混合砂對(duì)C55地鐵混凝土耐久性的影響及機(jī)理分析

曹亮

（福建東南鐵正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，福建 福州 350019）

混合砂對(duì)C55地鐵混凝土耐久性的影響及機(jī)理分析

曹亮

（福建東南鐵正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，福建 福州 350019）

本文通過(guò)對(duì)福州地鐵長(zhǎng)樂(lè)段某標(biāo)段 C55 混凝土配方設(shè)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討了運(yùn)用于有氯鹽環(huán)境機(jī)制砂混凝土配合比技術(shù)要求及混凝土特性。通過(guò) RCM 法、電通量法、抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)法、靜力受壓彈性模量試驗(yàn)法及抗壓強(qiáng)度法等方式，測(cè)試機(jī)制砂與天然河砂通過(guò)不同摻配比例設(shè)計(jì)的混凝土配合比，發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂石粉含量在 10%以內(nèi)時(shí)，隨著機(jī)制砂摻量的增加（石粉含量也相應(yīng)的增加），電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)值相應(yīng)降低，抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)、靜力受壓彈性模量、抗壓強(qiáng)度相應(yīng)增大。經(jīng)試驗(yàn)論證后的機(jī)制砂混凝土成功運(yùn)用在有氯鹽環(huán)境的福州地鐵長(zhǎng)樂(lè)段某標(biāo)段 C55 混凝土中。

機(jī)制砂；石粉；混凝土；耐久性能

1 概述

作為混凝土重要組成部分的細(xì)集料——天然河砂資源日益短缺，為避免過(guò)度開(kāi)采、濫采，影響生態(tài)以及江河防洪堤、航運(yùn)和橋梁使用安全，有必要通過(guò)推廣應(yīng)用機(jī)制砂滿足建設(shè)工程用砂。

機(jī)制砂在粒狀、級(jí)配等方面與河砂有明顯的區(qū)別，并且含有大量粒徑小于 0.075mm 的“石粉”，其性狀與“泥粉（河砂中粒徑小于 0.075mm 的顆粒）”幾乎完全不同。近年來(lái)，隨著對(duì)混凝土研究的不斷深入，嚴(yán)格控制機(jī)制砂質(zhì)量，合理調(diào)整配合比，機(jī)制砂越來(lái)越多地運(yùn)用于各個(gè)重點(diǎn)工程的混凝土中，適量的石粉反而對(duì)機(jī)制砂混凝土的工作性、強(qiáng)度及耐久性有增強(qiáng)作用。

福州是一個(gè)沿海城市，很多重要基礎(chǔ)設(shè)施，如跨海大橋、堤壩等海工建筑物，以及在建的地鐵項(xiàng)目，所用的混凝土都需要有較高的抗氯離子侵蝕能力。因此，開(kāi)發(fā)合格的、具有較好的抗氯離子滲透性能等耐久性能的機(jī)制砂混凝土是十分必要的。本文根據(jù)對(duì)福州地鐵長(zhǎng)樂(lè)段某標(biāo)段 C55 混凝土配比方案試驗(yàn)，討論機(jī)制砂不同配比在有氯鹽環(huán)境下混凝土耐久性表現(xiàn)特性。

2 混合砂配比試驗(yàn)

2.1 混凝土耐久性設(shè)計(jì)方案

TB 10424—2010《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)不同環(huán)境作用等級(jí)和不同使用年限的混凝土最低強(qiáng)度等級(jí)、最大水膠比及單方膠凝材料最低用量都做了一系列規(guī)定。氯鹽環(huán)境下重要的配筋混凝土工程，宜在設(shè)計(jì)中提出混凝土抗氯離子侵入性的指標(biāo)作為混凝土耐久性質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)之一。可通過(guò) GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中：

（1）快速氯離子遷移系數(shù)法（或稱 RCM 法）測(cè)得氯離子擴(kuò)散系數(shù) DRCM值；

（2）測(cè)定通過(guò)混凝土試件的電通量，確定混凝土抗氯離子滲透能力。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及筆者的工作經(jīng)驗(yàn)，本文所要研究的配合比技術(shù)指標(biāo)要求如下：

（1）氯鹽環(huán)境下的配筋混凝土應(yīng)采用大摻量或較大摻量礦物摻合料的低水膠比混凝土。

（2）RCM（56d）≤3.0×10-12m2/s。

（3）電通量（56d）≤1000C。

（4）膠材方面：宜復(fù)合使用粉煤灰加礦渣或兩種以上的礦物摻合料，盡可能避免使用早強(qiáng)水泥和 C3A含量偏高的水泥，為了提高抗?jié)B性能，宜摻入優(yōu)質(zhì)粉煤灰（≥Ⅱ級(jí)灰）等超細(xì)礦物摻合料，以控制混凝土初期開(kāi)裂與收縮裂縫，以確保結(jié)構(gòu)混凝土自防水性能。

（5）集料方面：選用堅(jiān)固耐久、級(jí)配合格、粒形良好的潔凈骨料，粗骨料最大粒徑不宜大于 30mm，且不應(yīng)大于鋼筋骨架最小凈間距的 3/4，宜采用 5～25mm粒徑。骨料應(yīng)滿足骨料級(jí)配和粒形的要求，并應(yīng)采用單粒級(jí)石子兩級(jí)配，不得采用堿活性骨料，骨料的堿—硅酸鹽反應(yīng)砂漿棒膨脹率或堿—碳酸鹽反應(yīng)巖石柱膨脹率小于 0.10%，細(xì)骨料在開(kāi)采、運(yùn)輸、堆放和使用過(guò)程中，應(yīng)采取防止遭受海水污染或混用海砂的措施。

2.2 試驗(yàn)原材料

（1）水泥：福州臺(tái)泥水泥有限公司生產(chǎn)的 P·Ⅱ52.5 水泥。

（2）天然砂：產(chǎn)地福州閩江。

（3）人工砂：產(chǎn)地福州長(zhǎng)樂(lè)。

（4）碎石：產(chǎn)地福州長(zhǎng)樂(lè)，采用 5～10mm 和10～25mm 混合的二級(jí)配反擊破碎石。

（5）粉煤灰：三友兄弟（福建）非金屬有限公司生產(chǎn)的 F 類 Ⅰ級(jí)粉煤灰。

表 1 骨料性能指標(biāo)檢驗(yàn)

表 2 膠凝材料性能指標(biāo)檢驗(yàn)

（6）減水劑：西卡河北建筑材料有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為 HPWR-A 的高性能減水劑。

（7）礦渣粉：福建源鑫環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的S95 型礦粉。

（8）拌合用水為自來(lái)水。

原材料檢驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1 和表 2。

表 1 與表 2 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合混凝土耐久性指標(biāo)及TB 10424—2010《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》要求，可以用于有氯鹽環(huán)境要求的 C55 地鐵混凝土設(shè)計(jì)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在其他原材料用量一定的前提下，通過(guò)機(jī)制砂與河砂不同摻配比例設(shè)計(jì)配合比，使用 RCM 法、電通量法、抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)法、靜力受壓彈性模量試驗(yàn)法及抗壓強(qiáng)度法等方式檢測(cè)不同摻配比例混合砂對(duì)混凝土耐久性的影響。

各配合比如表 3 所示。

表 3 根據(jù)砂的不同摻配比例設(shè)計(jì)的配合比 kg/m3

根據(jù)不同摻配比例的混合砂設(shè)計(jì)的配合比進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 4。

表 4 不同摻配比例砂的混凝土數(shù)據(jù)檢驗(yàn)指標(biāo)

（1）不同摻配比例的混合砂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，如圖 1。

圖 1 不同摻配比例砂的混凝土各齡期強(qiáng)度

根據(jù) GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》要求，當(dāng)機(jī)制砂 MB＜1.4 時(shí)，用于混凝土中機(jī)制砂石粉含量不應(yīng)大于 10%。因而本次機(jī)制砂石粉含量控制在 10% 以內(nèi)，檢驗(yàn)結(jié)果為 8.1%。由圖 1 可以發(fā)現(xiàn)，隨著機(jī)制砂摻量增多（石粉含量也隨之增加），強(qiáng)度也隨之提高，因?yàn)椋?）石粉顆粒較細(xì)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有一定的填充作用，可以有效填充混凝土內(nèi)部顆?？紫叮淖兞嘶炷量紫督Y(jié)構(gòu)，使硬化后機(jī)制砂混凝土結(jié)構(gòu)更加致密；2）石粉具有活性，在水化過(guò)程中可與水泥發(fā)生反應(yīng)，生成使混凝土更加密實(shí)的碳鋁酸鹽，提高了混凝土強(qiáng)度。

（2）不同摻配比例的混合砂對(duì)混凝土電通量或氯離子遷移系數(shù)的影響，如圖 2、圖 3。

圖 2 不同摻配比例砂的混凝土電通量值

圖 3 不同摻配比例砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)值

從圖 2、3 數(shù)據(jù)可以看出，隨著混合砂中機(jī)制砂比例不斷提高（石粉含量隨之提高），電通量與氯離子擴(kuò)散系數(shù)不斷減小，因?yàn)槭鄣奶畛湫?yīng)可以增加混凝土密實(shí)度，減少毛細(xì)孔數(shù)量和界面泌水率，同時(shí)，由于機(jī)制砂表面棱角較多，從而增強(qiáng)了漿體與機(jī)制砂表面的粘結(jié)力，從而提高了混凝土的密實(shí)度，提高了混凝土抗氯離子能力。

（3）不同摻配比例的混合砂對(duì)混凝土彈性模量的影響，如圖 4。

圖 4 不同摻配比例砂混凝土的彈性模量值

從圖 4 數(shù)據(jù)可以看出，隨著機(jī)制砂比例不斷提高，石粉含量也隨之增大，彈性模量也隨著增大，因?yàn)榛炷翉椥阅Ａ坎粌H與混凝土強(qiáng)度有關(guān)，還與混凝土受壓變形量有關(guān)，由于機(jī)制砂表面比河砂粗糙，從而可以提高漿體與集料表面的粘結(jié)力，顆粒之間機(jī)械齒合力強(qiáng)，降低變形量，進(jìn)而增大彈性模量。

（5）不同摻配比例的混合砂對(duì)混凝土抗蝕系數(shù)的影響，如圖 5。

圖 5 不同摻配比例砂混凝土的抗蝕系數(shù)值

由圖 5 數(shù)據(jù)可以看出，隨著混合砂在混凝土中摻配比例不斷提高，抗蝕系數(shù)呈微弱增大趨勢(shì)，因?yàn)樗嗷炷亮蛩猁}侵蝕是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，混凝土組分因侵蝕而發(fā)生變化，一些學(xué)者認(rèn)為，硫酸鈉對(duì)含有石粉的混凝土的侵蝕破壞，主要是因?yàn)殁}礬石和石膏的生成及膨脹導(dǎo)致混凝土試件破壞，造成混凝土強(qiáng)度降低，硬化水泥中的水化產(chǎn)物與反應(yīng)生成鈣礬石晶體，這種晶體填充在混凝土試件內(nèi)部的空隙中，并且不斷膨脹體積，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，鈣礬石晶體在試件內(nèi)部的空隙里不斷積累，毛細(xì)管中的晶體壓力不斷增大，由此產(chǎn)生的壓力發(fā)展到一定程度，會(huì)使局部發(fā)生斷裂，開(kāi)裂處形成新的表面，顆粒脫落，會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低，質(zhì)量降低；而破壞的人工砂中鈣礬石晶體明顯少于河砂中的晶體，進(jìn)一步驗(yàn)證了人工砂混凝土抗硫酸鹽侵蝕強(qiáng)于河砂混凝土。

3 結(jié)論

（1）機(jī)制砂石粉量在 10% 以內(nèi)，在混合砂中，隨著機(jī)制砂比例不斷提高（石粉隨著提高），直至提高到完全摻配機(jī)制砂，混凝土抗壓強(qiáng)度有增大趨勢(shì)。

（2）機(jī)制砂石粉量在 10% 以內(nèi)，在混合砂中，隨著機(jī)制砂比例不斷提高（石粉隨著提高），直至提高到完全摻配機(jī)制砂，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量呈降低趨勢(shì)。

（3）機(jī)制砂石粉量在 10% 以內(nèi)，在混合砂中，隨著機(jī)制砂比例不斷提高（石粉隨著提高），直至提高到完全摻配機(jī)制砂，混凝土彈性模量有增大趨勢(shì)。

（4）機(jī)制砂石粉量在 10% 以內(nèi)，在混合砂中，隨著機(jī)制砂比例不斷提高（石粉隨著提高），直至提高到完全摻配機(jī)制砂，石混凝土抗蝕系數(shù)呈微弱增大趨勢(shì)。

（5）本文通過(guò)機(jī)制砂與河砂的不同摻配比例，重點(diǎn)研究了對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、抗蝕系數(shù)及彈性模量等性能指標(biāo)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著機(jī)制砂摻配比例不斷的提高，混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)都有顯著提升，當(dāng)達(dá)到全部摻配機(jī)制砂時(shí)，配合比的各項(xiàng)性能指標(biāo)較各種摻配比例為最優(yōu)，并且該配合比成功運(yùn)用于福州地鐵六號(hào)線長(zhǎng)樂(lè)段某標(biāo)段。

[1]GB/T 50082—2009．普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]．

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[6]王稷良．機(jī)制砂特性對(duì)混凝土性能的影響及機(jī)理[C].武漢：武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2008．

曹亮（1985—），男，工程師，本科，主要從事混凝土配合比設(shè)計(jì)研究。

［通訊地址］福州市倉(cāng)山區(qū)螺洲鎮(zhèn)杜園村 6 號(hào) 福建東南鐵正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司（350019）