機(jī)制砂與河砂混凝土30 m T梁足尺模型混凝土性能對比試驗(yàn)研究

全青青，徐文冰，秦明強(qiáng)，周玉娟

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢430040;2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430040;3.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430040; 4.寧波市高等級公路建設(shè)指揮部，浙江寧波315192)

機(jī)制砂與河砂混凝土30 m T梁足尺模型混凝土性能對比試驗(yàn)研究

全青青1，2，3，徐文冰1，2，3，秦明強(qiáng)1，2，3，周玉娟4

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢430040;2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430040;3.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430040; 4.寧波市高等級公路建設(shè)指揮部，浙江寧波315192)

以“28 d齡期同強(qiáng)度等級”為目標(biāo)優(yōu)選配合比，開展了C50機(jī)制砂與河砂混凝土30 m T梁足尺模型試驗(yàn)，對比研究機(jī)制砂與河砂混凝土的力學(xué)性能、耐久性能、實(shí)體結(jié)構(gòu)的抗裂性能。研究結(jié)果表明:機(jī)制砂混凝土通過優(yōu)選配合比，具備不劣于河砂的良好的施工性能;機(jī)制砂混凝土比河砂混凝土在力學(xué)性能方面優(yōu)勢明顯;機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透性能及實(shí)體梁的抗裂性能與河砂混凝土相近;用機(jī)制砂配制的海工混凝土用于實(shí)體結(jié)構(gòu)是可行性的。

機(jī)制砂 30 m T梁 模型試驗(yàn) 海工混凝土

一直以來，建設(shè)工程中主要采用優(yōu)質(zhì)河砂作為混凝土細(xì)集料，但現(xiàn)今河砂資源稀缺，淡化海砂質(zhì)量難以保證，并且很多沿海城市的建設(shè)工程中已明確禁止使用淡化海砂，使得國內(nèi)眾多跨海橋梁結(jié)構(gòu)混凝土不得不尋找其他細(xì)集料來代替天然河砂［1-2］。跨海橋梁結(jié)構(gòu)物一般服役環(huán)境惡劣，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，對海工混凝土的性能和質(zhì)量提出了較高要求。

本文采用機(jī)械破碎而成的機(jī)制砂配制機(jī)制砂海工混凝土，對比研究機(jī)制砂與河砂混凝土的配合比及性能特點(diǎn);再通過機(jī)制砂與河砂混凝土的30 m簡支T梁足尺模型試驗(yàn)，研究機(jī)制砂對實(shí)體梁結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律;并與河砂混凝土梁進(jìn)行對比，以驗(yàn)證機(jī)制砂海工混凝土在原材料、配合比、力學(xué)性能及耐久性能等方面是否滿足相關(guān)要求，以及利用機(jī)制砂配制的海工混凝土在實(shí)體結(jié)構(gòu)應(yīng)用的可行性及可靠性。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

膠凝材料采用寧波港物質(zhì)有限公司生產(chǎn)的高耐久性建筑混合料(主要由P.O42.5普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、S95礦粉及調(diào)整劑復(fù)配而成的復(fù)摻體系)，其物理性能見表1。

表1 水泥混合料物理性能指標(biāo)

砂采用2級配區(qū)的機(jī)制砂與天然河砂，機(jī)制砂由凝灰?guī)r破碎而成，機(jī)制砂與河砂的物理性能指標(biāo)見表2。

表2 機(jī)制砂與河砂物理性能指標(biāo)

碎石應(yīng)選用粒形和級配良好、壓碎值高、針片狀含量低、含泥量低、無堿活性的反擊破碎石。試驗(yàn)采用象山磊順石料有限公司生產(chǎn)的5～25 mm連續(xù)級配碎石，表觀密度2 620 kg/m3，緊密堆積密度1 580 kg/m3，壓碎值5.7%(參照《建設(shè)用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011))，含泥量0.4%。

機(jī)制砂及河砂海工混凝土減水劑均采用中交二航武漢港灣新材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑(LN-SP)，減水率29%。拌合水采用潔凈的自來水。

1.2 測試方法

混凝土拌合物性能試驗(yàn)按《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50080—2002)進(jìn)行?；炷亮W(xué)性能試驗(yàn)按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行?；炷量孤入x子滲透性能按《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法》(GB/T 50082—2009)的RCM法進(jìn)行。

1.3 顯微硬度測試原理

選擇一定的荷載，把顯微硬度儀壓頭壓入試件表面并保持一定的時間，卸去荷載，試樣表面壓出一個底面為正方形的正四棱錐壓痕，如圖1所示。測量正四棱錐壓痕兩條對角線的長度平均值d，則壓痕面積F為

其中:θ為壓頭與材料表面的接觸角，θ=68°。

再求得顯微硬度HV為

其中，P為載荷。

圖2為顯微硬度測點(diǎn)示意。根據(jù)圖中所示的測點(diǎn)分布在試件的拋光面上進(jìn)行顯微硬度測試，測試步長為10 μm。

圖1 顯微硬度儀壓頭形狀

圖2 顯微硬度測點(diǎn)示意

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 混凝土配合比優(yōu)選

根據(jù)30 m T梁足尺模型試驗(yàn)C50機(jī)制砂及河砂混凝土的技術(shù)要求，以“28 d齡期同強(qiáng)度等級”為目標(biāo)開展機(jī)制砂與河砂混凝土配合比設(shè)計(jì)和優(yōu)選?；炷猎囼?yàn)配合比及工作性能見表3。

表3C50機(jī)制砂與河砂混凝土試驗(yàn)配合比及工作性能

從表3可以看出，機(jī)制砂1#，2#在水膠比和用水量較低時，混凝土工作性能不良，主要表現(xiàn)為坍落度和流動度小，黏聚性差，骨料無法被漿體充分包裹;機(jī)制砂3#，4#在增加了膠凝材料和用水量后，坍落度增大，整體流動性和黏聚性明顯改善，骨料被漿體充分包裹，具有良好的工作性能。河砂混凝土的工作性能總體上略好于機(jī)制砂混凝土。與天然砂相比，機(jī)制砂顆粒多呈三角形或方矩體，顆粒表面粗糙，棱角多，球形度小，增大了混合材料之間的摩擦力［3-4］。進(jìn)行機(jī)制砂配合比設(shè)計(jì)時，選擇合適的膠凝材料用量［5-6］、砂率及減水劑摻量對機(jī)制砂混凝土的工作性能具有明顯影響。

圖3為C50機(jī)制砂與河砂混凝土的力學(xué)性能對比?？梢钥闯?，在力學(xué)性能方面，機(jī)制砂混凝土各齡期(4，7，28 d)的抗壓強(qiáng)度均優(yōu)于河砂混凝土，尤其是早期強(qiáng)度(4，7 d)，機(jī)制砂混凝土與河砂混凝土相比優(yōu)勢明顯。

圖3C50機(jī)制砂與河砂混凝土力學(xué)性能對比

機(jī)制砂3#和河砂1#坍落度分別為190，195 mm，工作性能相近，28 d抗壓強(qiáng)度分別為64.6，64.2 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求并且28 d齡期為同強(qiáng)度等級，因此推薦機(jī)制砂3#(JZS-ST)和河砂1#(HS-ST)的配合比分別為機(jī)制砂和河砂30 m T梁的混凝土施工配合比。

2.230 m T梁足尺模型試驗(yàn)

試驗(yàn)T梁尺寸采用中梁，梁高2.0 m，梁長30.0 m，頂板寬1.7 m，厚16 cm，根部加厚至25 cm，馬蹄寬度為50 cm，等高段長度20 cm，梁頂面按平坡設(shè)置。主梁采用C50混凝土，縱向預(yù)應(yīng)力采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線。制作了30 m T梁2片，機(jī)制砂混凝土梁和河砂混凝土梁各1片。T梁結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。

圖4T梁結(jié)構(gòu)布置(單位:mm)

根據(jù)室內(nèi)混凝土配合比的優(yōu)選工作，現(xiàn)場采用與室內(nèi)試驗(yàn)相同的原材料，以JZS-ST和HS-ST的配合比分別作為機(jī)制砂和河砂30 m T梁的混凝土施工配合比。

2.2.1 混凝土力學(xué)性能

圖5為機(jī)制砂及河砂混凝土留樣及取芯試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下和同條件養(yǎng)護(hù)條件下抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果。從圖中可知，在相同膠凝材料用量(480 kg/m3)時，機(jī)制砂混凝土的水膠比(0.32)比河砂混凝土水膠比(0.31)高的情況下，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的機(jī)制砂混凝土各齡期(3，7，28 d)的抗壓強(qiáng)度均比河砂混凝土高，具有明顯的力學(xué)優(yōu)勢，而機(jī)制砂混凝土稍大的水膠比也保證了其良好的工作性能和施工性能。機(jī)制砂混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展較快，7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了C50混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度以上。河砂混凝土與機(jī)制砂混凝土28 d抗壓強(qiáng)度接近，基本處于相同強(qiáng)度等級。

同條件養(yǎng)護(hù)條件下，河砂混凝土和機(jī)制砂混凝土比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下具有更高的抗壓強(qiáng)度。由于施工現(xiàn)場環(huán)境溫度較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件高，膠凝材料水化反應(yīng)快，抗壓強(qiáng)度發(fā)展更快。取芯試樣的混凝土齡期較長(46 d)，混凝土抗壓強(qiáng)度較高，機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度仍比河砂混凝土高。

圖6為機(jī)制砂及河砂混凝土留樣及取芯試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下彈性模量測試結(jié)果。從圖中可以看出，機(jī)制砂混凝土的水膠比在比河砂混凝土高的情況下，機(jī)制砂混凝土的彈性模量較河砂混凝土略高。

圖5C50機(jī)制砂及河砂混凝土留樣及取芯試塊的抗壓強(qiáng)度

圖6C50機(jī)制砂及河砂混凝土留樣及取芯試塊的彈性模量

2.2.2 抗氯離子滲透性能

機(jī)制砂及河砂混凝土的留樣及取芯試塊的氯離子擴(kuò)散系數(shù)測試結(jié)果見表4。

表4C50機(jī)制砂及河砂混凝土留樣及取芯試塊的氯離子擴(kuò)散系數(shù)×10-12m2/s

從表4可以看出，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，機(jī)制砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)比河砂混凝土略高。河砂混凝土與機(jī)制砂混凝土28 d和56 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下試樣氯離子擴(kuò)散系數(shù)均＜1.5×10-12m2/s，達(dá)到《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50164—2011)中RCM-Ⅴ級;自然養(yǎng)護(hù)條件下，河砂混凝土與機(jī)制砂混凝土46 d的取芯試樣氯離子擴(kuò)散系數(shù)均＜2.5×10-12m2/s，達(dá)到GB 50164—2011中的RCM-Ⅳ級。

取芯試樣的46 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)高，一方面是由于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的試樣由振搗棒振搗成型，混凝土密實(shí)，而自然養(yǎng)護(hù)的取芯試樣的混凝土由附著式振搗器振搗成型，密實(shí)效果比前者略差;另一方面，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下試樣養(yǎng)護(hù)水分充足，二次水化反應(yīng)充分，混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)，而自然養(yǎng)護(hù)條件下氣溫較高，濕度較低，養(yǎng)護(hù)水分較少，取芯試樣內(nèi)部孔隙較多，因此抗氯離子擴(kuò)散性能略差。

2.3 顯微硬度測試分析

對采用河砂和機(jī)制砂混凝土兩組試驗(yàn)配合比所成型的制作光片進(jìn)行顯微硬度測試，對比分析河砂和機(jī)制砂混凝土的界面過渡區(qū)和顯微硬度性能特征。

河砂和機(jī)制砂混凝土的界面過渡區(qū)形貌如圖7所示。從圖中可以看出，機(jī)制砂混凝土界面過渡區(qū)比河砂混凝土界面過渡區(qū)窄，河砂表面形貌相對于機(jī)制砂更加光滑，機(jī)制砂表面更加粗糙，機(jī)制砂粗糙的表面為C-S-H凝膠的粘結(jié)提供了良好的界面，因此機(jī)制砂在界面過渡區(qū)細(xì)骨料與C-S-H凝膠的結(jié)合更為緊密，提高了界面過渡區(qū)的粘結(jié)強(qiáng)度，使得機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能較河砂混凝土高。

圖7 河砂和機(jī)制砂混凝土的界面過渡區(qū)形貌

河砂和機(jī)制砂混凝土界面過渡區(qū)的顯微硬度測試結(jié)果如圖8所示。可以看出，機(jī)制砂混凝土界面過渡區(qū)的C-S-H凝膠的顯微硬度值比河砂的高，而隨著距骨料邊緣距離的增加，C-S-H凝膠的顯微硬度值也相應(yīng)地升高。

圖8 河砂和機(jī)制砂混凝土的界面過渡區(qū)顯微硬度

2.4 開裂試驗(yàn)

河砂與機(jī)制砂混凝土試驗(yàn)T梁分別以跨中雙支點(diǎn)加載(間距6 m)的形式，分1～28級荷載進(jìn)行加載，最大荷載為1 180 kN。河砂混凝土T梁在第15級加載后出現(xiàn)裂縫，對應(yīng)開裂荷載為572.0～600.6 kN，機(jī)制砂混凝土T梁在第18級加載后出現(xiàn)裂縫，對應(yīng)開裂荷載為629.2～686.4 kN。

河砂混凝土T梁首先在跨中區(qū)域處出現(xiàn)底板橫向裂縫和腹板垂直裂縫，隨著荷載的增加，裂縫區(qū)域由跨中向兩邊延展，裂縫條數(shù)不斷增加，并沿腹板出現(xiàn)斜向裂縫，裂縫長度不斷延展，裂縫寬度逐漸變寬，在第28級荷載加載完畢后，河砂混凝土T梁裂縫分布區(qū)域?yàn)?.27～24.09 m，裂縫最大寬度為0.61 mm;機(jī)制砂混凝土T梁的裂縫出現(xiàn)及發(fā)展規(guī)律與河砂混凝土T梁基本一致，但機(jī)制砂混凝土T梁裂縫分布區(qū)域?yàn)?.43～24.07 m，裂縫最大寬度為0.81 mm。

卸載后，河砂混凝土T梁與機(jī)制砂混凝土T梁均出現(xiàn)裂縫閉合和裂縫寬度變小現(xiàn)象，河砂混凝土T梁未閉合裂縫最大寬度為0.21 mm，機(jī)制砂混凝土T梁未閉合裂縫最大寬度為0.19 mm。

3 分析與討論

試驗(yàn)所用的混合膠凝材料中摻入了大量的粉煤灰和礦粉，導(dǎo)致混凝土水化C-S-H凝膠生成慢，早期強(qiáng)度偏低;而機(jī)制砂混凝土由于機(jī)制砂表面粗糙，棱角多，界面新鮮，使得機(jī)制砂—水化凝膠之間表現(xiàn)出了更好的嵌集咬合效應(yīng)，骨料緊密堆積效應(yīng)更強(qiáng)［7］，因此機(jī)制砂混凝土早期具有更高力學(xué)性能。

試驗(yàn)用機(jī)制砂由凝灰?guī)r破碎而成，河砂則為天然沖刷而成，在巖性方面的差別，使得機(jī)制砂具備比河砂更高的堅(jiān)固性;另一方面，由于機(jī)制砂粗糙的表面和多棱角形狀增強(qiáng)了自相嵌固作用［8］，使混凝土各部位的協(xié)同受力變形能力增強(qiáng)，體積穩(wěn)定性更好，變形較小，剛度較大［9］，因此機(jī)制砂混凝土的彈性模量比河砂混凝土高。

機(jī)制砂采用破碎成型的工藝，導(dǎo)致機(jī)制砂顆粒內(nèi)部存在微裂紋，孔隙率大，開口相互貫通的孔隙多［10］，形成氯離子擴(kuò)散滲透的通道，因而機(jī)制砂混凝土比河砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)高。

4 結(jié)論

通過C50機(jī)制砂與河砂混凝土30 m T梁足尺模型試驗(yàn)，對機(jī)制砂與河砂混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能進(jìn)行研究，結(jié)論如下:

1)機(jī)制砂混凝土通過調(diào)節(jié)單方用水量、優(yōu)選外加劑并適當(dāng)增大摻量，具備不劣于河砂混凝土的良好施工性能。

2)28 d齡期同強(qiáng)度等級條件下，C50機(jī)制砂混凝土與河砂混凝土相比具有更高的早期力學(xué)性能，力學(xué)性能優(yōu)勢明顯。同樣荷載條件下C50機(jī)制砂混凝土與河砂混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展變化規(guī)律相似。

3)C50機(jī)制砂混凝土抗氯離子滲透性能雖然略低于河砂混凝土，但其28 d和56 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣的氯離子擴(kuò)散系數(shù)均達(dá)到GB 50164中的RCM-Ⅴ級。

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Comparative experimental study on concrete performance of 30 m T-shaped beam full-scale model respectively using machine-made sand and river sand

QUAN Qingqing1，2，3，XU Wenbing1，2，3，QIN Mingqiang1，2，3，ZHOU Yujuan4
(1.CCCC Wuhan Harbor Engineering Design＆Research Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430040，China; 2.Key Laboratory of Large-span Bridge Construction Technology，Wuhan Hubei 430040，China; 3.Hubei Key Laboratory of Advanced Materials＆Reinforcement Technology Research for Marine Environment Structures，Wuhan Hubei 430040，China;4.Ningbo Expressway Construction Headquarters，Ningbo Zhejiang 315192，China)

T he“28 d with the same strength level”standard was used in C50 concrete mix design with machinemade sand and river sand，respectively.A 30 m T-shaped beam full scale model test was conducted.T he mechanical properties，durability and crack resistance were studied.T he mechanical properties of the concrete with machinemade sand outweigh those of concrete with river sand，with the same workability，chlorine penetration resistance，crack resistance.T his study has verified that the feasibility of the machine-made sand used for marine concrete in structures.

M achine-made sand;30 m T-shaped beam;M odel test;M arine concrete

TU528.1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.38

1003-1995(2015)12-0147-05

(責(zé)任審編周彥彥)

2015-08-12;

2015-09-22

寧波市交通運(yùn)輸委員會科技項(xiàng)目(201210);浙江省交通廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013H28-2)

全青青(1991—)，男，助理工程師。