材料因素对C40级机制砂混凝土抗压强度的影响

文摘 2024-12-13 07:00 河南

随着我国水利基础设施建设步伐的日益加快，混凝土用砂需求量不断增加，加之国家对环境保护的日益重视，很多河道已经禁采天然砂，造成天然砂供应逐步短缺、砂料质量控制难度加大。在水利工程建设中采用机制砂部分或全部替代天然砂作为水工混凝土细集料，配制具有较高抗压强度、良好耐久性能及施工性能的机制砂混凝土，不仅是水利工程建设发展的需要，也是水工混凝土技术发展的需要。混凝土抗压强度不仅是进行水工结构设计的基本指标，而且是综合评价混凝土性能的重要参数。现有研究成果中，关于机制砂混凝土抗压强度的研究，多局限于单一材料因素对抗压强度的影响，考虑多种材料因素对抗压强度交互影响的研究还鲜有报道。

本文以C40级机制砂混凝土为研究对象，通过矿物掺合料机制砂混凝土抗压强度试验，研究多种材料因素对机制砂混凝土抗压强度的交互影响，旨在为机制砂混凝土在水利建设工程中的应用提供技术支撑。

1试验概况

1.1原材料

试验采用天瑞集团郑州水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，主要技术指标见表1。

矿物掺合料采用洛阳市生产的F类Ⅱ级粉煤灰、新乡市长城矿粉有限公司生产的S95级磨细矿渣粉，主要技术指标见表2、表3。

粗骨料为新密碎石，粒径5～25mm；

细骨料为信阳产细度模数2.4的天然中砂、焦作产中砂，细度模数3.2的机制砂，主要技术指标见表4、表5。

减水剂为TH-2A高效减水剂，有效减水率20%。

郑州市自来水，符合国家标准。

1.2配合比

根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ552011)和《水工混凝土配-合比设计规程》（DL/T5330-2015)，设计强度等级为C40的基准混凝土，即细骨料全部为河砂的普通水泥混凝土。在基准混凝土配合比基础上，以等量取替代法设计了机制砂混凝土，混凝土配合比见表6。

1.3测试方法

依据《水工混凝土试验规程》（SL352-2006)和《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081)规定的方法，分别测试混凝土7d、14d、28d、56d和84d的抗压强度。试块尺寸为150mmx150mmx150mm，三个试块为一组。试验仪器为NYL-2000型压力试验机。

2结果及分析

2.1试验结果

混凝土抗压强度试验结果见表7，抗压强度随龄期的变化规律见图1。

由图1可见，各组混凝土的抗压强度均随龄期的增长而增大，矿物掺合料的种类及取代率对混凝土早期抗压强度影响显著。由于矿物掺合料早期水化活性低于水泥，因此普通水泥混凝土的早期抗压强度明显高于双掺粉煤灰和矿粉混凝土。随着龄期的增长，矿物掺合料的活性及微粉填充效应得以充分发挥，掺合料混凝土的抗压强度增长较快，N1～N9混凝土的抗压强度逐渐接近。

双掺粉煤灰与矿粉后，掺合料的复合活性和微粉填充效应优于单掺粉煤灰，因此双掺矿粉与粉煤灰混凝土的抗压强度略大于单掺粉煤灰混凝土的。在掺合料种类和取代率相同的情况下，同一龄期混凝土的抗压强度并无明显差异，这表明使用机制砂部分取代天然砂并未对混凝土抗压强度造成不利影响。

2.2单方机制砂和水泥用量对抗压强度的影响及相关性

对试验数据进行多因素回归拟合，得到单方机制砂用量m_s和单方水泥用量m_c与混凝土抗压强度的回归曲面关系，如图2所示。

由回归关系可知，单方机制砂和单方水泥用量与抗压强度具有一定的多因素相关性，其中与7d抗压强度呈二次曲面关系，与14、28、56、84d抗压强度呈三次曲面关系。

在单方机制砂和水泥用量的共同影响下，混凝土早期抗压强度未呈现显著规律性。当龄期大于28d之后，单方水泥用量较小时，混凝土抗压强度随机制砂用量的增加而增大，反之，混凝土抗压强度随机制砂用量的减小而减小。当机制砂用量较小时，增加单方水泥用量可提高混凝土的抗压强度；当机制砂用量较大时，增加单方水泥用量并不能提高混凝土的抗压强度，甚至会造成抗压强度下降。

2.3单方机制砂和粉煤灰用量对抗压强度的影响及相关性

对试验数据进行多因素回归拟合，得到单方机制砂用量m_s和单方粉煤灰用量m_FA与抗压强度的回归曲面关系，如图3所示。

由回归关系可知，单方机制砂和单方粉煤灰用量与不同龄期混凝土抗压强度具有一定的多因素回归相关性，均符合一定的三次回归曲面关系。

在单方机制砂和粉煤灰用量的交互影响下，混凝土早期抗压强度随着粉煤灰用量增加而减小，56d后呈现不同程度的增大。粉煤灰的火山灰效应相对于水泥的水化反应具有一定的滞后性，所以机制砂粉煤灰混凝土的早期强度相对较低，并随粉煤灰替代水泥量的增加早期强度有一定的下降趋势，但随着粉煤灰活性被激发，后期强度发展较快，且随着粉煤灰取代率的增大，后期强度的增大趋势越明显。这表明粉煤灰取代率存在一个合理范围，可使得混凝土抗压强度达到最优。粉煤灰取代率不同，混凝土的抗压强度随着机制砂用量的变化未表现出显著的规律性，有待进一步研究。

2.4单方机制砂和矿物掺合料用量对抗压强度的影响及相关性

对试验数据进行多因素回归拟合，得到单方机制砂用量m_s和单方矿物掺合料用量m_FS与抗压强度的回归曲面关系，如图4所示。

由回归关系可知，单方机制砂和矿物掺合料与各龄期抗压强度具有一定的多因素回归相关性，其中与7、84d抗压强度呈四次曲面关系，与14、28d以及56d呈二次曲面关系。

机制砂用量不同，混凝土抗压强度大体上随单方矿物掺合料用量的增加呈先减小后缓慢增大的趋势。矿物掺合料取代率不同，机制砂用量对混凝土抗压强度的影响存在正、负效应。由于机制砂表面粗糙、有凸出的棱角，增加了胶凝材料水化产物与集料间的机械咬合力，有助于混凝土强度的提高。同时，机制砂中石粉的微集料效应和微晶核效应，也使混凝土强度有所提高。然而，随着矿物掺合料增多，混凝土内部孔隙已被矿物掺合料的水化产物填充密实，过量石粉反而会影响水泥石与集料间的结合力，增加了有害孔隙，降低了抗压强度。

3结语

以C40级机制砂混凝土为研究对象，通过矿物掺合料机制砂混凝土抗压强度试验，可以得到以下结论：①在其他因素相同的情况下，使用机制砂部分取代天然砂并未对混凝土抗压强度造成不利影响。②当龄期大于28d后，单方水泥用量较小时，混凝土抗压强度随机制砂用量的增加而增大；反之，混凝土抗压强度随机制砂用量的减小而减小。③机制砂用量较小时，增加单方水泥用量可提高混凝土的抗压强度；当机制砂用量较大时，增加单方水泥用量并不能提高混凝土的抗压强度，甚至会造成抗压强度下降。④矿物掺合料取代率不同，机制砂掺量对混凝土抗压强度的影响未表现出显著的一致性规律。

随着工程建设用砂需求量和天然砂供应量之间供需矛盾日趋紧张，在水利工程建设过程中，大量使用机制砂配制混凝土已成为必然趋势。建议进一步研究多种材料因素对机制砂混凝土基本力学性能、抗裂、抗冻融等性能的交互影响，为制备出工作性能和耐久性更好的机制砂混凝土提供理论和技术支撑，以满足水利工程建设发展的需要。

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