■程 健

（福建建燦科技有限責(zé)任公司，南平 353100）

隨著近幾十年國家工業(yè)與民用建筑建設(shè)的迅猛發(fā)展，河砂作為重要原材料被大量開采后已近枯竭，并對河流及其周邊的生態(tài)環(huán)境造成一定程度的破壞，為了加強(qiáng)環(huán)境和自然資源的保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展，國家及各地方政府也已嚴(yán)令限采和禁采河砂。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂在經(jīng)專業(yè)設(shè)備處理后可根據(jù)工程所用混凝土的相關(guān)級配要求進(jìn)行調(diào)控，可以滿足不同工程的混凝土砂料需求，使用機(jī)制砂替代河砂作為混凝土細(xì)骨料已逐漸成為主流趨勢[1]。 同時(shí)，伴隨著裝配式建筑結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，為達(dá)到預(yù)制混凝土構(gòu)件的高標(biāo)準(zhǔn)、高效率、高質(zhì)量的要求，越來越多的預(yù)制混凝土構(gòu)件采用全程智能控制的蒸汽養(yǎng)生來縮短混凝土養(yǎng)護(hù)齡期，保證養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率[2-3]。

目前關(guān)于機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能和蒸汽養(yǎng)生混凝土技術(shù)已有較多研究，并取得了一定的成果。機(jī)制砂由于顆粒形狀較為粗糙，且所含石粉會增加固體表面積與水體積的比例，因此在相同配合比下，機(jī)制砂混凝土的流動性較河砂混凝土差[4-5]，但由于機(jī)制砂擁有較多的棱角和尖銳部位，顆粒之間會產(chǎn)生填充和咬合效應(yīng)，其力學(xué)性能會優(yōu)于河砂混凝土[6-7]。 Lawrence 等[8]在研究蒸養(yǎng)混凝土制品的過程中，首次提到了蒸汽養(yǎng)生的方法。 蒸汽養(yǎng)生是一種常用的加速混凝土養(yǎng)護(hù)方法，可通過升溫促進(jìn)混凝土中水泥的水化速度，顯著提高混凝土的早期強(qiáng)度，但對后期強(qiáng)度的發(fā)展可能存在不利的影響[9-11]。然而，關(guān)于蒸汽養(yǎng)生條件下機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能，尤其是其長期力學(xué)性能的變化研究甚少。 基于此，本項(xiàng)目擬對蒸汽養(yǎng)生機(jī)制砂混凝土的長期力學(xué)性能進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，以期為后續(xù)進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供參考。

1 原材料與配合比

1.1 原材料

原材料：（1）細(xì)骨料：所使用的機(jī)制砂為福建當(dāng)?shù)刈援a(chǎn)的機(jī)制砂， 細(xì)度模數(shù)為2.97，MB 值為0.95，泥塊含量為0.3%，石粉含量為6.5%；河砂選用普通中砂，細(xì)度模數(shù)為2.52；（2）粗骨料：采用福州市閩侯縣竹岐石料廠生產(chǎn)的粒徑為5～20 mm 的級配碎石；（3）水泥：采用福建永富水泥集團(tuán)公司生產(chǎn)的PO.52.5硅酸鹽水泥；（4）粉煤灰：某材料有限公司生產(chǎn)的I 級粉煤灰；（5）礦粉：采用福州某材料有限公司生產(chǎn)的S95 礦粉；（6）減水劑：福州創(chuàng)先工程材料有限公司提供的CX-8 聚羧酸減水劑。

1.2 配合比

為探究蒸汽養(yǎng)生條件下不同機(jī)制砂摻量（0%、25%、50%、75%、100%） 對機(jī)制砂混凝土長齡期（28、56、90、180、360 d）基本力學(xué)性能的影響，通過控制砂總質(zhì)量不變，調(diào)整機(jī)制砂與河砂摻配比例進(jìn)行C60 混凝土配合比設(shè)計(jì)，見表1。

表1 機(jī)制砂混凝土配合比 （單位:kg/m3）

2 機(jī)制砂混凝土試樣成型與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試樣的制備

按照配合比在稱量好各種原材料質(zhì)量后，首先將膠凝材料和細(xì)骨料倒入混凝土攪拌機(jī)中進(jìn)行干拌，然后加入粗骨料，最后將減水劑與水混合均勻后加入攪拌機(jī)拌合。 攪拌均勻后，將新拌混凝土倒入混凝土多類型基本力學(xué)性能測試試模中，并進(jìn)行插搗密實(shí)。 為防止試樣水分蒸發(fā)流失，試模表面及時(shí)覆蓋塑料薄膜。 待試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，再分別放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室和蒸養(yǎng)篷布內(nèi)進(jìn)行密閉蒸汽養(yǎng)生。 試樣制備情況見圖1。

圖1 機(jī)制砂混凝土試樣制作與養(yǎng)護(hù)

2.2 試樣的養(yǎng)護(hù)

本研究通過文獻(xiàn)調(diào)查得出[12-14]，蒸汽養(yǎng)生混凝土的恒溫溫度范圍通常為50℃～65℃，升降溫速率在5℃/h～15℃/h，恒溫時(shí)間為12～24 h。 綜合考慮前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果以及蒸汽養(yǎng)生機(jī)制砂混凝土的實(shí)際工程應(yīng)用情況后，選擇機(jī)制砂混凝土蒸汽養(yǎng)生恒溫溫度為60℃，升降溫速率為10℃/h，恒溫時(shí)間為18 h，蒸汽養(yǎng)生制度見圖2。待試樣完成蒸汽養(yǎng)護(hù)后，再次放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至齡期為360 d。

圖2 蒸汽養(yǎng)生制度

2.3 機(jī)制砂混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)

在機(jī)制砂混凝土蒸汽養(yǎng)生和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生的齡期達(dá)到28、56、90、180 和360 d 時(shí)，參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行不同機(jī)制砂摻量的機(jī)制砂混凝土基本力學(xué)性能測試，見圖3。

圖3 機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能測試

3 結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

不同機(jī)制砂摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度影響試驗(yàn)結(jié)果見圖4、表2。 由圖4、表2 可知，蒸汽養(yǎng)生機(jī)制砂混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度均隨著混凝土中機(jī)制砂摻量的增加而提高，并且在28～90 d 呈逐漸增長趨勢，在90～180 d 略有降低，降幅低于小于3.60%，而在180 d 以后基本趨于穩(wěn)定；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生的機(jī)制砂混凝土28 d 的強(qiáng)度略低于蒸汽養(yǎng)生，在90 d 后基本趨于穩(wěn)定，并且蒸汽養(yǎng)生與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生機(jī)制砂混凝土360 d 的強(qiáng)度偏差僅為1.7%。 蒸汽養(yǎng)生機(jī)制砂混凝土JZS100、JZS75、JZS50、JZS25、HS 組360 d 齡期的抗壓強(qiáng)度相較于28 d 齡期分別提高了6.95%、16.14%、11.22%、10.19%、13.45%；在28 d 和180 d齡期時(shí)，JZS100、JZS75、JZS50、JZS25 組的抗壓強(qiáng)度較HS 組分別提高了27.53%、10.76%、9.97%、5.54%和18.66%、10.84%、7.68%、1.78%。 此外JZS100 組在90 d 時(shí)抗壓強(qiáng)度最大為87.9 MPa，而HS 組則為75.6 MPa。

圖4 不同齡期機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度

表2 不同齡期機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度 （單位：MPa）

上述變化原因主要在于機(jī)制砂顆粒粗糙的表面結(jié)構(gòu)能使其與水泥石之間的結(jié)合更為牢固，且石粉能夠進(jìn)一步填充混凝土內(nèi)部的孔隙，增強(qiáng)了微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的密實(shí)性，從而提高了機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度。

3.2 彈性模量

不同機(jī)制砂摻量對混凝土彈性模量的影響試驗(yàn)結(jié)果見圖5、表3。 由圖5、表3 可知，蒸汽養(yǎng)生機(jī)制砂混凝土各齡期的彈性模量均隨著混凝土中機(jī)制砂摻量的增加而提高，并且彈性模量在28～90 d 呈增幅逐漸減小的增長，且在90～180 d 呈現(xiàn)的降低現(xiàn)象，降幅小于2.43%，但仍均大于28 d 齡期的彈性模量，在齡期達(dá)到360 d 以后才基本趨于穩(wěn)定；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生的機(jī)制砂混凝土28 d 的彈性模量略低于蒸汽養(yǎng)生，但其隨時(shí)間呈緩慢增長趨勢，在180 d 后達(dá)到最大值且逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)蒸汽養(yǎng)生與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生機(jī)制砂混凝土彈性模量偏差僅為1.9%。

圖5 不同齡期機(jī)制砂混凝土彈性模量

表3 不同齡期機(jī)制砂混凝土彈性模量（單位：GPa）

蒸汽養(yǎng)生機(jī)制砂混凝土JZS100、JZS75、JZS50、JZS25、HS 組360 d 齡期的彈性模量相較于28 d 齡期分別提高了3.20%、4.51%、4.31%、2.89%、3.92%；在28 d 和360 d 齡期時(shí)，JZS100、JZS75、JZS50、JZS25組的彈性模量較HS 組分別提高了7.35%、3.19%、2.45%、1.72%和6.60%、3.77%、2.83%、0.71%。 此外JZS100 組在90 d 時(shí)抗壓強(qiáng)度最大為46.2 GPa，而HS 組則為44.0 GPa；其變化原因主要在于機(jī)制砂顆粒粗糙的表面結(jié)構(gòu)及石粉具備細(xì)微填充特性，較河砂混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部骨料與膠凝材料粘結(jié)咬合緊密，提高其彈性模量。 但是較高溫度的蒸汽養(yǎng)生在加快水化反應(yīng)的同時(shí)，也生成了少量的鈣礬石，在中期約90～180 d 時(shí)少量膨脹性的鈣礬石可能會因析出結(jié)晶而對內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)小的微裂紋，從而使彈性模量略有降低。

3.3 抗折強(qiáng)度

不同機(jī)制砂摻量對混凝土抗折強(qiáng)度影響試驗(yàn)結(jié)果見圖6、表4。 由圖6、表4 可知，蒸汽養(yǎng)生機(jī)制砂混凝土各齡期的抗折強(qiáng)度均隨著混凝土中機(jī)制砂摻量的增加而提高，并且在28～90 d 呈逐漸增長趨勢但增幅減小，在90～180 d 略有降低，降幅小于5.41%，而在180 d 以后基本趨于穩(wěn)定；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生的機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度均略高于蒸汽養(yǎng)生機(jī)制砂混凝土，但最大增幅小于5.9%，且其抗折強(qiáng)度在56 d后基本趨于穩(wěn)定。 蒸汽養(yǎng)生機(jī)制砂混凝土JZS100、JZS75、JZS50、JZS25、HS 組360 d 齡期的抗折強(qiáng)度相較于28 d 齡期分別提高了4.88%、12.33%、9.72%、6.76%、4.62%；JZS100、JZS75、JZS50、JZS25 組在28 d齡期時(shí)抗折強(qiáng)度最低，分別為8.2、7.3、7.2 和6.9 MPa，其相較于HS 組仍分別提高了26.15%、12.31%、10.77%、6.15%；在趨于穩(wěn)定的180 d 齡期時(shí)，抗折強(qiáng)度分別為8.6、8.2、8.0 和7.5 MPa，其相較于HS 組分別提高了22.86%、17.14%、14.29%、7.14%。 主要原因在于機(jī)制砂顆粒粗糙的表面物理特性以及合理的石粉含量，能有效提高混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的密實(shí)性，增大骨料與膠凝材料的粘結(jié)面積，從而提高了機(jī)制砂混凝土的抗折強(qiáng)度。

圖6 不同齡期機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度

表4 不同齡期機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度（單位：MPa）

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了不同機(jī)制砂摻量（0%、25%、50%、75%和100%）的混凝土配合比，制定了機(jī)制砂混凝土恒溫溫度為60℃，升降溫速率為10℃/h，恒溫時(shí)間為18 h 的蒸汽養(yǎng)生制度，進(jìn)行了不同齡期蒸汽養(yǎng)生和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生機(jī)制砂混凝土長期力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，所有測試組均滿足C60 混凝土基本力學(xué)性能指標(biāo)要求，并且蒸汽養(yǎng)生和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生機(jī)制砂混凝土長期力學(xué)性能指標(biāo)偏差較小。 （2）蒸汽養(yǎng)生機(jī)制砂與河砂混凝土的長期力學(xué)性能均能逐漸提高。 其中JZS100、JZS75、JZS50、JZS25、HS 組360 d 相較于28 d 齡期的抗壓強(qiáng)度提高了6.95%～16.14%；彈性模量提高了2.89%～4.51%； 抗折強(qiáng)度提高了4.62%～12.33%。（3）蒸汽養(yǎng)生機(jī)制砂混凝土各齡期的力學(xué)性能指標(biāo)均隨著混凝土中機(jī)制砂摻量的增加而顯著提高，并且在28～90 d 呈逐漸增長趨勢，在90～180 d 略有降低，降幅低于小于5.5%，并且其抗壓、抗折強(qiáng)度在180 d 以后基本趨于穩(wěn)定，彈性模量則在360 d以后基本趨于穩(wěn)定。 其中JZS100 相較HS 組在180 d齡期時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度組分別提高了18.66%和22.86%，在360 d 齡期時(shí)彈性模量提高6.60%。