摘要：为了有效解决建筑行业中天然砂石骨料的资源匮乏问题，同时扩大机制砂的工程应用市场，利用机制砂在不同的取代率条件下替代天然砂，将其与粉煤灰陶粒相结合共同制备轻骨料混凝土，并系统研究了机制砂取代率和胶凝材料用量对其工作性能、力学性能以及干燥收缩和抗裂等耐久性能的影响。研究结果表明：随着机制砂取代率的增大，机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的用水量逐渐增加、抗压强度逐渐升高、收缩率逐渐变大、抗裂等级可达到L-Ⅲ；随着胶凝材料用量的增加，其工作性能和力学性能有所提升，但干燥收缩性能和抗裂性能逐渐变差；在不同的机制砂取代率条件下，所优化后的配合比可用于制备LC30～LC45强度等级的轻骨料混凝土。
关键词：机制砂；粉煤灰陶粒；轻骨料混凝土；力学性能；耐久性能；配合比优化
随着我国大型城市对高层住宅楼房、超大型空间公用商场以及大跨度高架桥等结构的需求急剧上升，具有自重轻、强度高且保温隔热性能好等优点的轻骨料混凝土生产和应用技术得到了快速发展的机会，已经大量地应用于工业与民用建筑及其他工程。其中，粉煤灰陶粒混凝土由于原料充足、性能优异且有效解决环境污染问题而得到多个行业领域的认可，也给我国的建筑行业带来了巨大的经济效益和社会效益。另一方面，天然河砂作为一种不可再生的资源，在多年的大量挖掘开采下，其剩余量已经不足以支撑我国工程建设的使用，故而将机制砂替代天然河砂应用于混凝土及混凝土制品中成为工程界和学术界共同研究的重要课题之一。
目前，针对机制砂在工程建设方面的应用研究，国内的多名专家、学者已经做了一定的研究工作，如蒋正武等将机制砂用于制备自密实混凝土，系统研究了自密实混凝土的泵送压力规律，并基于流变学理论和Kaplan建立了相应的计算模型；祁峰等在不同的石粉含量条件下，利用机制砂配制了强度等级为C60的高性能混凝土，并根据其性能指标确定石粉含量宜控制在10%左右；张胜和王黎怡等基于正交试验设计系统研究了机制砂混凝土的各方面性能；李北星等则将机制砂混凝土应用于路面工程中；车建利等则将页岩陶粒用于制备免振捣轻骨料混凝土，并成功应用于工程中，取得了较好的效果。
由此可见，机制砂已经应用于建筑行业的各个领域，并且取得了良好的使用效果。因此，本文将机制砂和粉煤灰陶粒相结合，共同配制一种新型的轻骨料混凝土。但是机制砂的粒形尖锐多棱角、颗粒级配差，其基本性能指标要差于天然河砂，故而在试验设计时将机制砂替代天然河砂的取代率作为变量参数，同时考虑胶凝材料用量的变化对机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土工作性能、力学性能以及耐久性能的影响，并在满足各项性能指标的前提下对其配合比进行相应优化设计，以期取得更大的经济效益，这对于机制砂的广泛应用与快速发展具有十分重要的理论意义。
1 原材料性能
1.1 机制砂和天然河砂
试验中所使用的机制砂和天然河砂，均由青岛市某新型建筑材料集团有限公司提供，其中生产机制砂的原石材成分为花岗岩，2种细骨料的主要性能指标见表1。
表1 机制砂和天然河砂的主要性能指标
1.2 粉煤灰陶粒
试验中所使用的粗骨料为某省陶粒厂所提供的密度等级为900级的粉煤灰陶粒，粒径范围为0～10mm，其主要性能指标见表2。
表2 粉煤灰陶粒的主要性能指标
1.3 胶凝材料
试验中所使用的水泥为青岛市某水泥厂生产的P.O42.5水泥，粉煤灰为青岛市某发电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，矿粉为青岛市某新型建筑材料集团有限公司提供的S95级矿渣粉。
1.4 外加剂和水
试验中所使用的外加剂为某省博特有限公司提供的聚羧酸系高效减水剂，其减水率可达20%以上；水为青岛市生活用水，符合《混凝土拌和用水标准》(JGJ63—2006)的使用要求。
2 配合比设计
参照《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51—2002)[10]，在进行机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土配合比设计时，采用松散体积法进行相应配合比计算，体积砂率统一确定为40%，机制砂替代天然河砂的取代率依次为0%、25%、50%、75%和100%。试验中胶凝材料用量依次取340、380、420和460千克每立方米，矿物掺和料的总掺量为胶凝材料用量的20%，且粉煤灰与矿粉的掺量比例为1:1，外加剂用量统一确定为胶凝材料总量的1.4%。为了保证所有配制的机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土具有相同的工作性能（坍落度控制在160～200mm范围内），在其拌和过程中根据实际情况现场调整混凝土的净用水量。试验的具体配合比设计见表3。
表3 机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土试验配合比
3 结果与分析
3.1 工作性能
参照《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51—2002)，试验中所制备的机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土采用强制式混凝土搅拌机进行搅拌，粉煤灰陶粒试验前进行预湿处理，将其与水泥、粉煤灰、矿粉、机制砂或天然砂预先进行搅拌0.5min，然后再加入净用水量和减水剂拌和2.5min，通过控制混凝土拌和物的坍落度，所有配制的机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的用水量具体变化情况如图1所示。
图1 机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的用水量
由图1可知，胶凝材料用量不同时，试验中所制备的机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的用水量随着机制砂取代率的增大而逐渐增加；在相同的机制砂取代率条件下，其用水量随着胶凝材料用量的增加而有所减少。当胶凝材料用量为340千克每立方米且机制砂取代率为100%时，机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的用水量达到最大值，为249.9千克每立方米，相比较未掺加机制砂的轻骨料混凝土，增幅可达5.6%，这主要与机制砂中所附带的石粉以及粉煤灰陶粒的预吸水量有关。另外，机制砂的取代率低于25%时，机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的用水量增幅较慢，但机制砂的取代率较大时用水量增幅有所加快，这是因为机制砂的级配较差，在达到规定坍落度要求时必须增加其用水量。
3.2 力学性能
机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的力学性能试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2016)，在温度为(20±2)℃、相对湿度为95%以上的标准养护室中分别养护至3、7和28d龄期后测定相应试件的抗压强度。随着胶凝材料用量和机制砂取代率的变化，机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的抗压强度变化情况如图2所示。
图2 机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土不同养护龄期的抗压强度
由图2可知，随着胶凝材料用量的增加和机制砂取代率的增大，机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土在各个养护龄期的抗压强度均逐渐增大。相比较未掺加机制砂的轻骨料混凝土，当胶凝材料用量由340千克每立方米递增到460千克每立方米，机制砂取代率达到100%时轻骨料混凝土的28d抗压强度分别增加了15.7%、21.8%、19.2%和17.9%，说明将机制砂掺加到轻骨料混凝土中可以显著改善中低强度混凝土的力学性能。分析其原因主要有2个方面：一是细度模数较大的机制砂类别为粗砂，将其掺加到轻骨料混凝土中改善了内部的界面结构；二是机制砂所附带的石粉有效填充了混凝土内部的孔洞，这些原因均使得机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的抗压强度得到增强。
3.3 耐久性能
机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的耐久性能试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082—2009)，考虑到机制砂的颗粒粒形各异、内部微裂纹较多，且附着有含量较高的石粉，应用不当极易导致混凝土出现裂缝，因此试验中主要研究机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的干燥收缩性能和抗裂性能。
3.3.1 干燥收缩性能
在不同的胶凝材料用量和机制砂取代率条件下，机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土在不同时间间隔（1、3、7、14和28d）所测定的收缩率变化情况如图3所示。
图3 机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土不同时间间隔的收缩率
由图3可知，机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的收缩率随着机制砂取代率的增大而逐渐升高，当胶凝材料用量为340千克每立方米时，相比较未掺加机制砂的轻骨料混凝土，其28d收缩率依次增加了3×6×10-6、6×6×10-6、12×6×10-6、17×6×10-6。随着胶凝材料用量的增加，机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的收缩率逐渐增大，这一结论与普通混凝土相一致，主要与水泥的用量和水泥水化反应所带来的水化热有关。另外，机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的早期收缩率（7d及以前）变化幅度较大，但当测试时间达到28d时，机制砂的取代率对其收缩率影响程度有所减小，出现这一不同规律的原因是机制砂中所附带的大量石粉在混凝土内部起到了一定的填充作用，反而对其干燥收缩起到了抑制作用，从而减少了机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的收缩率，提高了其干燥收缩性能。
3.3.2 抗裂性能
在不同的胶凝材料用量条件下，机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的单位开裂面积与机制砂取代率之间的关系如图4所示。
图4 机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的单位开裂面积
由图4可知，在不同的胶凝材料用量条件下，机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的单位开裂面积随着机制砂取代率的增大而逐渐变大，其抗裂性能逐渐变差。与此同时，胶凝材料用量也是影响机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土抗裂性能的重要因素之一，随着胶凝材料用量的增加其单位开裂面积逐渐变大，这与水泥用量多而导致的干燥收缩较大存在密切关系。当胶凝材料的用量为340千克每立方米且机制砂取代率为25%时，机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的单位开裂面积最小，仅为402平方毫米/平方米；当胶凝材料的用量为460千克每立方米且机制砂取代率为100%时，机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的单位开裂面积最大，达到657平方毫米/平方米。故而试验中所有制备的机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土试件在成型30min后风吹24h的单位开裂面积介于400～700平方毫米/平方米之间，相应的抗裂等级为L-Ⅲ，表明机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土具有良好的抗裂性能。
4 试验配合比优化
根据本文中机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土的试验结果可知，其工作性能、力学性能和耐久性能（干燥收缩、抗裂）均表现出较好的性能指标，故可以根据其28d抗压强度与胶凝材料用量之间的线性关系以及线性回归拟合方程，分别如图5、表4所示，在考虑不同强度等级（基于本试验主要工程应用范围，确定为LC30～LC45）条件下对其试验配合比进行优化计算。
图5 28d抗压强度与胶凝材料用量之间的线性关系
表4 28d抗压强度与胶凝材料用量之间的线性回归拟合方程
注：表中fcu,0为机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土试验的抗压强度；B为相应混凝土的胶凝材料用量试验中机制砂-粉煤灰陶粒系列混凝土的试配强度的确定和强度标准差的取值参照《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51—2002)。根据所确定的机制砂-粉煤灰陶粒系列混凝土强度等级、强度标准差以及表4中的线性回归拟合方程式，即可计算出优化后的不同配合比中的胶凝材料用量，优化结果见表5，然后基于此按照松散体积法进一步计算出配合比中其他原材料的用量。
表5 不同强度等级轻骨料混凝土配合比中的胶凝材料用量
由表5可知，随着机制砂取代率的增大，机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土在各个强度等级配合比下的胶凝材料用量均逐渐减少，且在强度等级为LC30时减少最为显著，这主要是因为机制砂的掺加可以显著改善中低强度等级混凝土的力学性能。但在实际工程应用时，也要考虑到轻骨料混凝土的工作性能和耐久性能，因此表5中所计算得到的不同强度等级机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土配合比中的胶凝材料用量仅作为参考值，在使用时必须提前进行相关试验验证，并根据实际试验结果进行相应调整。
5 结论
1）基于天然砂石骨料的资源短缺现状，所配制的机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土具有重要的现实意义和较大的社会效益，可以在部分工程中进行实际应用。
2）机制砂取代率和胶凝材料用量均是影响机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土性能的重要因素。随着机制砂取代率的增大和胶凝材料用量的增加，其抗压强度逐渐升高、干燥收缩性能和抗裂性能逐渐变差，但粉煤灰陶粒的预湿处理使得2种影响因素给其工作性能所带来的作用相反。
3）机制砂-粉煤灰陶粒系列轻骨料混凝土具有良好的力学性能表现，基于不同的机制砂取代率对其试验配合比进行优化后，可用于制备LC30～LC45强度等级的轻骨料混凝土，但在实际工程应用时也必须严格验证其工作性能和耐久性能。
< 完 >
