摘要：針對安徽省建筑用砂的特點，采用細河砂與機制砂混摻，配制C30高性能混凝土，通過正交試驗優化混凝土配合比。試驗結果表明，用60％的機制砂與40％的天然細砂作為細骨料，能夠滿足高性能混凝土的各項技術指標要求，與天然中砂相比。其力學性能和耐久性能更為理想。
摘要：針對安徽省建筑用砂的特點，采用細河砂與機制砂混摻，配制C30高性能混凝土，通過正交試驗優化混凝土配合比。試驗結果表明，用60％的機制砂與40％的天然細砂作為細骨料，能夠滿足高性能混凝土的各項技術指標要求，與天然中砂相比。其力學性能和耐久性能更為理想。
關鍵詞：機制砂；高性能混凝土；正交試驗；力學性能；耐久性
0 前言
長江和淮河兩大河流橫貫安徽省內，過去建筑用砂主要來自這兩大河流。隨著開采量的增大，河砂質量日益下降，基本以細砂為主，但高性能混凝土對建筑用砂提出了越來越高的要求，細砂已不能滿足工程需求，且隨著環保力度的加大，禁采范圍越來越廣。混凝土長期以河砂為細骨料的安徽省不得不探求砂資源的可持續發展，機制砂引起了越來越廣泛的關注和研究。就全國范圍來看，使用機制砂替代河砂已成為混凝土行業可持續發展的一種趨勢[1-3]。
機制砂是由機械破碎、篩分制成的粒徑小于4.75mm的巖石顆粒，但不包括軟質巖、風化巖石的顆粒，由機制砂和天然砂混合制成的砂為混合砂[4]。安徽省境內用來生產機制砂的巖石分布比較廣泛，儲量豐富，可緩解河砂緊張狀況[5]；且機制砂可以就近開采就地使用，節省運費，為砂資源的可持續發展提供一條道路。
本文對省內主要機制砂產區進行了考察，不同產地機制砂性能指標見表1。
從表1可以看出，省內機制砂以中粗砂為主，這與其它省份機制砂的細度模數一致[6]。結合省內建筑用砂以細砂為主的實際情況，本文采用細砂和機制砂混摻制得中砂，以滿足高性能混凝土建筑用砂的需求，提高混凝土性能。
1 原材料
水泥：P.O42.5級硅酸鹽水泥。
細骨料：六安產細河砂，細度模數1.8，屬III區，顆粒級配見表2；六安產中砂，細度模數2.8，屬II區，顆粒級配見表3；機制砂為廬江產，細度模數3.5，屬I區，顆粒級配見表4，其中石粉含量為10％。
粗骨料：巢湖散兵碎石，連續粒級5-25mm。
粉煤灰：淮南I級粉煤灰。
外加劑：合肥產中效減水劑，摻量為膠凝材料的2.3％，減水率為13.8％。
以上原材料經過試驗，其性能指標均符合相應的規范、標準要求。
2 試驗方法
混凝土力學性能按GBT 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，混凝土耐久性能按GBT 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行，其中抗氯離子滲透試驗采用RCM法進行，干縮試驗采用弓形螺旋測微計測量。
3 試驗結果與分析
3.1 C30高性能混凝土配合比的優選
本試驗混凝土配合比的計算采用重量法，C30初步配合比如表5所示。
以C30高性能混凝土為研究對象，采用正交試驗優化混凝土配合比，考察影響混凝土性能的關鍵因素，如表6所示。
由表6正交試驗L9（34）可知，C30混合砂泵送混凝土理論最優配比的主次順序為：坍落度→C1B2A1D1；7d抗壓強度→A2C2B2D2；28d抗壓強度→A1C2B2D1。對混凝土和易性和7d、28d抗壓強度而言，C2B2即砂率41％和外加劑摻量2.3％是該試驗的最優摻量。在以往實際試驗的基礎上，粉煤灰摻量為15％對混凝土的和易性和長期耐久性起積極作用，因此，粉煤灰摻量確定為15％。從正交表可知，影響坍落度的順序從主到次為：C→B→A→D，影響7d、28d抗壓強度的主次順序為：A→C→B→D。由此可以看出，因素D（細度模數）即機制砂與河砂的混合比例在四個因素中占最次要位置，考慮到機制砂砂源廣，價格便宜且質量可以人為控制，將機制砂摻量由40％提高到60％，即細度模數由2.6提高到2.8。因此，C30機制砂高性能混凝土的最優配比確定為A2C2B2D3。
3.2 C30混合砂混凝土與河砂混凝土性能試驗結果
以正交試驗的最優配合比為基礎，將混合砂用細度模數相同的河砂代替，研究兩種混凝土施工性能、強度和耐久性能，為工程實際和科學研究提供參考。
3.2.1 工作性和強度
表7、表8分別為混合砂和河砂混凝土的配合比、工作性能與力學性能。
省內機制砂篩余0.315mm以下所占的比例較小，僅有10％左右，而天然細砂的粒徑主要集中在0.315mm以下，與機制砂復合正好可填補0.315mm以下的累計篩余，使細骨料具有良好的級配。與此同時，天然砂可減小機制砂之間的內摩擦力，從而獲得良好的施工性能，因此，混合砂混凝土的和易性和流動度接近天然中砂混凝土的，甚至工作性能更好。
混合砂混凝土28d抗壓強度、抗折強度和劈裂強度均高于河砂混凝土，其中抗壓強度提高12％，抗折強度提高10％，劈裂強度提高7％。這是因為：首先，機制砂表面結構優于天然河砂，其表面沒有風化層，均是新鮮的巖面且棱角豐富，與水泥漿的咬合力增大；其次，機制砂中含泥量較小，機制砂中低強度的輕物質含量較河砂少；第三，機制砂中含有5％一15％左右的石粉，石粉彌補了機制砂中細顆粒偏少的缺陷，有效填充了細骨料間的孔隙，不但使混凝土中的毛細孔得到細化，孔隙率減小，混凝土更加密實，而且改善了水泥漿與骨料間的粘結，使機制砂混凝土的斷裂能比同條件下河砂混凝土的斷裂能大。同時，在中低強度等級混凝土中，石粉在水泥水化過程中起到一定的晶核作用，誘導水泥水化產物析晶，可加速水泥水化并參與水化物的形成[7]。因此，機制砂混凝土的抗壓、抗折、劈裂強度均優于河砂混凝土。
3.2.2 耐久性
分別對表7中的混合砂混凝土和河砂混凝土做抗滲性能和干縮性能進行試驗研究。其結果見表9。
從表9可以看出，混合砂混凝土的氯離子擴散系數為1.62x10-8cm2/s，河砂混凝土的氯離子擴散系數為1.81x10-8cm2/s，均可滿足高性能混凝土氯離子擴散系數不大于300x10-14m2/s，（即3x10-8cm2/s）的要求，這表明C30混合砂混凝土和河砂混凝土具有較好的抗氯離子滲透性能。混合砂混凝土的氯離子擴散系數比河砂混凝土的降低了10.5％，說明混合砂混凝土的抗滲性能比相同細度模數的河砂混凝土抗滲性能好。這可能是機制砂等量取代河砂后，機制砂中的石粉起到了分散水泥粒子的作用，使水泥水化更加均勻、一致，生成的水泥石中有害的大孔減少，封閉的小孔增多，從而改善了混凝土的孔隙結構，降低了氯離子擴散系數，提高了抗滲性能，增強了抵抗外界侵蝕環境的破壞能力。
從表9中還可以看出，除早期（即1d、3d）河砂混凝土的干縮值低于混合砂混凝土外，7d以后河砂混凝土的干縮值都高于混合砂混凝土的。這可能是C30混凝土中膠凝材料用量較少，機制砂中的石粉含量相當于增加了漿體的體積，填補了混凝土骨料之間的空隙，使新拌混凝土的工作性隨石粉含量的增加逐步改善，密實度提高，對干縮的抑制能力增強。
4 結論
（1）利用正交試驗對C30混合砂高性能混凝土配合比進行優化，試驗結果表明：用60％的機制砂與40％的天然細砂作細骨料能配制出和易性、力學性能良好的高性能混凝土。
（2）通過正交試驗得出的混合砂混凝土最優配比與細度模數相同的河砂混凝土進行耐久性能試驗，結果表明，機制砂混凝土的抗氯離子滲透性能和干縮性能均優于河砂混凝土，說明混合砂混凝土配合比進行合理優化后，其耐久性也優于河砂混凝土。
（3）結合實際情況，省內中粗機制砂和天然細砂按合適比例混摻后可以替代河砂配制高性能混凝土，緩解省內建筑用砂矛盾，不僅具有一定的經濟性和適應性，還具有一定的環境效益和社會效益。由于機制砂的生產不受氣候、季節的影響，在生產工藝上能有效控制，因而其性能指標相對穩定，對混凝土拌合物性能、力學性能及耐久性能都有明顯改善，有利于提高建筑工程的質量。
參考文獻：
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【4】Zhou Mingkai，Peng Shaoming，Xu Jian，eta1.Elect of Stone Powder on Stone Chippings Concrete[J]Journal of Wuhan Univeraity of Technology，1996，Il（4）：29—34.
【5】胡曉曼，彭建和，等。水利工程建設使用人工砂的技術經濟分析[J].江淮水利科技，2009，22（4）：26-27.
【6】方銳，陳衛兵，等。重慶地區機制砂的性能研究及工程應用田。交通科技與經濟，201 l，63（1）：27-29.
【7】Zhou Mingimi，Peng Shaoming，XuJian，et a1.Elect of Stone Powder on StoneChippings Concrete[I] Journalof Wuhan University of Technology。1996，11（4）：29—34.
編輯：ls
