摘要
近年来随着基建设施的迅猛发展，混凝土用量剧增，所需的砂石量也在急剧增加，级配合理、品质优良的天然砂资源已经难以满足日益增长的工程需求，为满足建设工程行业关于细骨料的刚性需要，机制砂代替天然砂逐渐成为首选。然而机制砂与天然砂本身很多方面存在很大差异，依靠工程经验或按照天然砂的相关规程制备的机制砂混凝土性能可能不符合预期。为明确机制砂与河砂对混凝土性能影响的差异，本文从研究石灰岩机制砂与天然河砂的基本物理特性出发，主要包括对两种砂的颗粒级配、颗粒形貌、棱角性、表观密度等物理性能进行分析;再通过试验研究来进一步揭示机制砂混凝土与天然河砂混凝土性能的影响规律，试验中选用的粗骨料最大粒径为40mm的二级配碎石，主要探究了单位用水量、砂率、水灰比、石粉含量等关键参数对机制砂混凝土与河砂混凝土的工作性能、流变性能、力学性能、干燥收缩性能、孔结构及界面过渡区的影响，主要内容如下: (1)通过图像分析法、棱角性试验、及扫描电镜对石灰岩机制砂与河砂的物理性能进行试验，研究分析了颗粒级配、颗粒形貌、棱角性、表观密度等物理特性的差异，结果表明:机制砂2.36mm以上颗粒占比24.7％，远高于河砂的14％;0.15mm以下颗粒占比10％，高于河砂的3.6％;0.3mm～0.6mm之间颗粒占比27.9％，远低于河砂的41.2％，因此机制砂颗粒呈现出典型的“两头大”，“中间小”的级配特征。此外机制砂针棒状颗粒偏多，表面更为粗糙，河砂颗粒更加接近于球形。 (2)通过50组机制砂与河砂混凝土拌合物坍落度试验，研究了石粉含量(0％、5％、8％、12％、15％)、单位用水量(170kg、180kg、190kg、200kg)、砂率(36％、38％、40％、42％、44％)和水灰比(0.35、0.45、0.55)对拌合物坍落度的影响，结果表明:随着机制砂中石粉含量的增加，需适当提高混凝土的单位用水量，并适当减小砂率。参考普通混凝土单位用水量的计算方法，考虑石粉含量，根据试验结果，提出了适用于机制砂混凝土单位用水量选取的修正计算公式和砂率与临界石粉含量的函数关系式。 (3)进行了机制砂与河砂混凝土拌合物流变性能试验，通过流变参数来进一步表征拌合物的工作性能。试验结果表明不同砂率(36％、38％、40％、42％、44％)下，随着石粉含量(0％、5％、8％、12％、15％)的增加，屈服应力表现为先降低后增加，塑性粘度表现为起初缓慢平稳增大后急剧增加。当水灰比变化时，相比于河砂，机制砂混凝土拌合物的流变参数的变化幅度更大。 (4)通过机制砂与河砂混凝土抗压强度和劈拉强度的试验，结果表明在相同水灰比，选取合适石粉含量与砂率的情况下，机制砂混凝土的强度均显著高于河砂混凝土的强度。在结合本文相关试验数据的基础上，参考统计了水灰比在0.3～0.6之间的有关机制砂文献中的10组共120个数据，通过回归分析得出灰水比与抗压强度的一次函数关系式，fcu,0=0.398·fb(C/W+0.276)。 (5)结合机制砂混凝土的工作性能、力学性能试验结果得出，不同强度等级下的机制砂混凝土，均存在一个最佳石粉含量，且最佳含量随着水灰比的增大而增大，水灰比为0.55时，最佳石粉含量为12％左右;水灰比为0.45时，最佳石粉含量为8％左右;水灰比为0.35时，最佳石粉含量为5％左右。 (6)通过机制砂与河砂混凝土的干燥收缩性能试验，研究了不同石粉含量(0％、5％、8％、12％、15％)和不同水灰比(0.35、0.45、0.55)对混凝土干燥收缩性能的影响，结果表明:14天龄期以前，不同石粉含量的机制砂混凝土的干燥收缩率均高于河砂混凝土;不同水灰比(0.35、0.45)下，分别存在一个临界石粉含量(8％、12％)，在该临界石粉含量下干燥收缩率达到最大;7d龄期以内，机制砂混凝土的干燥收缩率表现出随着石粉含量的增加而逐渐增加的趋势，7d龄期后的干燥收缩率则表现出随着石粉含量的增加而呈出先增加后降低的趋势。
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