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摘要：针对目前应用的机制砂混凝土在桥梁工程中应用存在开裂的问题，本文通过收缩试验、早期开裂、后期开裂等试验方法研究了C50机制砂混凝土收缩及抗裂特性。通过膨胀剂试验、矿物掺合料试验、石粉试验做了详细研究。试验得出：（1）膨胀剂对机制砂早期收缩特性影响明显。掺量15kg/m3能够最大程度降低机制砂混凝土早期收缩，延缓初次裂缝时间，降低混凝土最大裂缝宽度，降低单位面积裂缝数目。（2）复合矿物掺合料掺量50kg/m3、100kg/m3时，机制砂混凝土28d内均表现出膨胀状态；掺量150kg/m3、200kg/m3时，机制砂混凝土28d内均表现出收缩状态；复合矿物掺合料最佳掺量100kg/m3。（3）石粉含量6%，机制砂混凝土抗裂特性最佳，初次裂缝时间9h，最大裂缝宽度0.18mm，单位面积裂缝数目27.2根/m2。

关键词：机制砂；C50混凝土；收缩性能；抗裂性能；膨胀剂；复合矿物掺合料；石粉

1引言

随着基础设施建设速度加快，对混凝土的需求规模日益加剧，混凝土原材料资源逐渐枯竭。尤其我国北方地区天然河砂供用量直线减少，机制砂逐渐开始替代河砂应用到混凝土中。同时，由于机制砂物理力学特性与传统的河砂有显著区别，在应用中存在各种问题，本文针对机制砂混凝土收缩及抗裂性能做相关研究。

混凝土收缩、开裂是长期困扰现代混凝土应用技术的一大难题。由于混凝土原材料不确定性较大，对于每种混凝土产生的收缩及开裂特性也各不相同。国内，许多专家学者也对混凝土的收缩、开裂有大量研究。李潜[1]做了C50机制砂混凝土早期收缩抗裂性能试验研究。于本田[2]等人做了大掺量高吸附性石粉高强机制砂混凝土收缩开裂抑制试验研究。何春飞[3]做了桥梁施工水泥混凝土收缩特性影响因素敏感性分析。

本文试验研究基于机制砂混凝土，通过大量试验研究了膨胀剂、复合矿物掺合料、石粉对机制砂混凝土收缩及开裂性能的影响，并结合试验得出影响规律，确定三种重要材料的最佳掺量比例。

2试验部分

2.1试验原材料名称、产地、检测结果

水泥，P·O42.5R，四川峨胜水泥集团股份有限公司。矿粉，S95级细粉，成都砼新建材有限责任公司。粉煤灰，Ⅰ级灰，成都搏磊资源循环开发有限公司。膨胀剂，硫铝酸钙类混凝土膨胀剂，武汉源锦建材科技有限公司。减水剂，聚羧酸减水剂，液体，四川三和混凝土外加剂有限公司。机制砂，石灰岩质，石粉含量9.0%，南方矿业。石子：5～30mm连续级配，南方矿业。水：饮用水。所有原材料检测结果均满足相关规范要求。

图1为机制砂、石子颗粒级配曲线。

2.2试验设备

80L单卧轴强制式混凝土搅拌机；混凝土试模振动台；标准恒温恒湿养护箱；压力试验机；混凝土塑料试模；坍落度桶。

2.3试验规范标准

机制砂混凝土收缩及抗裂性能试验研究依据：《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2016）、《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）、《水泥胶砂强度检测方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）、《普通混凝土 长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）。

2.4试件制备、养护、测试方法

收缩性能：将混凝土浇筑至100mm×100mm×515mm钢模并振动成型后，立即带模放入温度（20±2）℃、湿度（60±5）%室内，混凝土初凝后开始测试收缩性能。早龄期收缩性能测试采用非接触式收缩仪测试，28d龄期收缩采用接触式法测试。具体依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）。

抗裂性能：将混凝土浇筑至800mm×600mm×100mm带裂缝诱导器钢模内，用振捣棒插捣摊平并抹平试件表面，置于（20±2）℃、湿度（60±5）%的条件下养护至规定龄期测其裂缝宽度和长度。具体依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）。

3结果与讨论

3.1试验配合比

试验研究混凝土强度设计等级为C50，参考相关混凝土设计标准得到C50混凝土基础配合比，表1为试验配合比。

上述得出C50 机制砂混凝土试验配合比，在试验配合比基础上做膨胀剂试验、矿物掺合料试验、石粉含量试验，分别研究对机制砂混凝土收缩及抗裂性能的影响。

3.2膨胀剂对机制砂混凝土收缩及抗裂性能影响

本部分研究膨胀剂对机制砂混凝土收缩及抗裂性能影响，机制砂混凝土收缩及抗裂性能测试为混凝土试件测试数据。膨胀剂试验配合比见表2，膨胀剂对机制砂混凝土收缩的影响见图2，对机制砂混凝土抗裂性能的影响见表3。

图2试验结果得出：图2（a）中，掺加膨胀剂能够降低机制砂混凝土的早期收缩。随着膨胀剂掺量增加，机制砂混凝土早期收缩均明显降低。膨胀剂掺量0kg/m3时，机制砂混凝土72h内均表现为收缩状态；膨胀剂掺量5kg/m3时，机制砂混凝土24h内表现为膨胀状态，24h～72h表现为收缩状态。膨胀剂掺量10kg/m3时，机制砂混凝土36h内均表现为膨胀状态，36h～72h内均表现为收缩状态。膨胀剂掺量15kg/m3时，机制砂混凝土72h内均表现为膨胀状态。膨胀剂掺量20kg/m3时，机制砂混凝土48h内均表现为膨胀状态，48h～72h内均表现为收缩状态。图2（b）中，掺加膨胀剂能够延缓混凝土收缩。随着膨胀剂掺量增加，对应每个龄期的混凝土收缩均减少。同时随着龄期增长、水化反应进行，混凝土内部膨胀剂总量减少，对混凝土产生的膨胀效果减弱，抵消混凝土自收缩减少，表现为随着龄期增长收缩绝对值增大。当膨胀剂掺量为15kg/m3时，机制砂混凝土28d内均表现为微膨胀状态，表明此时膨胀剂掺加能够完全弥补混凝土的自收缩。

表3试验结果得出：掺加膨胀剂延缓了初次裂缝时间，随着膨胀剂掺量增加，机制砂混凝土初次裂缝时间先提高后降低。随着膨胀剂掺量增加，机制砂混凝土最大裂缝宽度呈现先增大后减小的趋势，在掺量15kg/m3时最大裂缝宽度达到最低值0.18mm，降低52.6%。随着膨胀剂掺量增加，机制砂混凝土单位面积裂缝数目先增大后减小，在掺量15kg/m3时单位面积裂缝数目达到最低值27.5根/m2，降低59.1%。膨胀剂掺加到机制砂混凝土中，会在早期快速水化，水化产物产生较大膨胀压应力，抵消混凝土内部自收缩应力，进而减少混凝土因水化收缩的裂缝开展[4]。综合试验结果，为保证机制砂混凝土具有良好的收缩及抗裂特性，膨胀剂最佳为15kg/m3。

3.3矿物掺合料对机制砂混凝土收缩及抗裂性能影响

2.2部分研究了膨胀剂对机制砂混凝土收缩及抗裂性能的影响，并得出最佳膨胀剂掺量15kg/m3。基于上述研究，本部分研究矿物掺合料对机制砂混凝土收缩及抗裂性能影响，机制砂混凝土收缩及抗裂性能测试为混凝土试件测试数据。

保证试验配合比中m（粉煤灰）：m（矿粉）=1：1基础上，配制复合矿物掺合料做试验研究。试验配合比见表4，矿物掺合料对机制砂混凝土收缩的影响见图3，对机制砂混凝土抗裂性能的影响见表5。

图3试验结果得出：图3（a）中，随着复合矿物掺合料掺量增加，机制砂混凝土的早期收缩有降低趋势。复合矿物掺合料掺量100kg/m3以内时，机制砂混凝土72h内均表现为收缩状态；膨胀剂掺量超过100kg/m3时，机制砂混凝土24h内表现为膨胀状态，24h～72h表现为收缩状态。图3（b）中，随着复合矿物掺合料掺量增加，机制砂混凝土后期收缩增大。复合矿物掺合料掺量0kg/m3时，机制砂混凝土14d内表现出膨胀状态，14d～28d内表现出收缩状态；复合矿物掺合料掺量50kg/m3、100kg/m3时，机制砂混凝土28d内均表现出膨胀状态；复合矿物掺合料掺量150kg/m3、200kg/m3时，机制砂混凝土28d内均表现出收缩状态。

表5试验结果得出：随着复合矿物掺合料掺量增加，机制砂混凝土初次裂缝时间先降低后提高再降低。随着膨胀剂掺量增加，机制砂混凝土最大裂缝宽度先减小后增大，在掺量50kg/m3时最大裂缝宽度达到最低值0.18mm。随着复合矿物掺合料掺量增加，机制砂混凝土单位面积裂缝数目先减小后增大，在掺量50kg/m3时单位面积裂缝数目达到最低值27.2根/m2。复合矿物掺合料掺加到机制砂混凝土中，改善了胶凝材料颗粒级配，促使体系更加密实，混凝土中自由水蒸发受阻，孔隙减少，延缓混凝土早期收缩[5]。但是，随着水化进行，大产量复合矿物掺合料会因“火山灰效应”产生毛细负压力，增大混凝土收缩。综合试验结果，为保证机制砂混凝土具有良好的收缩及抗裂特性，复合矿物掺合料最佳为100kg/m3。3.4石粉含量对机制砂混凝土收缩及抗裂性能影响

2.3试验研究得出复合矿物掺合料最佳试验掺量。基于上述试验，本部分试验研究机制砂不同石粉含量对机制砂混凝土收缩及抗裂性能的影响，机制砂混凝土收缩及抗裂性能测试为混凝土试件测试数据。石粉含量试验配合比见表6，试验结果见图4、表7。

图4试验结果得出：随着石粉含量增加，机制砂混凝土大致呈现先膨胀后收缩的特性。石粉含量0%、3%时，在28d的收缩率10×10-6、4×10-6，均表现出收缩状态；石粉含量6%、9%时，在28d内均表现出膨胀状态。

表7试验结果得出：随着石粉含量增加，机制砂混凝土初次裂缝时间先提高后降低再提高。随着石粉含量增加，机制砂混凝土最大裂缝宽度先减小后增大，在含量6%时最大裂缝宽度达到最低值0.18mm。随着石粉含量增加，机制砂混凝土单位面积裂缝数目先减小后增大，在含量6%时单位面积裂缝数目达到最低值27.2根/m2。石粉细度较大，合适掺量能够在自密实混凝土体系中发挥微集料填充效应，提高混凝土密实度，改善因自密实效果浆体较稀造成不稳定性，适宜掺量能够降低机制砂混凝土收缩。同时由于石粉具有活性，能够促进水泥水化，促使水化产物大量生成，填补因水分蒸发产生的微小孔隙[6-7]。综合试验结果，为保证机制砂混凝土具有良好的收缩及抗裂特性，石粉含量最佳为6%。

4结论

本文研究了机制砂混凝土收缩及抗裂性能，主要做了膨胀剂、矿物掺合料、石粉含量试验研究，得出以下结论：

（1）膨胀剂对机制砂早期收缩特性影响明显。掺加膨胀剂能够降低机制砂混凝土的早期收缩，延缓初次裂缝时间，降低混凝土最大裂缝宽度，降低单位面积裂缝数目。掺量15kg/m3时初次裂缝时间最长，最大裂缝宽度、单位面积裂缝数目最低，同时28d内均表现为微膨胀状态，此时膨胀剂掺加能够完全弥补混凝土的自收缩。

（2）复合矿物掺合料对机制砂混凝土收缩及抗裂性能均有显著影响。掺量50kg/m3、100kg/m3时，机制砂混凝土28d内均表现出膨胀状态；掺量150kg/m3、200kg/m3时，机制砂混凝土28d内均表现出收缩状态。试验得出复合矿物掺合料最佳掺量100kg/m3。

（3）石粉对机制砂混凝土收缩及抗裂性能有明显影响。石粉含量0%、3%时，在28d的收缩率10×10-6、4×10-6，均表现出收缩；石粉含量6%、9%时，在28d内均表现出膨胀状态。石粉含量6%时，机制砂混凝土抗裂特性最佳，初次裂缝时间9h，最大裂缝宽度0.18mm，单位面积裂缝数目27.2根/m2。

参考文献

[1]李潜.C50机制砂混凝土早期收缩抗裂性能试验研究[J].混凝土与水泥制品，2016（10）：28-31.

[2]于本田，陈延飞，王焕等.大掺量高吸附性石粉高强机制砂混凝土收缩开裂抑制试验[J].复合材料学报，2021，38（08）：2737-2746.

[3]何春飞.桥梁施工水泥混凝土收缩特性影响因素敏感性分析[J].冶金与材料，2018，38（05）：55-56.

[4]孙浩，于林玉，赵婷.膨胀剂对超高性能混凝土收缩性能的影响[J].山东化工，2022，51（02）：35-38+49.

[5]阎培渝，陈志城.含不同矿物掺合料的高强混凝土的自收缩特性[J].工业建筑，2011，41（6）：124-127.

[6]余尚和，周孝军，范碧琨等.石粉含量对机制砂混凝土抗裂性能的影响[J].山西建筑，2018，44（23）：100-102.

[7]刘荣欣，刘龙龙，王少鹏等.考虑石粉含量配合比设计的机制砂混凝土抗裂性能试验研究[J].交通节能与环保，2022，18（02）：99-103.