混凝土是我国工程建设的主要建筑材料之一,混凝土使用的天然砂是经过亿万年形成的不可再生的资源。随着基础设施建设的快速发展和环境保护的加强,配制混凝土可利用的优质天然砂的资源日趋匮乏,已不能满足工程建设规模日益扩大的需要。尤其是近年来高铁、公路桥梁、城市地铁等轨道交通发展迅速,对高强、高性能混凝土的需求量明显增加,而天然砂供应不足、价格上涨,质量也逐渐变差,不仅导致混凝土的生产成本增加,也难以保证工程质量。使用机制砂代替天然砂配制混凝土,对节约资源、保护环境,降低造价,促进建筑业的可持续发展有重要意义。

　　 机制砂是经除土处理,由机械破碎、筛分制成的,粒径小于4.75mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒,但不包括软质、风化的颗粒,俗称人工砂;其中用矿山尾矿或工业废渣生产的机制砂还应符合我国环保、安全相关标准和规范的要求,不应对人体、生物、环境及混凝土和砂浆性能产生有害影响 ^[1]。与天然砂相比,机制砂是多棱体,级配可根据需要控制在合理范围,表面较粗糙,因而拌制的混凝土和易性较差,可引起混凝土产生较大泌水率,但机制砂中通常含有石粉,可以部分改善混凝土的工作性能。已有的研究成果和工程应用表明 ^[2,3,4,5,6],只要控制机制砂的质量,选用合理的配合比,用机制砂部分或全部替代天然砂完全能够配制出符合工程要求的高强、高性能、耐久性好的混凝土。而且由于机制砂的较粗糙表面,其与水泥浆的结合更好,在水泥用量相同的条件下,机制砂混凝土的强度、弹性模量等力学性能指标有一定的提高 ^[7,8,9]。

　　 本文在以往研究的基础上 ^[10,11],进行了机制砂替代率为30%～100%、强度等级C60以上混凝土的配合比设计,以及龄期28～120d的立方体和棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量的试验,分析机制砂替代率对混凝土强度、棱柱体与立方体抗压强度比值以及弹性模量等的影响。为机制砂在高强、高性能混凝土中的应用提供依据。

　　 《建筑用砂》(GB/T 14684—2011) ^[1](简称建筑用砂)对用于配置混凝土的机制砂的颗粒级配、石粉含量和泥块含量、有害物质含量以及压碎指标等均有明确规定,本文试验采用的机制砂为河南省郑州市某机制砂场的石灰岩机制砂,天然砂为河南省平顶山市鲁山河砂,其技术指标分别见表1和表2。水泥为河南省辉县市某公司生产的P.O 42.5级水泥,粉煤灰为郑州市某电厂生产的I级粉煤灰。粗骨料选用河南省某市生产的粒径10～30mm的连续级配石灰岩碎石,外加剂为TH-2缓凝高效减水剂。从表1可以看出,机制砂的石粉含量为4.3%(<10%),石粉亚甲蓝(MB)值为1.0(<1.4),压碎指标为9.0%(<20%),符合标准建筑用砂中I类细骨料的要求。

　　 为考察机制砂替代率对混凝土性能的影响,配合比设计中机制砂分别以30%,50%,70%和100%替代天然砂,其他材料和用水量均保持不变,试验混凝土实际采用的配合比和实测坍落度如表3所示。从表中可看出,在其他材料和用水量不变的情况下,随着机制砂替代率的增大,混凝土拌合物的塌落度有所减小。

　　 立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验试块的尺寸为150mm×150mm×150mm,棱柱体抗压强度和弹性模量试验试块的尺寸为150mm×150mm×300mm,养护龄期分别为28,60,90,120d:每组3个试块。混凝土强度及弹性模量的试验均按《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)的规定进行,试验过程和试验结果分别见图1和表4。从表中可看出,龄期28d的立方体抗压强度均达到60MPa以上,天然砂(替代率为0)混凝土和不同替代率的机制砂混凝土的强度和弹性模量均随龄期的增长有所提高。

　　 图2和图3分别为根据表4试验数据绘制的不同龄期机制砂混凝土立方体抗压强度f_cu,M^t、劈裂抗拉强度f_ts,M^t分别与天然砂混凝土的立方体抗压强度f_cu,N^t、劈裂抗拉强度f_ts,N^t的比值随机制砂替代率变化的曲线。可以看出,用机制砂部分或全部替代天然砂后,各龄期混凝土的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度均有所提高;当机制砂替代率为50%时,立方体抗压强度提高比率约为25%;当机制砂替代率超过50%后,立方体抗压强度提高比率略有降低,机制砂替代率为100%时,提高比率约为20%。

　　 图4为实测不同龄期混凝土的劈裂抗拉强度和立方体抗压强度比值(劈压比)f_ts^t/f_cu^t随机制砂替代率变化的曲线。可以看出各龄期混凝土的劈压比f_ts^t/f_cu^t随机制砂替代率增加变化不大,其平均值为0.067 7(≈1/15)。说明采用机制砂替代天然砂后,混凝土的脆性没有明显变化。

　　 《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(简称混规)在4.1.3条的条文说明中给出的棱柱体抗压强度和立方体抗压强度比值a_c1为:对C50及以下普通混凝土取a_c1=0.76,对C80高强混凝土取a_c1=0.82,中间按线性插值。对本文C50以上机制砂混凝土,a_c1可用下式表示:

　　 $\alpha {}_{\text{c}1}=0.76+0.06(f{}_{\text{c}\text{u}}-50)/30(1)$

　　 式中f_cu为混凝土立方体抗压强度,N/mm²。

　　 当机制砂混凝土强度等级为C50及以下时,仍取a_c1=0.76。

　　 表5列出了不同机制砂替代率的混凝土在龄期28～120d的实测棱柱体抗压强度与立方体抗压强度比值f_c^t/f_cu^t、按(1)式计算得到的棱柱体抗压强度和立方体抗压强度比值a_c1(混凝土立方体抗压强度超过80MPa的仍按式(1)计算)以及实测值(f_c^t/f_cu^t)与计算值(a_c1)的比值。可以看出,实测值与计算值的比值均接近1,实测值与计算值的比值的平均值m=1.005,变异系数d=0.044,计算值与实测值吻合良好(图5)。说明不同替代率的机制砂混凝土的棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的比值仍可按混规的相关公式计算,且适用范围可超过C80混凝土。

　　 混规中混凝土的弹性模量E_c按下式计算:

　　 $E{}_{\text{c}}=\frac{10{}^5}{2.2+34.7/f{}_{\text{c}\text{u},\text{k}}}(2)$

　　 式中f_cu,k为混凝土立方体抗压强度标准值,N/mm²。

　　 表6列出了不同机制砂替代率的混凝土在龄期28～120d的实测弹性模量E_c^t、由实测混凝土立方体抗压强度按式(2)计算的弹性模量E_c以及两者的比值E_c^t/E_c。可以看出,用机制砂部分或全部替代天然砂后,比值E_c^t/E_c有所增大,当替代率为50%时,实测弹性模量E_c^t比按式(2)计算的弹性模量E_c增大比率约为22%,机制砂替代率超过50%后,E_c^t/E_c略有降低,机制砂替代率为100%时实测弹性模量E_c^t比按(2)计算的弹性模量E_c增大比率约为20%(图6)。

　　 考虑机制砂替代率的影响,根据试验结果回归得到机制砂混凝土弹性模量(E_c′)的计算公式如下:

　　 $E{}_{{\text{c}}^{\prime }}=\frac{10{}^5}{2.2+34.7/f{}_{\text{c}\text{u},\text{k}}}(1+0.66\delta {}_{\text{s}}-0.47\delta {}_{\text{s}}^2)(3)$

　　 式中δ_s为机制砂的替代率。

　　 按式(3)计算的机制砂混凝土弹性模量E_c′以及实测弹性模量E_c^t与E_c′比值也列于表6。由表6可得,E_c^t/E_c′的平均值m=1.027,变异系数d=0.044,计算值与实测值吻合良好。说明不同替代率的机制砂混凝土的弹性模量可按式(3)计算。

　　 (1)通过控制机制砂的质量和选用合理的混凝土配合比,用机制砂部分或全部替代天然砂配制的C60以上高强混凝土的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度均有所提高,当机制砂替代率为50%时立方体抗压强度提高比率约为25%;当机制砂替代率超过50%后提高的比率略有降低,机制砂替代率为100%时提高比率约为20%。

　　 (2)用机制砂部分或全部替代天然砂配制的C60以上高强混凝土的棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的比值仍可按混规的相关公式计算。

　　 (3)用机制砂部分或全部替代天然砂的混凝土的弹性模量有所增大,考虑机制砂替代率的影响,机制砂混凝土弹性模量可按式(3)计算,计算值与试验结果吻合良好。