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机制砂水工混凝土力学与抗渗性能试验研究

2024-11-18 73 上传者：管理员

摘要：依托江苏常州某河道工程采用机制砂取代天然河砂制备水工混凝土，并对混凝土坍落度、力学性能、抗渗性能及微观结构等方面进行试验。试验结果表明，随着机制砂取代率的提高，机制砂表面粗糙与泥含量导致混凝土坍落度、强度与弹性模量呈现降低趋势。混凝土渗水高度随着机制砂取代率提高呈现先增大后趋于平缓的趋势。对混凝土内部微观结构观察发现机制砂取代率越高，内部孔隙越多，且内部未参与反应C-H晶体越多。

关键词：
力学性能
微观结构
抗渗性能
机制砂
水工混凝土
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天然河砂被用作建筑材料沿袭数千年，经多次实践证明其作为建筑材料的可靠性和稳定性[1,2]，但随着建设项目与日俱增，混凝土用量越来越大，对砂子需求也越来越大。同时，随着我国环境保护要求的提高，天然砂资源越来越紧缺、价格也不断给混凝土的供应带来了较大的挑战[3-5]。在资源有限和环境保护双重因素下，机制砂将是今后混疑土工程发展主要方向。

为拓展机制砂在混凝土中更广阔的应用，依托江苏常州某河道工程，采用本地产的机制砂取代天然河砂制备堤坝混凝土，并开展混凝土坍落度、力学性能及抗渗性能等方面试验研究，以期试验结果对混凝土的制备及工程推广有积极意义。

一、原材料与试验方法

1．原材料

胶凝材料选用P·O42.5普通硅酸盐水泥，粗骨料选用粒径4.75～31.5mm玄武岩石子，整体连续级配。细骨料选用江苏常州本地河沙以及本地生产的机制砂，细骨料的颗粒级配如图1所示，具体性能指标如表1所示。外加剂选用上海臣启生产粉末状聚羧酸减水剂，型号CQJ-JSS02，减水率≥25%。

图1 细骨料的颗粒级配示意图

表1 细骨料的性能

2．试验方法

坍落度测试方法参照《混凝土质量控制标准》（GB50164-2011）进行；

混凝土强度试验参照《混凝土强度检验评定标准》（GB/T50107-2010）进行，混凝土抗压强度试件尺寸为150mm×150mm×150mm，采用DYE-3000型混凝土压力试验机进行强度测试；

混凝土渗透性参照《混凝土结构设计规范》（GB/T50082-2009）进行，采用渗水高度法进行试验，测试混凝土在恒定水压下的渗水高度；

对混凝土局部进行切片及样品制备，采用Sigma 300扫描电镜设备对制备样品进行成像处理，观察混凝土内部结构与分布情况。

3．试验方案

以AC为机制砂取代河砂制备混凝土的编号，总共配置5组混凝土，具体混凝土配比及坍落度如表2所示。

表2 混凝土的配合比设计

二、结果与讨论

1．机制砂取代率对混凝土坍落度的影响

在拌合结束后按照规范对混凝土坍落度进行测试，混凝土坍落度试验结果如图2所示。

图2 混凝土坍落度测试

如图2所示，0%机制砂取代率下混凝土坍落度为200mm，而随着机制砂取代率的增加，混凝土坍落度也随之降低，100%机制砂取代率制备的混凝土坍落度仅为172mm，混凝土的坍落度降低了14%。这是由于河砂颗粒与机制砂颗粒相比，其表面在自然环境中风化打磨后趋于圆形且光滑，用于制备混凝土使得混凝土具有良好的坍落度。另一方面，对比机制砂的亚甲蓝值可知机制砂的含泥量较河砂比较多，在制备混凝土过程中，泥颗粒会吸收一部分拌合水，导致混凝土的坍落度降低。

2．机制砂取代率对混凝土抗压强度和弹性模量的影响

通过两类不同机制砂掺量下混凝土强度的测试，得到0%～100%掺量下机制砂混凝土的7d和28d抗压强度及应力应变试验曲线，并计算混凝土的弹性模量，试验结果如图3～图5所示所示。

图3 不同机制砂取代率下混凝土的应力应变曲线

图4 机制砂取代率对混凝土强度的影响曲线

图5 机制砂取代率对混凝土弹性模量的影响

从图3可以看出，在7d时，随着机制砂取代从0%增加到100%，混凝土破坏时的峰值应变从1,300增加到1,580，而强度从31.2MPa降低至24.7MPa。在28d时，随着机制砂取代率的增加，混凝图破坏时的峰值应变于强度变化趋势与7d时保持一致。比较可以得知，随着养护时间的增长和机制砂取代率的增加，混凝土破坏时的峰值应变增长较大，而强度的增长较为缓慢。

取混凝土的峰值强度绘制曲线，并对其进行数据拟合分析，如图4所示。7d与28d数值模拟公式为：

公式（1）和公式（2）中y为混凝土的强度，x为机制砂的取代率。比较拟合公式可知，随着养护时间的增长，机制砂对混凝土强度的波动性影响增大。

计算不同机制砂取代率下混凝土的弹性模量并绘制成曲线，如图5所示。从图中可以看出在7d时，机制砂取代率从0%增加至100%，混凝土的弹性模量从2.4×104/MPa降低至1.6×104/MPa；在28d时，混凝土的弹性模量随机制砂取代率从0%增加至100%其弹性模量从3.5×104/MPa降低至2.1×104/MPa。比较可以得知，随着养护时间的增长，混凝土的弹性模量也随之增长，但同时机制砂取代率越高，混凝土弹性模量增长的速度越慢。对7d和28的混凝土弹性模量进行数值模拟分析，得出如下公式：

公式（3）和公式（4）中y为混凝土的弹性模量，x为机制砂的取代率。比较可知，随着养护时间的增长，机制砂对混凝土弹性模量的波动性影响不明显。

3．机制砂取代率对混凝土渗水高度的影响

通过测试不同试件的渗水高度来衡量混凝土的抗渗能力，试验结果如图6所示。

图6 机制砂取代率对混凝土渗水高度影响

随着机制砂取代率从0%增加到50%，混凝土的渗水高度程度从85mm增加至103mm，但是随着机制砂取代率进一步增加，从50%增加至100%，混凝土的渗水高度趋于平缓，增加并不明显。分析认为，混凝土在不掺加机制砂时，混凝土内部水泥水化完全，过水通道完整，结构密实。机制砂掺入后，一方面机制砂的表面的不规则性使得与胶凝材料无法完全结合，增大了过水通道，另一方面，机制砂中含泥颗粒吸水导致水泥水化不完全也使得泥颗粒成为混凝土内部孔隙的连接通道，从而使得混凝土内部过水通道多，结构不密实。

4. SEM试验

试验选取了0%(AC0）、50%(AC50）和100%(AC100）三组配比及逆行扫描电镜（SEM）试验，如图7所示。

图7 混凝土内部微观结构图

从SEM的微观表现来看，0%机制砂取代率的混凝土体系内絮状物成团并且呈现堆积紧密状态，孔隙结构密实。而50%和100%机制砂取代率的混凝土内部胶凝材料体积减少，存在一定量的过水通道。可以观察到图7(b）和图7(c）中存在部分未反映的C-H晶体，表明混凝土内部水泥水化并不完全，且AC100混凝土内部的C-H晶体数量更多，说明随着机制砂掺入的更多，阻碍了水泥的水化反映。混凝土的内部微观结构与混凝土的力学性能和渗水高度宏观表现试验结果一致。

三、结论

(1）对混凝土坍落度进行测试可知掺入机制砂越多，混凝土坍落度越低。

(2）随着机制砂取代率的提高，混凝土7d和28d强度呈现线性降低，随着养护时间增长，机制砂对混凝土强度波动性影响增大；同样混凝土的弹性模量也随机制砂取代率提高呈现线性降低，而机制砂对混凝土弹性模量的波动性影响不大。

(3）随着机制砂取代率提高，混凝土的渗水高度呈现先增大后趋于平缓的趋势。

(4）结合扫描电镜对混凝土内部微观结构进行观察，随着混凝土取代率提高，混凝土内部孔隙增多，同时机制砂取代率越高，混凝土内部未参与水化反应的C-H晶体越多。

参考文献:

[1]刘楠楠,任义成,张猛等.掺部分河砂活性粉末混凝土力学性能试验研究[J].混凝土,2023,(5):180-183.

[2]王娅鸿.某渡槽混凝土配合比试验中机制砂与天然河砂对比分析[J].河南水利与南水北调,2023,52(10):111-112.

[3]尹耀霄,张宇,陈帅等.机制砂石的应用与发展综述[J].节能,2022,41(4):84-86.

[4]谢开仲,刘振威,盖炳州等.机制砂混凝土应力-应变试验研究[J].硅酸盐通报,2020,39(12):3823-3831.

[5]徐建光,聂志超,王恒等.机制砂掺量对海工高性能混凝土的影响研究[J].混凝土,2020,(7):78-80.

文章来源:杨文荣.机制砂水工混凝土力学与抗渗性能试验研究[J].中国水运(下半月),2024,24(11):129-131.