李立志 余健 孙正杰
中建二局第三建筑工程有限公司天津分公司 天津 300300
摘要：对掺入不同掺合料的机制砂掺合料混凝土进行冻融循环试验，对不同冻融循环次数下的混凝土试块进行抗压强度、相对动弹性模量等物理力学性能进行测试，通过其变化规律，研究不同掺合料对机制砂混凝土物理力学性能的影响。研究表明：随着冻融循环次数的不断增多，各组机制砂掺合料混凝土的质量损失率、相对动弹性模量、抗压强度损失率均呈现出下降趋势，相对于无掺合料的对照组而言，其他试验组的下降速率明显较慢，而复掺试验组的下降速率最慢。由此可见，混凝土掺和料在机制砂混凝土中同样具有良好的工作性能促进作用，掺合料能明显改善混凝土的抗压强度损失率、质量损失率等物理力学性能。相较于单一掺合料混凝土，在一定比例下的复掺混凝土具有更加优良的工作性能，它同时具有多种掺合量的特性，使混凝土的耐久性进一步提高。
关键词：机制砂混凝土；掺合料；冻融循环；物理力学性能；耐久性
引言
近年来，随着建筑行业的蓬勃发展，混凝土的用量在不断增加，天然砂用量也日趋增多，导致天然砂资源日益短缺，需求量增大，价格不断攀升，质量却大不如前，这严重影响了工程建设的发展进程。因此，以机制砂替代天然砂投入到建筑工程中势在必行。机制砂具有取材范围广、颗粒级配稳定、自然资源利用率高等优点，尤其是对环境的影响较天然砂要小，机制砂可利用尾矿、工业废料等各种废弃资源，适当分选与加工尾矿，不少尾矿就可以利用机制砂设备制成人工砂石，既解决了减少了工业废料对生态环境的污染，又提高了自然资源的利用率，完全符合循环经济和科学发展观的要求[1]。
机制砂与天然砂在粒径、级配、细度模数等方面还是存在相当差异的。因此，用机制砂替代天然砂配制混凝土，就必须要深入研究机制砂混凝土的各项物理力学性能及耐久性能，以确保机制砂混凝土在工程中的应用可靠性[2]。
本文针对于不同掺合料的机制砂掺合料混凝土在冻融循环作用下的物理力学性能进行了研究，分析不同掺合料对混凝土在冻融循环后的抗压强度、相对动弹性模量、质量损失率等物理力学性能的变化，为机制砂混凝土的抗冻性设计提供参考。
1试验原材料及混凝土配合比设计
本试验拟对C40机制砂掺和料混凝土冻融循环后的物理力学性能进行一系列研究，用大量的理论知识和实验数据说明机制砂掺和料混凝土在建设工程中的可靠性。
1.1试验原材料
水泥：采用山水集团生产的普通硅酸盐P·O 42.5水泥，水泥的主要技术指标如表1.1。
2试验方案
2.1研究内容
本试验利用“快冻法”[3]对机制砂掺和料混凝土冻融循环后的物理力学性能变化做了以下研究：
（1）对掺入不同掺合料的机制砂掺合料混凝土进行冻融循环试验，对不同冻融循环次数下的混凝土试块进行抗压强度、相对动弹性模量等物理力学性能进行测试，通过其变化规律，研究不同掺合料对机制砂混凝土物理力学性能的影响；
（2）对无掺合料的机制砂混凝土、单一掺合料的机制砂混凝土、复掺的机制砂混凝土进行冻融循环试验，研究其物理力学性能在不同冻融循环次数下的变化规律。
2.2试件的制作
本试验研究机制砂掺合料混凝土经冻融循环后的物理力学性能，需要对混凝土试件进行冻融循环试验，因混凝土冻融循环设备的限制，混凝土试块规格只能选择100mm×100mm×400mm，至于抗压强度测试，则由冻融循环标准试件切割成4个规格为100mm×100mm×100mm的正方体试件进行试验，然后再由强度转化进行转化[4]。
本试验制作A、B、C、D 4组混凝土试件，每组10个，共40个混凝土试件，每组预留1块试件，进行未经冻融循环的物理力学性能试验。以无掺和料的对照组为A组，试块分别编号A1～A10；以粉煤灰（占胶凝材料的20%）为掺和料的混凝土试块为B组，试块编号为B1～B10；以硅灰（占胶凝材料的8%）为掺和料的混凝土试块为C组，试块编号为C1～C10；以粉煤灰（20%）、硅灰（5%）为掺和料的复掺机制砂混凝土试块为D组，试块编号为D1～D10。具体混凝土试件的规格与分组如表2.1所示。
2.3试验流程
（1）对于进行冻融循环的每组试块，每10次冻融循环，每组分别取出3 个试块，擦干表面水分，测量一次试块质量和动弹性模量，并观察其外观变化，每组分别预留一个试块，切割成4个100mm×100mm×100mm的正方体试块后，进行抗压强度测试，并做下记录。
（2）进行混凝土冻融循环试验时，在冷冻和融化的变化过程中，试件中心最低和最高温度分别控制在(－18 ± 2) ℃ 和( 5 ± 2) ℃[5]。在任意时刻，试件中心温度不高于 7 ℃，且不低于－20 ℃。每次冻融循环均在2 ～ 4 h 内完成，其中用于融化的时间不小于整个冻融时间的1 /4[6]。
（3）每0次、10次、20次、……、80次、90次冻融循环后，都要对试件进行质量、动弹性模量和抗压强度的测试，并对测试结果做详细记录，为后期的数据处理提供一手资料。
3试验结果与分析
本试验针对不同掺合料在机制砂混凝土冻融循环后的物理力学性能作了数据采集，并将数据整理归纳，如图3.1～图3.3所示。
3.1质量损失率
图3.1 各组混凝土试块的质量损失率随冻融循环次数的变化关系
由图3.1可以看出，A组混凝土试块的质量损失率最大，而D组混凝土试块的质量损失率最小，B、C组混凝土试块的质量损失率相差不多，但B组略高于C组。
A组混凝土试块的原材料中无掺合料，其他组均有掺合料掺入，显然，适量的掺合料可以使冻融循环过程中的混凝土质量损失率降低。本试验选择了国标Ⅱ级粉煤灰、硅灰作为混凝土掺合料，B组的混凝土试块中掺有占胶凝材料20%的 Ⅱ 级粉煤灰，C组的混凝土试块中掺有占胶凝材料8%的硅灰，两组混凝土试块的质量损失率相近，但作用机理不同。粉煤灰可以有效减少混凝土的泌水，从而减少了混凝土的用水量，降低了混凝土的水化热，有效防止了因温差大而导致的混凝土结构开裂，使混凝土的耐久性提高。B组混凝土试块在冻融循环过程中，由于粉煤灰的作用，微裂缝扩展不明显，时混凝土的剥落只局限于表层，从而降低了混凝土的质量损失率。硅灰比重小，比表面积较大，能有效增强混凝土的保水性和粘聚性。C组混凝土试块在冻融循环过程中，由于硅灰的特性，使其骨料 与胶凝材料见得粘聚性大大增强，混凝土剥落减少，导致混凝土的质量损失率降低。至于D组，其中复掺了20%的 Ⅱ 级粉煤灰和5%的硅灰，使其即具有粉煤灰的特性，又具有硅灰的特性，从而大大减少了混凝土的质量损失，提高了混凝土的耐久性。
3.2相对动弹性模量
图3.2 各组混凝土试块的相对动弹性模量随冻融循环次数的变化关系
由图3.2可以看出，冻融循环次数低于50次时，各组混凝土试块的相对动弹性模量均呈线性下降趋势，且其下降程度基本相同。随着混凝土冻融循环次数的不断增多，各组之间的下降速率开始发生明显差异。A组混凝土试块的相对动弹性模量下降最快，且在冻融循环60次以后，下降速率明显加快。其他三组的相对动弹性模量的下降速率大致相同，以D组的下降最不明显。
3.3抗压强度损失率
图3.3 各组混凝土试块的抗压强度损失率随冻融循环次数的变化关系
在图3.3的显示中可知，A组的抗压强度损失率，从冻融循环刚开始便明显大于其他三组，说明其抗压强度降低较明显。B、C、D三组，在混凝土冻融循环30次之前，其抗压强度损失率基本一致，冻融循环30次往后，发生较大变化。B、C两组的混凝土抗压强度损失率曲线大致相同，都要大于D组，但小于A组，这也说明了混凝土掺合料能有效减小混凝土在冻融循环过程中的抗压强度损失率。当冻融循环达到90次时，B、C、D三组的混凝土抗压强度损失率已趋向于同一点，混凝土的抗压强度损失以即将达到临界值，即混凝土的抗压强度损失率即将达到35%，当混凝土的抗压强度损失率即达到35%时，便表示该混凝土试件已遭到破坏。此时，D组的混凝土试块仍具有一定的抗压强度，这充分显示了复掺混凝土工作性能要大于单一掺合料的混凝土。
4结论
由上述试验研究表明，随着冻融循环次数的增加，各组机制砂掺合料混凝土的物理力学性能均呈现下降趋势，以无掺合料的对照组下降最为明显，而复掺的掺合料混凝土下降速率最小，耐久性最高。
对于机制砂掺合料混凝土，粉煤灰可在一定程度上改善其和易性，增大混凝土的流动性，增加混凝土的粘聚性，这对于泵送混凝土来说十分有利，除此之外，粉煤灰还可以减少泌水，从而使混凝土用水量大大减少，降低了混凝土的水化热，有效防止了因温差大而导致的混凝土结构开裂；硅灰，其颗粒表面光滑，能充分填补混凝土骨料间的超细孔洞，使其强度提高。由此可见，混凝土掺和料在机制砂混凝土中同样具有良好的工作性能促进作用，掺合料能明显改善混凝土的抗压强度损失率、质量损失率等物理力学性能。相较于单一掺合料混凝土，在一定比例下的复掺混凝土具有更加优良的工作性能，他同时具有两种掺合量的特性，使混凝土的耐久性进一步提高。
参考文献：
[1]刘正和.混凝土骨料:近忧与远虑——访北京建筑工程学院陈家珑教授[J].混凝土世界,2010，（8）：12-15.
[2]陈家珑,周文娟.我国人工砂的发展与问题探讨[J].建筑技术,2007，（11）：849-852.
[3]王永红，陶峰，饶红胜，王瑜.基于快冻法的多孔混凝土抗冻性研究[J].公路交通科技，2007，（4）：16-18.
[4]张冬梅.浅谈影响混凝土强度的主要因素[J].科技信息,2014，（3）：204，251.
[5]Reza Abbaszadeh, Amir Modarres.Freeze-thaw durability of non-air-entrained roller compacted concrete designed for pavement containing cement kiln dust[J].Cold Regions Science and Technology,2017，（5）：16-27.
[6]彭高举，陈正发，刘桂凤等.机制砂混凝土的冻融和盐侵蚀耐久性[J].科学技术与工程，2016，（9）：259-264.
作者简介：
[第一作者] 李立志，男，（1993.11—），山东理工大学，本科，中建二局三公司天津分公司徐州煤机厂项目技术员。
[第二作者] 余健，男，（1990.3—），南京理工大学，硕士研究生，中建二局三公司天津分公司徐州煤机厂项目副总工。
[第三作者] 孙正杰，男，（1995，3—），江苏科技大学、本科，中建二局三公司天津分公司徐州煤机厂项目技术员。
论文作者:李立志,余健,孙正杰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第28期
论文发表时间:2019/1/3
标签：混凝土论文; 损失率论文; 抗压强度论文; 机制论文; 掺合论文; 弹性模量论文; 物理论文; 《防护工程》2018年第28期论文;