摘 要：針對(duì)工程中機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度褒貶不一的問(wèn)題。對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)、不同砂率下的機(jī)制砂混凝土和普通混凝土試塊開展抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和對(duì)比分析。研究得到了不同強(qiáng)度等級(jí)的機(jī)制砂混凝土和普通砂混凝土的抗壓強(qiáng)度與砂率的關(guān)系曲線，對(duì)其機(jī)理從混凝土材料學(xué)的角度進(jìn)行了合理的解釋；同時(shí)獲得了C30和C60機(jī)制砂混凝土的最佳砂率，并建議對(duì)于石粉含量較高的機(jī)制砂，其最佳砂率的取值應(yīng)適當(dāng)偏大。
關(guān)鍵詞：機(jī)制砂；天然砂；混凝土；砂率；強(qiáng)度
進(jìn)年來(lái)，隨著可開采的天然砂資源日益減少，特別是一些山區(qū)，偏遠(yuǎn)地區(qū)，石多砂少的現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。將山石破碎為機(jī)制砂代替天然砂配置混凝土是混凝土材料發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。通過(guò)實(shí)地調(diào)研和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示機(jī)制砂由于其良好的顆粒形狀、較大的比表面積、適當(dāng)?shù)氖蹞搅�，使其�?qiáng)度高于普通砂。然而大部分商品混凝土公司則得出了完全相反的結(jié)論，認(rèn)為在相同條件下，配置的機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度不及普通砂。因此作者對(duì)機(jī)制砂混凝土的施工和易性、強(qiáng)度等性能產(chǎn)生了質(zhì)疑。
針對(duì)文獻(xiàn)資料與工程實(shí)例相矛盾的情況，文章試配了C30、C60兩種強(qiáng)度的混凝土，通過(guò)改變機(jī)制砂混凝土和普通砂混凝土的砂率，并對(duì)他們的28d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試、對(duì)比，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析，最終得出了在一定條件下兩種混凝土的最佳砂率，并對(duì)砂率-強(qiáng)度曲線的變化規(guī)律進(jìn)行了合理的解釋。
1 試件制作
1.1 試驗(yàn)材料
水泥：32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥、52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；
砂：天然河砂；
機(jī)制砂：鎮(zhèn)江某公司破碎的山石砂；
石子：鎮(zhèn)江市某采石場(chǎng)生產(chǎn)的石子，堆積密度1660kg/m3，表觀密度2850kg/m3；
水：自來(lái)水。
1.2 配合比設(shè)計(jì)
為研究不同砂率下機(jī)制砂混凝土與普通砂混凝土的強(qiáng)度，根據(jù)《混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ55-2011）設(shè)計(jì)C30、C60混凝土配合比。在C30設(shè)計(jì)強(qiáng)度下：水泥325kg、水195kg、砂石1880kg；在C60強(qiáng)度下：水泥476kg、水195kg、砂石質(zhì)量1730kg。C30、C60混凝土在不同砂率下的試驗(yàn)配合比詳見表1和表2.
1.3 試塊的制備與測(cè)試
1.3.1 試塊的制備方案
準(zhǔn)確稱量各種物料，采用二次投料法進(jìn)行拌制。采用HJW-60升混凝土強(qiáng)制式攪拌機(jī)，先將砂、水、水泥混合攪拌1min，然后加入石子攪拌30s。出料后裝入150mm×150mm×150mm的試模中，特別注意的是要保證試塊的密實(shí)度。再按照《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50107-2010）將試塊放入20攝氏度，濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，對(duì)其養(yǎng)護(hù)2d后拆模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)26d。
1.3.2 坍落度測(cè)試方案
先將用于坍落度試驗(yàn)的各種器具經(jīng)水潤(rùn)濕。在坍落度桶裝料的過(guò)程中，拌合物分三層裝入桶內(nèi)，每次裝到三分之一處，用搗棒插搗，插搗需由外至內(nèi)，每次插搗需貫穿本層，插搗次數(shù)25次宜�；炷撂顫M坍落度筒并搗實(shí)后，用鏝板刮去多余的混凝土，使混凝土上層表面與坍落度桶口齊平。然后垂直將坍落度筒提起，整個(gè)過(guò)程不要超過(guò)十秒，提筒的過(guò)程中注意上下垂直并不要左右晃動(dòng)，最后用兩把鋼尺量出混凝土頂面到坍落度筒頂面的距離，即為該混凝土的坍落度。
1.3.3 抗壓試驗(yàn)方案
試驗(yàn)機(jī)選取TYE-2000B型壓力試驗(yàn)機(jī)，將試件的側(cè)面置于壓力板中心位置，調(diào)節(jié)送油閥調(diào)整試驗(yàn)機(jī)加載速率，持續(xù)加載直至試件破壞，記錄破壞時(shí)的極限荷載值。
2 試驗(yàn)結(jié)果
表3為不同砂率的C30機(jī)制砂混凝土和普通混凝土的塌落度以及抗壓強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值；表4為不同砂率的C60機(jī)制砂混凝土和普通混凝土的塌落度以及抗壓強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值。
3 試驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 C30機(jī)制砂與普通砂混凝土的強(qiáng)度對(duì)比分析
將C30機(jī)制砂與普通砂混凝土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制在圖1上，橫坐標(biāo)為砂率，縱坐標(biāo)為抗壓強(qiáng)度值。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：
（1）分析普通砂強(qiáng)度曲線：在32%～44%的砂率范圍內(nèi)，普通砂混凝土28d抗壓強(qiáng)度隨著砂率的提高而降低，且呈線性趨勢(shì)。隨著砂率的提高，混凝土中細(xì)骨料逐漸增加，粗骨料逐漸減少，這引起骨料與膠凝材料接觸面面積的變化，細(xì)骨料較粗骨料有更大的比表面積，接觸面積的增大在膠凝材料充足的情況下可以起到增加粘結(jié)層強(qiáng)度的作用，但是當(dāng)膠凝材料不足時(shí)，過(guò)大的接觸面無(wú)法都和膠凝材料結(jié)合，使得接觸面存在沒有粘結(jié)力的微裂紋，當(dāng)混凝土受壓時(shí)，這些微裂紋會(huì)逐漸的擴(kuò)展，形成連續(xù)裂紋，使混凝土無(wú)法繼續(xù)受壓，降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度。而且這種對(duì)混凝土強(qiáng)度影響的情況隨著混凝土強(qiáng)度的提高而越發(fā)的明顯。
（2）分析機(jī)制砂強(qiáng)度曲線：機(jī)制砂混凝土28d抗壓強(qiáng)度在砂率32%～44%之間呈現(xiàn)出U形，在39%處達(dá)到最低值。所以判定在C30的設(shè)計(jì)強(qiáng)度下，機(jī)制砂混凝土中機(jī)制砂的最佳砂率在44%左右。機(jī)制砂相對(duì)于普通砂而言具有較高的石粉等惰性粉料的含量，所以對(duì)于機(jī)制砂強(qiáng)度曲線的分析更側(cè)重于石粉含量的影響。在砂率由32%～40%區(qū)間內(nèi)，由于石粉是惰性材料不參與混凝土強(qiáng)度的形成，所以隨著砂率的升高，單位體積里機(jī)制砂的用量也逐漸的升高，這也就提高了混凝土中惰性粉料的含量，大量的惰性粉料混合在機(jī)制砂與水泥的膠結(jié)層中，使混凝土的粘結(jié)層出現(xiàn)缺陷，這些缺陷在混凝土受壓時(shí)很快就達(dá)到了極限，形成裂紋，隨著壓力的繼續(xù)增大，這些裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，使混凝土很快達(dá)到其抗壓極限，并且這種粉料對(duì)強(qiáng)度的削弱作用隨著砂率的提高而越來(lái)越明顯；惰性的石粉雖然不能提供混凝土強(qiáng)度，但是這些石粉懸浮在混凝土中，可以起到晶核作用，吸引附近的水泥顆粒，加速水泥膠凝材料的析出，誘導(dǎo)水泥的水化反應(yīng)，間接增強(qiáng)到了混凝土的強(qiáng)度，但是由于這種晶核效應(yīng)對(duì)于粉料含量的要求比較苛刻，所以僅在一定含量下作用效果才比較明顯，過(guò)多或過(guò)少都會(huì)大大降低晶核誘導(dǎo)水泥水化的反應(yīng)，所以僅在42%砂率處出現(xiàn)突變，混凝土的強(qiáng)度突然提高。
（3）綜合分析2條曲線，在《混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ55- 2011）推薦砂率下，發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度在砂率為32%～41%區(qū)間內(nèi)時(shí)低于普通砂，在41%～44%時(shí)超過(guò)普通砂。結(jié)合混凝土破碎的一般原因分析，在C30強(qiáng)度等級(jí)的混凝土中，混凝土的強(qiáng)度極限一般取決于骨料和膠凝材料的粘結(jié)層，所以本段分析側(cè)重于從粘結(jié)層強(qiáng)度方面的解釋和分析。
3.2 C60機(jī)制砂與普通砂混凝土的強(qiáng)度對(duì)比
將C60機(jī)制砂與普通砂混凝土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制在圖2上，橫坐標(biāo)為砂率，縱坐標(biāo)為抗壓強(qiáng)度值。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：
（1）分析普通砂混凝土28d強(qiáng)度曲線，砂率在26%～28%、30%～32%區(qū)間內(nèi)，隨著砂率的提高，混凝土的強(qiáng)度降低；在28%～30%的區(qū)間內(nèi)，隨著砂率的提高，混凝土的強(qiáng)度增加。在區(qū)間32%～36%內(nèi)，混凝土的強(qiáng)度基本不變。在C60設(shè)計(jì)強(qiáng)度的混凝土中，隨著砂率的提高，混凝土中的細(xì)骨料增加，粗骨料減少，細(xì)骨料較粗骨料有更大的比表面積，所以增加了骨料總體與膠凝材料的接觸面積。但由于單位體積內(nèi)膠凝材料的總量有限，無(wú)法在所有的接觸面形成一定厚度的粘結(jié)層，這就導(dǎo)致薄弱粘結(jié)層的出現(xiàn)，當(dāng)混凝土受壓時(shí)，這些粘結(jié)層很快就破壞，并隨著壓力的增大，這些粘結(jié)層迅速的擴(kuò)展，很快就使混凝土達(dá)到抗壓強(qiáng)度極限，并且這種強(qiáng)度下降的趨勢(shì)隨著砂率的提高而越發(fā)的明顯。優(yōu)良的級(jí)配對(duì)于混凝土的強(qiáng)度提高也會(huì)有幫助，當(dāng)混凝土中的粗骨料、細(xì)骨料、膠凝材料合適時(shí)，即細(xì)骨料的正好填充粗骨料的空隙，膠凝材料填充粗細(xì)骨料的空隙，混凝土不僅能夠獲得較大的密實(shí)度，而且在受到壓力時(shí)混凝土能夠通過(guò)優(yōu)良的結(jié)構(gòu)受力特性充分發(fā)揮其內(nèi)部材料的性能，使得混凝土的抗壓強(qiáng)度的到提高，但這種強(qiáng)度的提高對(duì)于粗細(xì)骨料、膠凝材料的配比要求比較苛刻，所以只在30%砂率時(shí)出現(xiàn)。
（2）分析機(jī)制砂混凝土28d的強(qiáng)度曲線，砂率在26%～32%、34%～36%的區(qū)間內(nèi)，隨著砂率的提高，混凝土的強(qiáng)度基本呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)；在32%～34%的區(qū)間內(nèi)，呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但因變化幅度不大，得出在C60的設(shè)計(jì)配合比下，機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度不隨砂率的變化而變化。在C60機(jī)制砂混凝土中，由于機(jī)制砂含有大量的惰性粉料，這些粉料的體積非常的小，可以填充膠凝材料與骨料的間隙，增加混凝土的密實(shí)度，優(yōu)化混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得混凝土的強(qiáng)度得到提升。并且隨著機(jī)制砂砂率的提高，機(jī)制砂的含量越來(lái)越多，細(xì)小粉料的含量也越來(lái)越多，填充微空隙的作用就越來(lái)越明顯，所以混凝土的強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。雖然這些細(xì)小的惰性粉料可以通過(guò)填充空隙，優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)的方式提高混凝土的強(qiáng)度，但是當(dāng)這些惰性材料過(guò)多時(shí)，由于其對(duì)強(qiáng)度并沒有貢獻(xiàn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果低于惰性材料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，混凝土的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)下降的情況，正如32%～34%砂率處。
（3）通過(guò)分析兩條曲線，發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度始終低于普通砂。但在32%砂率處，機(jī)制砂的強(qiáng)度達(dá)到最大值，接近普通砂，所以在C60的配比下，機(jī)制砂的最佳砂率為32%。
結(jié)合混凝土破碎的一般原因分析，在C60強(qiáng)度等級(jí)的混凝土中，混凝土的破碎原因來(lái)自多方面，有混凝土中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理性，砂石骨料的強(qiáng)度，粘結(jié)層的強(qiáng)度等。
3.3 綜合分析
通過(guò)以上對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，隨著砂率的增大，混凝土的強(qiáng)度亦隨之發(fā)生較大改變。對(duì)其原因結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行合理的分析。
普通砂多為天然河砂，由于大自然的沖刷作用，使得天然砂的顆粒形狀多是呈球形或者橢球形且顆粒表面光滑。致使其在混凝土中的比表面積相對(duì)較小，較小的比表面積可能會(huì)形成薄弱的粘結(jié)層，成為混凝土破壞的主要原因。
機(jī)制砂多由山石強(qiáng)制破碎而成。生產(chǎn)方式?jīng)Q定了機(jī)制砂多棱角、不規(guī)則的顆粒形狀，也使其具有了較大的比表面積，增大了砂與膠凝材料的接觸面積，間接增強(qiáng)了混凝土粘結(jié)層的強(qiáng)度。由于機(jī)制砂是破碎而來(lái)，所以機(jī)制砂中含有較多的石粉。石粉的顆粒較小，適當(dāng)?shù)靥砑涌梢云鸬教畛浠炷林锌障兜淖饔�，增加了混凝土的密�?shí)度，優(yōu)化了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高了混凝土的強(qiáng)度。又因?yàn)槭鄱嗍嵌栊圆牧希粎⑴c水泥的硬化，這些小顆粒懸浮在未形成強(qiáng)度混凝土中，產(chǎn)生“晶核”作用，使大量的水泥顆粒團(tuán)聚在石粉周圍，加快了水泥的硬化，從而達(dá)到誘導(dǎo)水泥水化的目地，加快了混凝土強(qiáng)度的形成，間接提高了混凝土的強(qiáng)度。但是，如果機(jī)制砂的石粉的含量過(guò)多或者不適合，大量的惰性石粉會(huì)依附在砂和石子的表面，減少了膠凝材料與石子或砂的接觸面積，削弱了粘結(jié)層的強(qiáng)度，這也導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度會(huì)下降。所以石粉的適當(dāng)與否對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響非常巨大。又因?yàn)榛炷翉?qiáng)度形成是一個(gè)非常復(fù)雜的組合，所以無(wú)法以單一的影響因素對(duì)其進(jìn)行規(guī)律性的準(zhǔn)確推算。
結(jié)合文章研究重點(diǎn)，不難得出在一定條件下機(jī)制砂、普通砂的強(qiáng)度與砂率的關(guān)系。
4 結(jié)語(yǔ)
在C30混凝土的設(shè)計(jì)配合比下，普通砂混凝土、機(jī)制砂混凝土的最佳砂率分別在32%和42%左右。
在C60混凝土的設(shè)計(jì)配合比下，普通砂混凝土和機(jī)制砂混凝土的最佳砂率分別在26%和32%。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)分析，在高石粉含量的機(jī)制砂中，機(jī)制砂的強(qiáng)度受石粉含量的影響較大，對(duì)于高含粉量的機(jī)制砂，其最佳砂率的取值應(yīng)適當(dāng)偏大。
參考文獻(xiàn)
[1] 李北星，周明凱，蔡基偉.機(jī)制砂中石粉對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土性能的影響[J].混凝土，2008（07）.
[2] 毛晶晶.機(jī)制砂混凝土的應(yīng)用現(xiàn)狀與研究進(jìn)展[J].山西建筑，2015 （27）：35-38.
[3] 蔡基偉，李北星，周明凱.石粉對(duì)中低強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土性能的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（04）.
[4] 曹盛明，張東長(zhǎng)，邱俊.石粉含量對(duì)中低強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土性能的影響[J].工程建設(shè)，2007（05）.
[5] 張禮華，劉來(lái)寶，周永生.石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的影響[J].混凝土與水泥制品，2011（12）.
[6] 王稷良，牛開民，劉英機(jī)制砂中石粉對(duì)混凝土性能影響的研究現(xiàn)狀[J].公路交通科技，2008（09）.
[7] 季韜，李鋒，莊一舟.機(jī)制砂比表面積對(duì)混凝土性能的影響[J].混凝土，2011（02）：80-82.
[8] 李北星，周明凱，田建平.石粉與粉煤灰對(duì)C60機(jī)制砂高性能混凝土性能的影響[J].建筑科學(xué)學(xué)報(bào)，2006（04）：381-386.
[9] 趙日新，白永智.機(jī)制砂代替天然砂在泵送混凝土中的應(yīng)用[J].水泥與混凝土，2012（03）.
