0 引言 水泥混凝土是当代和未来相当长时期内最重要的建筑材料，在工业与民用建筑、市政、交通、铁路、水利水电和海洋工程领域得到广泛应用。随着我国基础设施建设的大力发展，混凝土用量日益增加。据统计，2018年我国部分省、市、自治区预拌混凝土产量超过23亿m3。以重庆市为例，近年来当地混凝土年用量已超过6000万m3，并呈持续增长趋势。随着重庆交通建设“三年行动计划”的实施，到2020年，重庆市高速公路将新建成1000km，新开工1000km，开展前期工作1000km，通车总里程近4000km，水泥混凝土需求量将进一步扩大。 砂作为水泥混凝土的细骨料， 约占混凝土体积的20%～40%，是混凝土必不可少的组成部分， 其品质严重影响混凝土的质量。随着基建规模的不断扩大，不少地区出现了天然砂储量枯竭的现象，混凝土用天然砂供需矛盾日益突出，且天然砂的过度开采造成了大量农田、河道和湖坝的毁坏，并给生态环境带来了严重污染。 重庆市地处西部山区，本就缺乏天然中粗砂，近年来长期依赖两江特细砂作为混凝土细集料的现状也难以维持，且品质难以保证，极大地限制了工程建设的持续发展。因此，采用人工砂代替天然砂生产混凝土已成为一种必然趋势。2013年5月重庆市公路工程地方标准《公路工程人工砂混凝土应用技术规程》CQJTG/T F90—2013正式实施，对规范人工砂混凝土在公路工程中的应用发挥了重要作用，产生了良好的技术效益和经济效益。规程对人工砂混凝土的强度等级做出了如下规定：C30及以下强度等级的公路工程混凝土用砂，可全部使用人工砂；C35～C50强度等级的公路工程混凝土用砂， 应使用混合砂或天然中粗砂；C55及以上强度等级混凝土， 应使用天然中粗砂配制。然而，我国相关国家标准、行业标准以及协会标准中人工砂适用的混凝土强度等级范围更广， 如《混凝土质量控制标准》GB50164—2011、《人工砂混凝土应用技术规程》JGJ/T 241—2011、《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52—2006均规定，人工砂混凝土的适用强度等级可为≥C60、C55～C30和≤C25。 另外，中国工程建设标准化协会标准《高性能混凝土应用技术规程》CECS 207：2006中规定质地坚硬、级配良好的中、粗河砂或人工砂可用于高性能混凝土。综上所述，使用人工砂配制混凝土，并扩大人工砂混凝土的使用范围，有利于保证基础设施建设的施工进度和质量，同时节约工程建设成本，保护生态环境可持续发展。因此，本文结合重庆地区渝黔扩能项目工程中的混凝土，对比分析C50和C55人工砂混凝土和天然砂混凝土的工作性能、力学性能和收缩性能，旨在为全人工砂混凝土在重庆地区公路工程高强度混凝土中的应用提供基础数据。 1 原材料和试验方法 1.1 原材料 1） 水泥：P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，其基本性能见表1。  2） 矿物掺合料 ① 粉煤灰：F类I级粉煤灰，其基本性能如表2所示。  ② 硅灰：比表面积为21100m2/kg，二氧化硅含量为94.2%，需水量比为119%，28d活性指数为117%。 3） 粗集料：石灰石碎石。 4） 细集料 ① 人工砂：石灰石质人工砂，其基本性能见表3。  5） 减水剂：高性能减水剂。 1.2 试验方法 混凝土拌合物性能测试按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T 50080—2016。 混凝土抗压强度和弹性模量测试按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081—2002。 混凝土收缩性能测试按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082—2009。 1.3 试验配合比 试验以C50和C55强度等级的混凝土为研究对象， 分别对比人工砂混凝土和天然砂混凝土在工作性能、力学性能和干燥收缩性能方面的差异，试验配合比如表5所示。   表6对比了C50和C55强度等级人工砂混凝土和天然砂混凝土的工作性能。从表6可知，该试验配制的四组混凝土工作性能良好，无离析、泌水现象，均满足施工要求。在未增加减水剂用量的情况下，人工砂混凝土初始坍落度和扩展度略高于天然砂混凝土，2h后坍落度和扩展度依然略高于天然砂混凝土。 较天然砂而言，人工砂由岩石破碎而成，其颗粒形状尖锐、表面粗糙、多棱角，一般情况下配制混凝土时会造成混凝土和易性变差，不易施工。而该试验中人工砂并未对混凝土工作性能造成负面影响，其原因主要为：人工砂中含有一定量的石粉，均匀分布在细集料中，起到填充混凝土骨料之间空隙的作用，加强了胶凝材料与骨料的粘结，改善了混凝土拌合物的离析泌水现象，提高了混凝土拌合物粘聚性，从而使混凝土拌合物工作性能得到改善，这与陈家珑等人的试验结果一致。刘国章认为，人工砂中的石粉含量对混凝土的工作性能影响显著，石粉含量太低（小于5%），混凝土和易性和保水性较差，石粉含量控制在10%～15%时，配制出的混凝土和易性各项指标均满足施工要求。Joudi-Bahri 等人研究了在相同坍落度条件下石粉含量对混凝土用水量的影响，结果表明：当石粉含量小于10%时，混凝土用水量几乎保持不变，石粉含量大于10%后用水量大幅增加。Topcu等人的研究表明，石粉含量对混凝土工作性能的影响还与水泥用量有关，当水泥用量为200kg/m3时，达到相同流动度时混凝土用水量提高； 而当水泥用量增加至275 kg/m3和350kg/m3时，随石粉含量的增加，混凝土用水量几乎不再增加。因此，在用人工砂配制混凝土时，应合理控制人工砂中的石粉含量。 2.2 人工砂混凝土的力学性能 C50和C55强度等级人工砂混凝土和天然砂混凝土的抗压强度如图1所示。  从图1可知， 各组混凝土抗压强度均随养护龄期而增加，人工砂混凝土抗压强度均高于同强度等级的天然砂混凝土。刘占鳌等人认为，人工砂中的石粉增强了混凝土拌合物的保水性，并填充在内部空隙中，降低了混凝土孔隙率，从而提高了凝土抗压强度。徐仁崇等人研究了石粉含量对C50人工砂混凝土抗压强度的影响，结果表明：适量石粉可以增加混凝土密实度，提高混凝土强度，但石粉含量过多，人工砂级配变得不合理，粗颗粒相对减少，减弱了骨架作用，降低了混凝土抗压强度。张礼华等人也认为石粉含量变化引起人工砂级配优化作用是人工砂混凝土力学性能改善的主要原因。  图2为人工砂混凝土和天然砂混凝土弹性模量和轴心抗压强度的对比结果。从图2中可以看到，相同等级的人工砂混凝土和天然砂混凝土的28d轴心抗压强度和弹性模量均较为接近，按照现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010中对混凝土的要求，可以知道，所配制人工砂混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量均能满足标准规定的技术要求。 2.3 人工砂混凝土的收缩性能 试验对比了C50和C55强度等级的人工砂混凝土和天然砂混凝土在同条件下的干燥收缩性能， 结果如图3所示。  由图3可知，C50强度等级的人工砂混凝土的干缩率小于同强度等级的天然砂混凝土。可以认为，适量的石粉可以改善人工砂的级配，增加混凝土的密实度，从而减小混凝土的收缩。而对于C55强度等级的人工砂混凝土，其干缩率要高于同强度等级的天然砂混凝土，其主要原因为，C55强度等级混凝土的胶凝材料用量较高，人工砂中的石粉进一步增加了混凝土的浆体体积， 由此导致混凝土干缩率增大。也就是说，机制砂中的石粉对混凝土的干燥收缩有正效应也有负效应，其与石粉含量及混凝土配合比有关，这与许多学者的研究结果一致。因此，在使用人工砂配制有干燥收缩要求的混凝土时，应根据混凝土配合比合理控制人工砂中的石粉含量。 3 结论 1） 人工砂中石粉含量在一定范围内可改善人工砂级配，提高混凝土粘聚性，并起到细化混凝土孔径的作用，从而改善混凝土的工作性能，提高混凝土的力学性能。 2） 人工砂对混凝土干燥收缩性能的影响与人工砂中的石粉含量和混凝土强度等级有关，混凝土强度等级越高，石粉的合理掺量越小。 3） 通过控制人工砂的品质，可配制出工作性能、力学性能和体积稳定性能均满足标准要求的全人工砂混凝土，应综合考虑人工砂对混凝土性能的影响，更为科学合理地扩大人工砂混凝土的使用范围。 |
