摘要：通过高石粉含量人工砂的优选、高石粉人工砂混凝土力学性能和干缩性能的试验研究以及与大尺寸原级配混凝土的对比分析，证明了高石粉人工砂用于混凝土工程是可行的，它能提高混凝土力学性能，改善新拌混凝土和易性，提高混凝土抗裂能力。人工砂中石粉的最优含量为左右。混凝土干缩随石粉含量增加而增大，但骨料粒径与级配、试件尺寸大小等因素能改变、抑制和减小干缩率；在工程应用中，应加强对高石粉含量人工砂混凝土的早期养护
关键词：人工砂；高石粉含量；混凝土；力学性能；干缩与自缩
Ｕｓｅ ｏｆ Ｍａｎ-ｍａｄｅ Ｓａｎｄ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｃｏｎｔｅｎｔ Ｓｔｏｎｅ Ｐｏｗｄｅｒ ｉｎ ＣｏｎｃｒｅｔｅＬＩ Ｘｉｎｇ（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９８，ＣｈｉｎａＬａｂｏｒａｔｏｒｙ ｔｅｓｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｓｉｚｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ （ｔｈｒｅｅｇｒａｄｅｄ ｃｏａｒｓｅ ａｇｇｒｅｇａｔｅ） ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｎｄ ｄｒｙ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｈｉｇｈ ｃｏｎｔｅｎｔ ｓｔｏｎｅ ｐｏｗｄｅｒ ｍａｎｍａｄｅ ｓａｎｄＴｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｃｏｎｔｅｎｔ ｓｔｏｎｅ ｐｏｗｄｅｒ ｍａｎｍａｄｅ ｓａｎｄ ａｄｄｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｗｏｒｋａｂｉｌｉｔｙ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ａｎｔｉｃｒａｃｋｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｙＩｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｏｎｅ ｐｏｗｄｅｒ ｉｓ １６％，ｂｅｙｏｎｄ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｄｒｙ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｏｎｅ ｐｏｗｄｅｒＩｔ ｉｓ ｎｏｔｉｃｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｒｙ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｉｓ ａｌｓｏ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ，ｔｈｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｇｒａｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ａｇｇｒｅｇａｔｅ ｅｔｃＴｈｅ ｓｔｕｄｙ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｃｕｒｉｎｇ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｃｏｎｔｅｎｔ ｓｔｏｎｅ ｐｏｗｄｅｒ ｍａｎｍａｄｅ ｓａｎｄ ａｓ ｉｔｓ ｆｉｎｅ ａｇｇｒｅｇａｔｅ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｄｅ ｓａｎｄ；ｈｉｇｈ ｃｏｎｔｅｎｔ ｓｔｏｎｅ ｐｏｗｄｅｒ；ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｄｒｙ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ａｎｄ ｓｅｌｆ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ
人工砂作为一种新型的建筑用砂，已被正式列入国家标准［１］。天然砂的资源是有限的，其产源具有地域性，长期大量采挖会破坏生态。因此，无论是市场发展的需求还是环境保护的需要，都有必要考虑人工砂资源的利用。早在世纪年代，我国的一些行业和地区的工程建设中，已经开始使用人工砂［２］，如水利水电工程建设等。但是，多数建设单位对人工砂还较陌生，特别是人工砂在生产过程中会不可避免地产生较多石粉，这与天然砂有着显著的区别。近几年来，在高石粉含量人工砂的性能和应用方面开展了一些研究［３，４］，但是，还远不够完善。
本文结合棉花滩水电站建设工程中使用高石粉含量人工砂的可行性分析，进行了高石粉含量人工砂性能及应用研究，通过比较不同石粉含量的人工砂混凝土的性能，得出了最优石粉含量人工砂，并有效地改善和提高了混凝土性能，为工程建设以及拓展高石粉含量人工砂的应用提供了技术依据。棉花滩水电站混凝土工程中既有碾压混凝土，也有常态混凝土；碾压混凝土用量为４５万ｍ３，常态混凝土用量为２５万ｍ３。生产混凝土所用的砂石骨料全部采用人工轧制，其中人工砂生产系统为瑞典斯维拉达公司的机械产品，工艺为干法生产。用于制作人工砂的岩石为黑云母花岗岩，矿物成分以钾长石、斜长石和石英石为主，含少量暗色矿物及黑云母。原状人工砂细度模数在２２～２８范围内波动，石粉含量为１９％～２２％（质量分数，本文中所涉及的掺量、含量均为质量分数）。原状人工砂石粉含量多，颗粒级配不合理，其中粗颗粒（１.２５ｍｍ以上）和细颗粒（０.１６ｍｍ以下）偏多。粒径小于０.０８ｍｍ的细粉含量约占石粉总量的33%。这种人工砂较适合碾压混凝土施工，但其石粉含量高于常态混凝土的控制指标。为常态混凝土用砂的需要，同时为解决高石粉含量人工砂的出路，减少工程投资，笔者进行了高石粉含量人工砂混凝土的研究，有望为该材料的进一步推广应用提供依据。
试验原材料试验用水泥为三德牌４２.５普通硅酸盐水泥，各项技术指标符合技术要求；粉煤灰由嵩能粉煤灰有限公司生产，细度为１４.８％，需水量比为９８％，各项指标均符合Ⅱ级粉煤灰的技术要求，粉煤灰掺量为水泥用量的２０％粗骨料为岩石经机械破碎后制成的粒径为５～８０ｍｍ的碎石颗粒，分为小、中、大级，粗骨料级配及比例分别为一级配，包括2种，即：（1）骨料最大粒径ＤＭ＝２０ｍｍ；（２）骨料最大粒径ＤＭ＝３０ｍｍ，由三级配骨料经湿筛后得到；二级配：骨料最大粒径＝４０ｍｍ，小石与中石的质量比为４０∶６０；三级配：骨料最大粒径ＤＭ＝８０ｍｍ，小石、中石、大石的质量比为２０∶３０∶５０细骨料为高石粉含量人工砂，根据研究需要，设计并配制了石粉含量分别为２１％（原状人工砂），16%，12%以及3%等工况混凝土用的细骨料。
外加剂为ＢＤ-Ｖ型混凝土缓凝减水剂，密度１２ｇ／ｃｍ３，ｐＨ值７.０５，掺量为胶凝材料总量（水泥+粉煤灰）的０.６％。
2 试验结果及讨论
２.１石粉含量的优选
为了得出不同石粉含量人工砂混凝土的强度与水灰比之间的关系，并初选出较优的石粉含量，设计了7个不同的水灰比，用4种不同石粉含量的人工砂及一级配骨料（DM＝２０ｍｍ）进行混凝土配合比试验。采用标准立方体试件，标准养护２８ｄ。
混凝土配合比以及相应的抗压强度试验结果列于表１。由表1结果可知，在不同的水灰比下，石粉含量对混凝土强度的影响规律基本一致，随水灰比增大，混凝土强度降低。石粉含量为１６％时，其混凝土强度明显高于石粉含量为１２％的混凝土，当石粉含量增大至21%时，混凝土强度降低，但仍高于石粉含量为１２％时的强度。根据表1的结果并应用最小二乘法原理进行线性拟合，得到图1所示的混凝土强度与灰水比的关系。由图1可以看出，在石粉含量为21%的状况下，当灰水比趋向于1４（即水灰比趋向０７０）时，其强度接近石粉含量为12%的强度；当灰水比趋向于２５（即水灰比趋向０４０）时，其强度接近石粉含量16%；当灰水比等于2，即水灰比等于０５０时，其强度居于石粉含量12%与16%之间。由此可知，当水灰比大于０５０时，以石粉含量16%为较优；当水灰比小于０５０时，较优石粉含量介于１６％～２１％之间。
表1混凝土配合比及强度试验结果
Ｔａｂｌｅ １Ｍｉｘ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｆｏｒ ｃｏｎｃｒｅｔｅ
Water Mix proportion W(stone powder)%
No. cement ----------------------------------- 12 16 21 24
Ratio m(cement): m(sand): m(stone) Ơc Slump Ơc Slump Ơc Slump Ơc Slump
/Mpa /mm /Mpa /mm /Mpa /mm /Mpa /mm
1 0.40 1 : 1.77 : 5.60 36.8 50 38.7 50 38.5 60
2 0.45 1 : 2.11 : 6.32 30.6 70 34.1 70 33.3 70
3 0.50 1 : 2.46 : 7.00 28.9 65 30.6 70 29.2 70 26.2 50
4 0.55 1 : 2.84 : 7.67 25.6 70 28.8 50 26.2 70 23.6 65
5 0.60 1 : 3.24 : 8.33 23.2 70 25.8 60 24.0 65
6 0.65 1 : 3.66 : 8.95 21.2 65 24.1 50 21.8 60
7 0.70 1 : 4.10 : 9.55 19.4 60 21.3 55 20.0 65
试验结果还表明，石粉含量为１２％时，混凝土拌和物和易性较差，保水性一般。当石粉含量为１６％时，混凝土拌和物和易性明显改善，泌水减小且易于振捣密实。这是由于石粉在拌和物中起到了非活性填充料的作用，从而增加了浆体的数量，增大了稳定性，进而改善了混凝土的和易性。当石粉含量增大到21%以上时，由于石粉含量太多，颗粒级配不合理，使混凝土密实性降低，和易性变差；粗颗粒偏少，减弱了骨架作用；非活性石粉不具有水化及胶结作用，在水泥含量不变时，过多的石粉使水泥浆强度降低，因而混凝土强度减小。
由混凝土强度和拌和物和易性试验结果表明，在常规水灰比状况下，石粉含量１６％为优选含量；当水灰比较小、水泥用量较多时，石粉含量可适当增大。
２.２石粉含量对混凝土力学性能的影响
２.２.１标准尺寸试件混凝土力学性能
考虑同一水灰比不同石粉含量、同一石粉含量不同水灰比的多种组合情况，共设计了6种组合，如表２所示。按三级配骨料设计试件，经过湿筛后成型１５０ｍｍ立方体标准试件及１００ｍｍ×１００ｍｍ×５５０ｍｍ截面内埋拉杆型轴向拉伸标准试件，试件标准养护２８ｄ。力学性能试验结果列于表2。由表2结果可知，5016和4021两种组合表现出较好的力学性能；若保持水灰比不变，只改变石粉含量，如５０１２，５０１６，５０２１三种组合，各项力学性能指标均表明石粉含量16%时为优选用量；若固定石粉含量不变，只改变水灰比，分析４０２１，５０２１，６０２１组合和５０１６，６０１６组合，则混凝土的力学性能随水灰比的减小而提高。各力学性能的变化规律基本相同。
２.２.２原级配大尺寸试件混凝土力学性能
为了探讨原级配大尺寸试件的尺寸效应，根据混凝土试件最小尺寸不小于3倍最大骨料粒径的原则，综合骨料最大粒径、石粉含量以及骨料粒级和试验可比性，拟定了6个试验配合比（见表３，其中试件编号中的末位数字代表粗骨料级配）。其中三级配试件尺寸分别为２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×１４０0ｍｍ（拉伸试件）和２５０ｍｍ立方体（抗压试件）；二级配试件尺寸为１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×６００ｍｍ（拉伸试件）及１５０ｍｍ立方体（抗压试件）；一级配试件尺寸为１００ｍｍ×１００ｍｍ×５５０ｍｍ（拉伸试件）及１５０ｍｍ立方体试件（抗压试件）［５］。三级配拉伸试验采用笔者开发研制的大尺寸试件拉伸装置，通过同步油压加荷，传感器和变形计连接智能应变仪，微机控制数据采集并打印输出等组成加载测试系统。
试验结果见表３，由表3可知，对于相同级配的混凝土，当石粉含量为16％时，其抗压强度、抗拉强度和极限拉伸值均优于石粉含量为12%时的各项性能指标。如比较55162与55122，或55161与55121，前者的抗压强度比后者提高约5%，抗拉强度提高约12%，极限拉伸值提高约8%。显然，适当提高人工砂中的石粉含量，能有效改善混凝土的抗拉性能，提高混凝土的抗裂能力，对于防止混凝土开裂有重要意义。由表3还可看出，在相同的石粉含量条件下，混凝土的力学性能随试件尺寸的增大而降低。若以一级配（55161，55121）的试验结果为１，则三级配混凝土（55163，55123）抗压强度为0.91～0.90；抗拉强度为0.73～0.79；极限拉伸值为0.67～0.71。可见，尺寸因素对抗压强度影响较小，而对抗拉性能影响较大。
表2标准尺寸试件混凝土力学性能
Ｔａｂｌｅ ２Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｆｏｒ ｓｔａｎｄａｒｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎ
Water cement w(stone powder) ơc ơt Tensile elastic Maximum tensile
Code ơt/ơc
Ratio /% /Mpa /Mpa modulus/Gpa strain×10—6
5012 0.50 12 32.5 2.38 1/13.6 35.3 83
5016 0.50 16 35.8 2.73 1/13.1 38.8 88
6016 0.60 16 30.2 2.40 1/12.6 35.1 82
4021 0.40 21 39.6 2.74 1/14.1 38.8 88
5021 0.50 21 32.7 2.47 1/13.2 34.9 85
6021 0.60 21 26.5 2.14 1/12.4 30.8 78
Note: The first two and last two figures of the code stand for the water cement ratio and the percentage of the stone powder content respectively(saneas.Tab.4,5)
２.３石粉含量对混凝土干缩与自收缩性能的影响
２.３.１标准尺寸试件混凝土干缩与自收缩性能
干缩试件尺寸为１００ｍｍ×１００ｍｍ×５１５ｍｍ；自收缩（以下简称自缩）试件尺寸为１００ｍｍ×１００ｍｍ×３００ｍｍ，且自缩分为有约束（在试件中埋置钢筋，配筋率0.５％）和无约束2种。干缩试验依据文献［５］进行，自缩试件在标准养护箱（温度（２０±１）℃，相对湿度９５％以上）中养护，参照干缩试验方法进行试验。干缩试验结果列于表4；自缩试验结果列于表5。
表3原级配混凝土力学性能试验结果
Ｔａｂｌｅ ３Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｆｏｒ ｆｕｌｌｙ ｇｒａｄｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ
Water cement w(stone powder) ơc ơt Maximum tensil
Code
Ratio /% /Mpa /Mpa strain×10—6
55163 0.55 16 28.0 1.79 65
55162 0.55 16 29.8 1.97 85
55161 0.55 16 30.7 2.46 97
55123 0.55 12 26.3 1.73 63
55122 0.55 12 28.4 1.79 79
55121 0.55 12 29.1 2.18 89
