机制砂与普通砂混凝土在不同砂率下的强度试验研究探讨

进年来，随着可开采的天然砂资源日益减少，特别是一些山区，偏远地区，石多砂少的现象尤为严重。将山石破碎为机制砂代替天然砂配置混凝土是混凝土材料发展的一个趋势。通过实地调研和查阅相关文献，发现大量的试验数据显示机制砂由于其良好的颗粒形状、较大的比表面积、适当的石粉掺量，使其强度高于普通砂。然而大部分商品混凝土公司则得出了完全相反的结论，认为在相同条件下，配置的机制砂混凝土强度不及普通砂。因此作者对机制砂混凝土的施工和易性、强度等性能产生了质疑。

针对文献资料与工程实例相矛盾的情况，文章试配了C30、C60两种强度的混凝土，通过改变机制砂混凝土和普通砂混凝土的砂率，并对他们的28d抗压强度进行测试、对比，结合相关文献进行分析，最终得出了在一定条件下两种混凝土的最佳砂率，并对砂率-强度曲线的变化规律进行了合理的解释。

1 试件制作

1.1 试验材料

水泥：32.5级普通硅酸盐水泥、52.5级普通硅酸盐水泥；

砂：天然河砂；

机制砂：镇江某公司破碎的山石砂；

石子：镇江市某采石场生产的石子，堆积密度1660kg/m3，表观密度2850kg/m3；

水：自来水。

1.2 配合比设计

为研究不同砂率下机制砂混凝土与普通砂混凝土的强度，根据《混凝土配合比设计规范》（JGJ55-2011）设计C30、C60混凝土配合比。在C30设计强度下：水泥325kg、水195kg、砂石1880kg；在C60强度下：水泥476kg、水195kg、砂石质量1730kg。C30、C60混凝土在不同砂率下的试验配合比详见表1和表2.

1.3 试块的制备与测试

1.3.1 试块的制备方案

准确称量各种物料，采用二次投料法进行拌制。采用HJW-60升混凝土强制式搅拌机，先将砂、水、水泥混合搅拌1min，然后加入石子搅拌30s。出料后装入150mm×150mm×150mm的试模中，特别注意的是要保证试块的密实度。再按照《混凝土强度检验评定标准》（GB/T50107-2010）将试块放入20摄氏度，湿度大于95%的标准养护室内，对其养护2d后拆模，继续养护26d。

1.3.2 坍落度测试方案

先将用于坍落度试验的各种器具经水润湿。在坍落度桶装料的过程中，拌合物分三层装入桶内，每次装到三分之一处，用捣棒插捣，插捣需由外至内，每次插捣需贯穿本层，插捣次数25次宜。混凝土填满坍落度筒并捣实后，用镘板刮去多余的混凝土，使混凝土上层表面与坍落度桶口齐平。然后垂直将坍落度筒提起，整个过程不要超过十秒，提筒的过程中注意上下垂直并不要左右晃动，最后用两把钢尺量出混凝土顶面到坍落度筒顶面的距离，即为该混凝土的坍落度。

1.3.3 抗压试验方案

试验机选取TYE-2000B型压力试验机，将试件的侧面置于压力板中心位置，调节送油阀调整试验机加载速率，持续加载直至试件破坏，记录破坏时的极限荷载值。

2 试验结果

表3为不同砂率的C30机制砂混凝土和普通混凝土的塌落度以及抗压强度的实测值；表4为不同砂率的C60机制砂混凝土和普通混凝土的塌落度以及抗压强度的实测值。

3 试验结果分析

3.1 C30机制砂与普通砂混凝土的强度对比分析

将C30机制砂与普通砂混凝土的试验数据绘制在图1上，横坐标为砂率，纵坐标为抗压强度值。通过对比发现：

（1）分析普通砂强度曲线：在32%～44%的砂率范围内，普通砂混凝土28d抗压强度随着砂率的提高而降低，且呈线性趋势。随着砂率的提高，混凝土中细骨料逐渐增加，粗骨料逐渐减少，这引起骨料与胶凝材料接触面面积的变化，细骨料较粗骨料有更大的比表面积，接触面积的增大在胶凝材料充足的情况下可以起到增加粘结层强度的作用，但是当胶凝材料不足时，过大的接触面无法都和胶凝材料结合，使得接触面存在没有粘结力的微裂纹，当混凝土受压时，这些微裂纹会逐渐的扩展，形成连续裂纹，使混凝土无法继续受压，降低了混凝土的抗压强度。而且这种对混凝土强度影响的情况随着混凝土强度的提高而越发的明显。

（2）分析机制砂强度曲线：机制砂混凝土28d抗压强度在砂率32%～44%之间呈现出U形，在39%处达到最低值。所以判定在C30的设计强度下，机制砂混凝土中机制砂的最佳砂率在44%左右。机制砂相对于普通砂而言具有较高的石粉等惰性粉料的含量，所以对于机制砂强度曲线的分析更侧重于石粉含量的影响。在砂率由32%～40%区间内，由于石粉是惰性材料不参与混凝土强度的形成，所以随着砂率的升高，单位体积里机制砂的用量也逐渐的升高，这也就提高了混凝土中惰性粉料的含量，大量的惰性粉料混合在机制砂与水泥的胶结层中，使混凝土的粘结层出现缺陷，这些缺陷在混凝土受压时很快就达到了极限，形成裂纹，随着压力的继续增大，这些裂纹继续扩展，使混凝土很快达到其抗压极限，并且这种粉料对强度的削弱作用随着砂率的提高而越来越明显；惰性的石粉虽然不能提供混凝土强度，但是这些石粉悬浮在混凝土中，可以起到晶核作用，吸引附近的水泥颗粒，加速水泥胶凝材料的析出，诱导水泥的水化反应，间接增强到了混凝土的强度，但是由于这种晶核效应对于粉料含量的要求比较苛刻，所以仅在一定含量下作用效果才比较明显，过多或过少都会大大降低晶核诱导水泥水化的反应，所以仅在42%砂率处出现突变，混凝土的强度突然提高。

（3）综合分析2条曲线，在《混凝土配合比设计规范》（JGJ55- 2011）推荐砂率下，发现机制砂混凝土的强度在砂率为32%～41%区间内时低于普通砂，在41%～44%时超过普通砂。结合混凝土破碎的一般原因分析，在C30强度等级的混凝土中，混凝土的强度极限一般取决于骨料和胶凝材料的粘结层，所以本段分析侧重于从粘结层强度方面的解释和分析。

3.2 C60机制砂与普通砂混凝土的强度对比

将C60机制砂与普通砂混凝土的试验数据绘制在图2上，横坐标为砂率，纵坐标为抗压强度值。通过对比发现：

（1）分析普通砂混凝土28d强度曲线，砂率在26%～28%、30%～32%区间内，随着砂率的提高，混凝土的强度降低；在28%～30%的区间内，随着砂率的提高，混凝土的强度增加。在区间32%～36%内，混凝土的强度基本不变。在C60设计强度的混凝土中，随着砂率的提高，混凝土中的细骨料增加，粗骨料减少，细骨料较粗骨料有更大的比表面积，所以增加了骨料总体与胶凝材料的接触面积。但由于单位体积内胶凝材料的总量有限，无法在所有的接触面形成一定厚度的粘结层，这就导致薄弱粘结层的出现，当混凝土受压时，这些粘结层很快就破坏，并随着压力的增大，这些粘结层迅速的扩展，很快就使混凝土达到抗压强度极限，并且这种强度下降的趋势随着砂率的提高而越发的明显。优良的级配对于混凝土的强度提高也会有帮助，当混凝土中的粗骨料、细骨料、胶凝材料合适时，即细骨料的正好填充粗骨料的空隙，胶凝材料填充粗细骨料的空隙，混凝土不仅能够获得较大的密实度，而且在受到压力时混凝土能够通过优良的结构受力特性充分发挥其内部材料的性能，使得混凝土的抗压强度的到提高，但这种强度的提高对于粗细骨料、胶凝材料的配比要求比较苛刻，所以只在30%砂率时出现。

（2）分析机制砂混凝土28d的强度曲线，砂率在26%～32%、34%～36%的区间内，随着砂率的提高，混凝土的强度基本呈现出上升的趋势；在32%～34%的区间内，呈现出下降的趋势，但因变化幅度不大，得出在C60的设计配合比下，机制砂混凝土的强度不随砂率的变化而变化。在C60机制砂混凝土中，由于机制砂含有大量的惰性粉料，这些粉料的体积非常的小，可以填充胶凝材料与骨料的间隙，增加混凝土的密实度，优化混凝土的内部结构，使得混凝土的强度得到提升。并且随着机制砂砂率的提高，机制砂的含量越来越多，细小粉料的含量也越来越多，填充微空隙的作用就越来越明显，所以混凝土的强度会呈现出上升趋势。虽然这些细小的惰性粉料可以通过填充空隙，优化混凝土结构的方式提高混凝土的强度，但是当这些惰性材料过多时，由于其对强度并没有贡献，结构优化的效果低于惰性材料对混凝土强度的影响，混凝土的强度会出现下降的情况，正如32%～34%砂率处。

（3）通过分析两条曲线，发现机制砂混凝土的强度始终低于普通砂。但在32%砂率处，机制砂的强度达到最大值，接近普通砂，所以在C60的配比下，机制砂的最佳砂率为32%。

结合混凝土破碎的一般原因分析，在C60强度等级的混凝土中，混凝土的破碎原因来自多方面，有混凝土中内部结构的合理性，砂石骨料的强度，粘结层的强度等。

3.3 综合分析

通过以上对比分析发现，随着砂率的增大，混凝土的强度亦随之发生较大改变。对其原因结合相关文献进行合理的分析。

普通砂多为天然河砂，由于大自然的冲刷作用，使得天然砂的颗粒形状多是呈球形或者椭球形且颗粒表面光滑。致使其在混凝土中的比表面积相对较小，较小的比表面积可能会形成薄弱的粘结层，成为混凝土破坏的主要原因。

机制砂多由山石强制破碎而成。生产方式决定了机制砂多棱角、不规则的颗粒形状，也使其具有了较大的比表面积，增大了砂与胶凝材料的接触面积，间接增强了混凝土粘结层的强度。由于机制砂是破碎而来，所以机制砂中含有较多的石粉。石粉的颗粒较小，适当地添加可以起到填充混凝土中空隙的作用，增加了混凝土的密实度，优化了混凝土的内部结构，从而提高了混凝土的强度。又因为石粉多是惰性材料，不参与水泥的硬化，这些小颗粒悬浮在未形成强度混凝土中，产生“晶核”作用，使大量的水泥颗粒团聚在石粉周围，加快了水泥的硬化，从而达到诱导水泥水化的目地，加快了混凝土强度的形成，间接提高了混凝土的强度。但是，如果机制砂的石粉的含量过多或者不适合，大量的惰性石粉会依附在砂和石子的表面，减少了胶凝材料与石子或砂的接触面积，削弱了粘结层的强度，这也导致混凝土的强度会下降。所以石粉的适当与否对混凝土的强度影响非常巨大。又因为混凝土强度形成是一个非常复杂的组合，所以无法以单一的影响因素对其进行规律性的准确推算。

结合文章研究重点，不难得出在一定条件下机制砂、普通砂的强度与砂率的关系。

4 结语

在C30混凝土的设计配合比下，普通砂混凝土、机制砂混凝土的最佳砂率分别在32%和42%左右。

在C60混凝土的设计配合比下，普通砂混凝土和机制砂混凝土的最佳砂率分别在26%和32%。

根据试验结果并结合相关文献分析，在高石粉含量的机制砂中，机制砂的强度受石粉含量的影响较大，对于高含粉量的机制砂，其最佳砂率的取值应适当偏大。

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