C50機制砂高性能混凝土配合比優(yōu)化試驗研究

李志堂，白 偉，譚博盛，張博宇，伍文振，李銓洲

(1.廣東省長大公路工程有限公司，廣州 510620;2.廣西交通投資集團有限公司，南寧 530022)

機制砂混凝土已成為目前基礎建設中重要角色，也將緩解天然河沙匱乏的現(xiàn)狀。國內(nèi)外關(guān)于機制砂混凝土的研究及應用有相當多的報道[1]。其中，關(guān)于機制砂石粉含量對機制砂混凝土影響有較為深入的研究[2-8]。目前國內(nèi)規(guī)范對混凝土用機制砂的石粉含量要求是較為苛刻的，尤其是對于中高標號混凝土。而既有研究表明，適量的石粉含量對機制砂混凝土是有利的[9]。為此，沈衛(wèi)國等[10]提出了以粉料質(zhì)量指數(shù)PQI(Powder Quality Index)作為機制砂質(zhì)量分級的綜合指標，為確定機制砂石粉最優(yōu)含量及為機制砂質(zhì)量分級提供了新的依據(jù)。為了充分利用此工程項目制砂過程中所產(chǎn)生的多余石粉，確保機制砂混凝土性能的前提下，在已有的研究基礎上，通過對比粉煤灰及石粉不同摻入量，優(yōu)化機制砂混凝土配合比，以達到減少水泥用量及石粉排放的目的。

1 試驗研究

1.1 原材料

1)水泥：采用魚峰牌P.O.42.5水泥，主要性能指標見表1。

2)粉煤灰：為Ⅱ級粉煤灰，其具體指標見表2。

3)粗集料：采用自產(chǎn)5～31.5 mm連續(xù)級配石灰石碎石，表觀密度為2.714 kg/m3，松散堆積密度為1.64 kg/m3，壓碎值為12.2%。

表1 水泥性能指標

表2 粉煤灰的質(zhì)量指標試驗結(jié)果

4)細集料：為自產(chǎn)石灰?guī)r機制砂，細度模數(shù)2.9，壓碎值18%，石粉含量約5%～6%，亞甲藍MB值0.55 g/kg，表觀密度2.702 kg/m3，堆積密度1.638 kg/m3，空隙率37%，級配組成如圖1所示。

5)減水劑：采用UJ303型聚羧酸鹽高性能減水劑，固含量為25%，減水率為24%～37%。

1.2 試驗方法

1)拌和物工作性：按GB/ T 50080—2002《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》進行測試。

2)抗壓強度：按GB/ T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm立方體。

2 試驗結(jié)果分析

原配合比(表3)中，水泥的用量為480 kg/m3，用量較大。普通混凝土配合比優(yōu)化的出發(fā)點在于其他性能保持不變或者有所提高的前提下，減少水泥的用量或者用其他的膠凝材料(粉煤灰，石粉等)取代水泥，從而在確保同樣的性能情況下，減少成本，提高經(jīng)濟效益。

C50新配合比(表4)中，當高性能外加劑摻量摻到1.5%時，坍落度普遍都能達到180 mm左右，滿足設計混凝土對坍落度的要求。新配合比1#和2#的水膠比為0.34，新配合比3#、4#、5#、6#和7#的水膠比為0.32。具體各配合比的強度性能見表5。

表3 原C50配合比

表4 C50新設計優(yōu)化配合比

表5 C50各配合比的強度性能

從強度性能可以看出當水膠比為0.34時，強度達不到C50的設計要求。當水膠比降為0.32時，強度明顯提高，達到強度設計要求，因此水膠比為0.32是普通C50混凝土的最佳水膠比。粉煤灰的加入對混凝土的初期強度貢獻不大，因此從表中可以看出，摻加粉煤灰的7 d混凝土強度明顯低于原配合比中不摻粉煤灰的混凝土強度。但28 d強度顯示粉煤灰對混凝土后期強度貢獻較大。當水泥對后期強度的增長出現(xiàn)疲軟時，粉煤灰的火山灰效應和微集料效應體現(xiàn)出來，對混凝土后期強度的增長有很大的貢獻。

比較配合比3#和6#，發(fā)現(xiàn)其他參數(shù)不變的情況下，減少膠凝材料的總用量，相應增加集料的用量，強度反而還會小幅度上升，這主要是因為骨料的增加增強了混凝土的骨架的支撐作用，雖然膠材有所減少，但是強度不降反升。因此兩者相比，配合比6#可減少水泥用量，對于減少混凝土水化作用及降低成本更有優(yōu)勢。

比較配合比5#、6#和7#，發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰摻量的增加，強度有一個先增加后降低的過程。這主要的原因可能是，當粉煤灰的摻量低于10%時，粉煤灰的加入在混凝土中能夠很好的起到填充空隙的作用，使級配更加合理，混凝土更加密實，因此強度會有一個增加，但是摻量達到20%時，由于粉煤灰的含量過多，粉煤灰相比水泥活性低的性質(zhì)體現(xiàn)出來，強度會明顯下降。

通過比較配合比1#和2#、3#和4#，發(fā)現(xiàn)石粉作為膠凝材料摻加到高標號混凝土中，對強度的影響很大，實驗中石粉的摻量只有5%，但是不管是0.34的水膠比還是0.32的水膠比，石粉都會使混凝土的強度下降。一部分原因在于石粉的活性很低，基本不發(fā)生水化反應，對強度的貢獻主要還是填充效應，使得混凝土變得更加密實；另一個原因是機制砂本身石粉含量約5%～6%，所以再摻入過量石粉(中高標號機制砂混凝土中石粉含量不宜超過10%)，對機制砂混凝土強度是不利的。這與已有的研究結(jié)果是一致的。

綜合對比，8種配合比方案，配合比0#水泥用量偏高，28 d強度富余過多；而配合比2#的28 d強度富余過小。而配合比3#、5#、6#和7#只摻入粉煤灰。因為項目受地域影響，粉煤灰價格、供應量及質(zhì)量波動較大，這會對實際施工及質(zhì)量控制造成不利影響；且沒有摻入石粉，沒有起到減少石粉排放的目的。綜合考慮配合比4#為經(jīng)濟合理的優(yōu)化配比。

3 結(jié) 論

a.摻加粉煤灰的7 d混凝土強度明顯低于原配合比中不摻粉煤灰的7 d混凝土強度。但28 d強度顯示粉煤灰對混凝土后期強度貢獻較大。

b.其他參數(shù)不變的情況下，減少膠凝材料的總用量，相應增加集料的用量，強度反而還會小幅度上升。

c.隨著粉煤灰摻量的增加，強度有一個先增加后降低的過程。

d.石粉作為膠凝材料摻加到高標號混凝土中，對強度的影響很大，其摻入量應該考慮機制砂本身已有石粉的含量。

e.通過摻入適量的粉煤灰及石粉作為膠凝材料，可以替代部分水泥，既可以保證機制砂混凝土性能滿足要求，也可以利用掉部分制砂過程中所產(chǎn)生的多余石粉，降低混凝土成本，提高經(jīng)濟效益。

[1] Shen W,Yang Z,Cao L,et al.Characterization of Manufactured Sand:Particle Shape,Surface Texture and Behavior in Concrete[J].Construction & Building Materials,2016,114:595-601.

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[10] 沈衛(wèi)國,劉 燚,王中文,等.基于粉料質(zhì)量指數(shù)的機制砂分級標準研究[J].新世紀水泥導報,2017(6):9-16.