花岗岩机制砂对混凝土力学性能的影响研究

花岗岩机制砂对混凝土力学性能的影响研究

花岗岩机制砂对混凝土力学性能的影响研究

李强

摘要：

　　本文利用花岗岩机制砂取代部分河砂配制混凝土，开展了抗压、抗折、劈拉强度试验，研究分析了花岗岩机制砂掺量对混凝土力学性能的影响规律。结果表明：随着花岗岩机制砂掺加比例增加，混凝土力学性能均呈先增大后减小的趋势，对于最大抗压、抗折和劈拉强度而言，最佳机制砂掺量分别为10wt%、10wt%和15wt%，这主要是由于石粉的填充效应以及机制砂与水泥浆体之间具有更大的粘结力。

关键字：花岗岩机制砂；最佳掺量；力学性能；强度；石粉

1 引言

砂作为混凝土的必需原材料之一，用量占到混凝土总体积的30%左右，其质量对于新拌及硬化混凝土的性能有着重要影响。随着天然砂资源的日趋匮乏及对环境保护的加强，机制砂逐渐成为我国混凝土用砂的主要来源，部分地区机制砂的应用比例已达50%。机制砂是岩石经机械破碎而成，机制砂区别于河砂的显著特点是粒形尖锐、表面粗糙且含有一定数量的粒径＜75μm的石粉。众多研究表明，以适当比例的机制砂取代河砂能够提高混凝土力学性能，但在最佳石粉掺量方面大家意见不一。因此，本文开展了不同花岗岩机制砂/河砂配比的混合砂混凝土的基本力学试验，探究花岗岩机制砂取代比例对混凝土力学性能的影响，为机制砂在实际工程的应用提供参考。

2 原材料和试验方法

2.1 原材料

①水泥：P·O42.5水泥，物理力学性能见表1。②粗集料：5.00mm~20.00mm连续级配花岗岩碎石，表观密度2710千克每立方米，压碎值8.0%。③细集料：花岗岩机制砂、天然河砂。两者筛分、物理力学性能测定结果见图1和表2。④外加剂：聚羧酸高性能减水剂，含固量18.3%，减水率28.4%。⑤配合比：本试验用混凝土配合比如表3所示。
 

表1 水泥的物理性能

表2 机制砂与河砂的物理力学性能

图1 机制砂、河砂颗粒级配曲线
 

表3 混凝土配合比（千克每立方米）

2.2 试验

混凝土试件成型后，在温度20±2℃，相对湿度95%以上的标准养护室中养护，达到规定龄期（7d、28d）后，按照GB/T50081-2002标准进行力学性能测试。硬化混凝土抗压、抗折和劈拉强度测试使用试件尺寸分别为150mm×150mm×150mm、150mm×150mm×550mm和150mm×150mm×150mm。

3 结果与讨论

3.1 抗压强度

表4给出了各组混凝土力学性能试验结果。花岗岩机制砂掺量对S0~S20组混凝土抗压强度的影响如图2所示。可以看出，S0组纯河砂混凝土的28d龄期抗压强度为36.2MPa，S5~S20组混凝土具有更高的28d龄期的抗压强度，分别为48.2MPa、49.5MPa、43.2MPa和40.5MPa，相比S0分别提高了33.1%、36.7%、19.2%和11.9%。这说明，花岗岩机制砂掺量在20wt%以内时，随着掺量的增加，抗压强度先增大后减小，其中提高抗压强度的最佳掺量为10wt%，当掺量达到20wt%时，对抗压强度的提高相对较小，但强度值依然大于纯河砂S0组混凝土。
 

表4 混凝土力学性能试验结果（MPa）

图2 花岗岩机制砂掺量对混凝土抗压强度的影响
 

3.2 抗折强度

图3给出了不同掺量花岗岩机制砂对S0~S20组混凝土抗折强度的影响。可以看出，S0组纯河砂混凝土的28d龄期抗折强度为3.29MPa，S5~S20组混凝土具有更高的28d龄期抗折强度，分别为2.59MPa、3.31MPa、2.83MPa和2.33MPa，相比S0分别提高了12.4%、44.3%、18.2%和0.91%。这说明掺量在20wt%以内时，花岗岩机制砂对混凝土的抗折强度和抗压强度具有相同的影响规律，即：随着掺量的增加，抗折强度先增大后减小，提高抗折强度的最佳掺量为10wt%，当掺量达到20wt%时，其抗折强度与S0组纯河砂混凝土的抗折强度几乎持平。

3.3 劈拉强度

图4给出了花岗岩机制砂在20wt%掺量内变化对试验混凝土劈拉强度的影响。可以看出，S0组纯河砂混凝土的28d龄期劈拉强度为2.65MPa，S5~S20组混凝土28d龄期劈拉强度分别为2.73MPa、3.05MPa、3.48MPa和2.50MPa，其中相比S0，S5~S15分别提高了3.02%、15.09%和30.1%，而S20降低了5.6%。这说明掺量在20wt%以内时，随着花岗岩机制砂掺量增加，混凝土劈拉强度逐渐增加到最大值，然后迅速降低，这与抗压、抗折强度试验规律相同。而当混凝土取得最大劈拉强度值时，花岗岩机制砂最佳掺量为15wt%，这与抗压（10wt%）、抗折强度（10wt%）有所不同。另外，混凝土的劈拉强度在机制砂掺量为20%时明显低于基准组S0，而抗压、抗折强度相比S0组有微量增加。
 

图3 花岗岩机制砂掺量对混凝土抗折强度的影响
 

图4 花岗岩机制砂掺量对混凝土劈拉强度的影响
 

3.4 小结

花岗岩机制砂部分取代河砂增加了混凝土的抗压强度，最佳掺量为10wt%，此时混凝土的抗压强度高于其他组混凝土，28d龄期抗压强度相比基准组混凝土提高了36.7%。花岗岩机制砂对混凝土的抗折强度亦具有同样的影响规律，当掺量为10wt%时，抗折强度提高率最大为44.3%。而对于劈拉强度来说，花岗岩机制砂最佳掺量为15wt%，与最大抗压、抗折强度的最佳机制砂掺量(10wt%)不同。当机制砂掺量为15wt%和10wt%时，混凝土的劈拉强度相比基准组S0分别提高了30.1%和15.09%；掺量为20wt%时，混凝土的劈拉强度明显低于基准组S0。可见，集料特性对混凝土力学性能具有重要影响。而且花岗岩机制砂是岩石经机械破碎而成，粒形尖锐、表面粗糙，与水泥浆体之间机械啮合力大，粘结能力好于河砂，可以提高混凝土的力学性能，且机制砂中含有一定数量(5wt%~10wt%)粒径小于75μm的石粉。适量的石粉在混凝土体系中可以填充集料之间的空隙，起到微集料填充效应，同时改善混凝土微观结构，减少骨料—浆体界面过渡区有害裂缝，使水泥石更加密实，这些都有利于提高混凝土的强度。但是，当机制砂掺量过高时，会造成水泥浆体对集料的包裹不足而降低两者的粘结性能，削弱骨料的骨架作用和降低水泥石强度，从而降低混凝土强度。

4 结语

①花岗岩机制砂有利于提高混凝土的力学性能，主要是由于石粉的填充作用以及机制砂粗糙形貌增大了与水泥石之间的啮合力。对于最大抗压、抗折强度而言的最佳机制砂掺量为10wt%。

②对于最大劈拉强度而言，最佳花岗岩机制砂掺量为15%，此时劈拉强度提高了30.1%；而掺量为20wt%时的劈拉强度低于纯河砂混凝土，主要原因在于此时水泥浆体对集料的包裹不足。