關(guān)鍵詞：人工砂；高石粉含量；混凝土；力學(xué)性能；干縮與自縮

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Ｋｅｙ?。鳎铮颍洌螅海恚幔洌濉。螅幔睿?；ｈｉｇｈ　ｃｏｎｔｅｎｔ?。螅簦铮睿濉。穑铮鳎洌澹?；ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｄｒｙ　ｓｈｒｉｎｋａｇｅ?。幔睿洹。螅澹欤妗。螅瑁颍椋睿耄幔纾?

      人工砂作為一種新型的建筑用砂，已被正式列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［１］。天然砂的資源是有限的，其產(chǎn)源具有地域性，長(zhǎng)期大量采挖會(huì)破壞生態(tài)。因此，無論是市場(chǎng)發(fā)展的需求還是環(huán)境保護(hù)的需要，都有必要考慮人工砂資源的利用。早在世紀(jì)年代，我國(guó)的一些行業(yè)和地區(qū)的工程建設(shè)中，已經(jīng)開始使用人工砂［２］，如水利水電工程建設(shè)等。但是，多數(shù)建設(shè)單位對(duì)人工砂還較陌生，特別是人工砂在生產(chǎn)過程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生較多石粉，這與天然砂有著顯著的區(qū)別。近幾年來，在高石粉含量人工砂的性能和應(yīng)用方面開展了一些研究［３，４］，但是，還遠(yuǎn)不夠完善。

      本文結(jié)合棉花灘水電站建設(shè)工程中使用高石粉含量人工砂的可行性分析，進(jìn)行了高石粉含量人工砂性能及應(yīng)用研究，通過比較不同石粉含量的人工砂混凝土的性能，得出了最優(yōu)石粉含量人工砂，并有效地改善和提高了混凝土性能，為工程建設(shè)以及拓展高石粉含量人工砂的應(yīng)用提供了技術(shù)依據(jù)。棉花灘水電站混凝土工程中既有碾壓混凝土，也有常態(tài)混凝土；碾壓混凝土用量為４５萬ｍ３，常態(tài)混凝土用量為２５萬ｍ３。生產(chǎn)混凝土所用的砂石骨料全部采用人工軋制，其中人工砂生產(chǎn)系統(tǒng)為瑞典斯維拉達(dá)公司的機(jī)械產(chǎn)品，工藝為干法生產(chǎn)。用于制作人工砂的巖石為黑云母花崗巖，礦物成分以鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石和石英石為主，含少量暗色礦物及黑云母。原狀人工砂細(xì)度模數(shù)在２２～２８范圍內(nèi)波動(dòng)，石粉含量為１９％～２２％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文中所涉及的摻量、含量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。原狀人工砂石粉含量多，顆粒級(jí)配不合理，其中粗顆粒（１.２５ｍｍ以上）和細(xì)顆粒（０.１６ｍｍ以下）偏多。粒徑小于０.０８ｍｍ的細(xì)粉含量約占石粉總量的33%。這種人工砂較適合碾壓混凝土施工，但其石粉含量高于常態(tài)混凝土的控制指標(biāo)。為常態(tài)混凝土用砂的需要，同時(shí)為解決高石粉含量人工砂的出路，減少工程投資，筆者進(jìn)行了高石粉含量人工砂混凝土的研究，有望為該材料的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

    試驗(yàn)原材料試驗(yàn)用水泥為三德牌４２.５普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合技術(shù)要求；粉煤灰由嵩能粉煤灰有限公司生產(chǎn)，細(xì)度為１４.８％，需水量比為９８％，各項(xiàng)指標(biāo)均符合Ⅱ級(jí)粉煤灰的技術(shù)要求，粉煤灰摻量為水泥用量的２０％粗骨料為巖石經(jīng)機(jī)械破碎后制成的粒徑為５～８０ｍｍ的碎石顆粒，分為小、中、大級(jí)，粗骨料級(jí)配及比例分別為一級(jí)配，包括2種，即：（1）骨料最大粒徑ＤＭ＝２０ｍｍ；（２）骨料最大粒徑ＤＭ＝３０ｍｍ，由三級(jí)配骨料經(jīng)濕篩后得到；二級(jí)配：骨料最大粒徑＝４０ｍｍ，小石與中石的質(zhì)量比為４０∶６０；三級(jí)配：骨料最大粒徑ＤＭ＝８０ｍｍ，小石、中石、大石的質(zhì)量比為２０∶３０∶５０細(xì)骨料為高石粉含量人工砂，根據(jù)研究需要，設(shè)計(jì)并配制了石粉含量分別為２１％（原狀人工砂），16%，12%以及3%等工況混凝土用的細(xì)骨料。
外加劑為ＢＤ-Ｖ型混凝土緩凝減水劑，密度１２ｇ／ｃｍ３，ｐＨ值７.０５，摻量為膠凝材料總量（水泥+粉煤灰）的０.６％。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

２.１石粉含量的優(yōu)選

      為了得出不同石粉含量人工砂混凝土的強(qiáng)度與水灰比之間的關(guān)系，并初選出較優(yōu)的石粉含量，設(shè)計(jì)了7個(gè)不同的水灰比，用4種不同石粉含量的人工砂及一級(jí)配骨料（DM＝２０ｍｍ）進(jìn)行混凝土配合比試驗(yàn)。采用標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)２８ｄ。 

      混凝土配合比以及相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果列于表１。由表1結(jié)果可知，在不同的水灰比下，石粉含量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律基本一致，隨水灰比增大，混凝土強(qiáng)度降低。石粉含量為１６％時(shí)，其混凝土強(qiáng)度明顯高于石粉含量為１２％的混凝土，當(dāng)石粉含量增大至21%時(shí)，混凝土強(qiáng)度降低，但仍高于石粉含量為１２％時(shí)的強(qiáng)度。根據(jù)表1的結(jié)果并應(yīng)用最小二乘法原理進(jìn)行線性擬合，得到圖1所示的混凝土強(qiáng)度與灰水比的關(guān)系。由圖1可以看出，在石粉含量為21%的狀況下，當(dāng)灰水比趨向于1４（即水灰比趨向０７０）時(shí)，其強(qiáng)度接近石粉含量為12%的強(qiáng)度；當(dāng)灰水比趨向于２５（即水灰比趨向０４０）時(shí)，其強(qiáng)度接近石粉含量16%；當(dāng)灰水比等于2，即水灰比等于０５０時(shí)，其強(qiáng)度居于石粉含量12%與16%之間。由此可知，當(dāng)水灰比大于０５０時(shí)，以石粉含量16%為較優(yōu)；當(dāng)水灰比小于０５０時(shí)，較優(yōu)石粉含量介于１６％～２１％之間。

表1混凝土配合比及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
Ｔａｂｌｅ　１Ｍｉｘ?。穑颍铮穑铮颍簦椋铮睢。幔睿洹。簦瑁濉。簦澹螅簟。颍澹螅酰欤簦蟆。铮妗。螅簦颍澹睿纾簦琛。妫铮颉。悖铮睿悖颍澹簦?
 
      Water       Mix proportion         W(stone  powder)%                                         
No.   cement   -----------------------------------              12           16           21                24
Ratio     m(cement): m(sand):  m(stone)    Ơc     Slump       Ơc     Slump      Ơc    Slump     Ơc    Slump 
                                      /Mpa    /mm        /Mpa    /mm    /Mpa   /mm   /Mpa   /mm
1     0.40         1    :   1.77  :   5.60    36.8     50         38.7     50     38.5    60   
2     0.45         1    :   2.11  :   6.32    30.6     70         34.1     70     33.3    70
3     0.50         1    :   2.46  :   7.00    28.9     65         30.6     70     29.2    70    26.2    50   
4     0.55         1    :   2.84  :   7.67    25.6     70         28.8     50     26.2    70    23.6    65
5     0.60         1    :   3.24  :   8.33    23.2     70         25.8     60     24.0    65
6     0.65         1    :   3.66  :   8.95    21.2     65         24.1     50     21.8    60
7     0.70         1    :   4.10  :   9.55    19.4     60         21.3     55     20.0    65 

  
      試驗(yàn)結(jié)果還表明，石粉含量為１２％時(shí)，混凝土拌和物和易性較差，保水性一般。當(dāng)石粉含量為１６％時(shí)，混凝土拌和物和易性明顯改善，泌水減小且易于振搗密實(shí)。這是由于石粉在拌和物中起到了非活性填充料的作用，從而增加了漿體的數(shù)量，增大了穩(wěn)定性，進(jìn)而改善了混凝土的和易性。當(dāng)石粉含量增大到21%以上時(shí)，由于石粉含量太多，顆粒級(jí)配不合理，使混凝土密實(shí)性降低，和易性變差；粗顆粒偏少，減弱了骨架作用；非活性石粉不具有水化及膠結(jié)作用，在水泥含量不變時(shí)，過多的石粉使水泥漿強(qiáng)度降低，因而混凝土強(qiáng)度減小。 

      由混凝土強(qiáng)度和拌和物和易性試驗(yàn)結(jié)果表明，在常規(guī)水灰比狀況下，石粉含量１６％為優(yōu)選含量；當(dāng)水灰比較小、水泥用量較多時(shí)，石粉含量可適當(dāng)增大。

２.２石粉含量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

２.２.１標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件混凝土力學(xué)性能 

      考慮同一水灰比不同石粉含量、同一石粉含量不同水灰比的多種組合情況，共設(shè)計(jì)了6種組合，如表２所示。按三級(jí)配骨料設(shè)計(jì)試件，經(jīng)過濕篩后成型１５０ｍｍ立方體標(biāo)準(zhǔn)試件及１００ｍｍ×１００ｍｍ×５５０ｍｍ截面內(nèi)埋拉桿型軸向拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件，試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)２８ｄ。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果列于表2。由表2結(jié)果可知，5016和4021兩種組合表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能；若保持水灰比不變，只改變石粉含量，如５０１２，５０１６，５０２１三種組合，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均表明石粉含量16%時(shí)為優(yōu)選用量；若固定石粉含量不變，只改變水灰比，分析４０２１，５０２１，６０２１組合和５０１６，６０１６組合，則混凝土的力學(xué)性能隨水灰比的減小而提高。各力學(xué)性能的變化規(guī)律基本相同。

２.２.２原級(jí)配大尺寸試件混凝土力學(xué)性能 

      為了探討原級(jí)配大尺寸試件的尺寸效應(yīng)，根據(jù)混凝土試件最小尺寸不小于3倍最大骨料粒徑的原則，綜合骨料最大粒徑、石粉含量以及骨料粒級(jí)和試驗(yàn)可比性，擬定了6個(gè)試驗(yàn)配合比（見表３，其中試件編號(hào)中的末位數(shù)字代表粗骨料級(jí)配）。其中三級(jí)配試件尺寸分別為２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×１４０0ｍｍ（拉伸試件）和２５０ｍｍ立方體（抗壓試件）；二級(jí)配試件尺寸為１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×６００ｍｍ（拉伸試件）及１５０ｍｍ立方體（抗壓試件）；一級(jí)配試件尺寸為１００ｍｍ×１００ｍｍ×５５０ｍｍ（拉伸試件）及１５０ｍｍ立方體試件（抗壓試件）［５］。三級(jí)配拉伸試驗(yàn)采用筆者開發(fā)研制的大尺寸試件拉伸裝置，通過同步油壓加荷，傳感器和變形計(jì)連接智能應(yīng)變儀，微機(jī)控制數(shù)據(jù)采集并打印輸出等組成加載測(cè)試系統(tǒng)。 

      試驗(yàn)結(jié)果見表３，由表3可知，對(duì)于相同級(jí)配的混凝土，當(dāng)石粉含量為16％時(shí)，其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值均優(yōu)于石粉含量為12%時(shí)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。如比較55162與55122，或55161與55121，前者的抗壓強(qiáng)度比后者提高約5%，抗拉強(qiáng)度提高約12%，極限拉伸值提高約8%。顯然，適當(dāng)提高人工砂中的石粉含量，能有效改善混凝土的抗拉性能，提高混凝土的抗裂能力，對(duì)于防止混凝土開裂有重要意義。由表3還可看出，在相同的石粉含量條件下，混凝土的力學(xué)性能隨試件尺寸的增大而降低。若以一級(jí)配（55161，55121）的試驗(yàn)結(jié)果為１，則三級(jí)配混凝土（55163，55123）抗壓強(qiáng)度為0.91～0.90；抗拉強(qiáng)度為0.73～0.79；極限拉伸值為0.67～0.71?？梢?，尺寸因素對(duì)抗壓強(qiáng)度影響較小，而對(duì)抗拉性能影響較大。

表2標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件混凝土力學(xué)性能
Ｔａｂｌｅ?。玻停澹悖瑁幔睿椋悖幔臁。穑颍铮穑澹颍簦椋澹蟆。铮妗。悖铮睿悖颍澹簦濉。妫铮颉。螅簦幔睿洌幔颍洹。螅穑澹悖椋恚澹?
       Water cement     w(stone powder)    ơc       ơt               Tensile elastic  Maximum tensile
Code                                                      ơt/ơc
         Ratio             /%          /Mpa     /Mpa              modulus/Gpa     strain×10—6
5012        0.50             12           32.5       2.38   1/13.6        35.3            83
5016        0.50             16           35.8       2.73   1/13.1        38.8            88
6016        0.60             16           30.2       2.40   1/12.6        35.1            82
4021        0.40             21           39.6       2.74   1/14.1        38.8            88
5021        0.50             21           32.7       2.47   1/13.2        34.9            85
6021        0.60             21           26.5       2.14   1/12.4        30.8            78

Note: The first two and last two figures of the code stand for the water cement ratio and the percentage of the stone powder content respectively(saneas.Tab.4,5)

２.３石粉含量對(duì)混凝土干縮與自收縮性能的影響

２.３.１標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件混凝土干縮與自收縮性能

      干縮試件尺寸為１００ｍｍ×１００ｍｍ×５１５ｍｍ；自收縮（以下簡(jiǎn)稱自縮）試件尺寸為１００ｍｍ×１００ｍｍ×３００ｍｍ，且自縮分為有約束（在試件中埋置鋼筋，配筋率0.５％）和無約束2種。干縮試驗(yàn)依據(jù)文獻(xiàn)［５］進(jìn)行，自縮試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（溫度（２０±１）℃，相對(duì)濕度９５％以上）中養(yǎng)護(hù)，參照干縮試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。干縮試驗(yàn)結(jié)果列于表4；自縮試驗(yàn)結(jié)果列于表5。

表3原級(jí)配混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果
Ｔａｂｌｅ　３Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ?。穑颍铮穑澹颍簦椋澹蟆。妫铮颉。妫酰欤欤。纾颍幔洌澹洹。悖铮睿悖颍澹簦?
         Water cement   w(stone powder)      ơc        ơt           Maximum tensil
Code
           Ratio           /%             /Mpa     /Mpa            strain×10—6
55163      0.55            16             28.0      1.79                65
55162      0.55            16             29.8      1.97                85
55161      0.55            16             30.7      2.46                97
55123      0.55            12             26.3      1.73                63
55122      0.55            12             28.4      1.79                79
55121      0.55            12             29.1      2.18                89 
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