配以合適的砂率及摻合料占比，能進(jìn)一步改善成品性能。