特細(xì)砂配制海工高性能混凝土技術(shù)及應(yīng)用

劉良合，焦緒學(xué)

（1.中交四航局第一工程有限公司，廣東廣州 510500；2.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011）

引言

特細(xì)砂細(xì)度模數(shù)在0.7～1.5，砂的顆粒比較小，比表面積較大，同中粗砂相比，膠材用量及單位用水量增大，混凝土強(qiáng)度會相對降低，且收縮率增大，容易產(chǎn)生干縮裂縫。國內(nèi)一般采用復(fù)配粗砂或機(jī)制砂的方法合成中砂配制高性能混凝土。

1 工程概況

項(xiàng)目位于非洲東海岸，為水工項(xiàng)目，混凝土用量約12 萬m3，主要是C45 高性能混凝土，主體構(gòu)件有預(yù)制板、箱涵、水下樁、PHC 樁芯、軌道梁、縱橫梁、無梁大板、碼頭面層、電纜槽等，主要采用泵送方式進(jìn)行澆筑。

當(dāng)?shù)刂挥屑?xì)度模數(shù)1.4～1.5 的特細(xì)砂，沒有機(jī)制砂或者其它粗粒徑的摻配調(diào)整砂的級配，只能直接用特細(xì)砂配制可以泵送的C45 高性能混凝土。特細(xì)砂混凝土坍落度較小時(shí)流動(dòng)性比較差，很難泵送，坍落度較大時(shí)流動(dòng)性很好但干縮較大，且在高溫條件下極易開裂。結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ虒?shí)際需要，配制C45 高性能混凝土，既要滿足強(qiáng)度等級及電通量要求，還要滿足混凝土具有良好的流動(dòng)性、可泵性及在非洲高溫條件下混凝土裂紋控制等要求。

2 當(dāng)?shù)鼗炷猎牧?/h2>

水泥采用當(dāng)?shù)匕凑諔?yīng)變生產(chǎn)的 Twiga CEMⅠ42.5 N 普通硅酸鹽水泥，28 天抗壓強(qiáng)度在45～50 MPa；碎石采用兩級配5～10 mm、10～20 mm 按3:7 摻配成5～20mm 的連續(xù)級配碎石；粉煤灰采用進(jìn)口印度R12 粉煤灰，0.045 篩余小于12 %；減水劑采用國內(nèi)生產(chǎn)的HSP-V 緩凝型聚羧酸高性能減水劑，減水率27 %；混凝土攪拌用水當(dāng)?shù)乜娠嬘镁?。砂是特?xì)砂，從地表1～5 米處古河床挖出，含泥量2～3 %，砂子的細(xì)度模數(shù)1.4～1.5，顆粒主要分布在0.15～0.6 mm.分布比較均勻，波動(dòng)不大。

表1 不同水泥用量時(shí)最佳砂率測試

圖1 砂的篩分曲線圖

3 混凝土配合比試驗(yàn)

單獨(dú)使用特細(xì)砂配制混凝土情況下，配制原則通常采用低砂率，低坍落度，低水泥用量和粉煤灰的超量取代方法[1]，泵送混凝土一般坍落度控制在140～200 mm，同時(shí)由于特細(xì)砂高性能混凝土容易產(chǎn)生早期塑性裂縫[2]，C45 海工高性能泵送混凝土配合比需要滿足以下幾個(gè)方面:

1）和易性良好，泵送方便，易于澆筑；

2）強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求；

3）耐久性符合要求，電通量小于1 000 C；

4）高溫下裂紋控制，無明顯裂紋。

3.1 砂率試驗(yàn)

特細(xì)砂混凝土砂率較中粗砂混凝土低 6～12 %[3]，細(xì)度模數(shù)越小，砂率越小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取320 kg、380 kg、440 kg 水泥，按照0.55、0.45、0.35水膠比試配了三個(gè)配合比，按照在水膠比及用水量不變情況下，對每個(gè)配合比通過不同砂率的混凝土坍落度試驗(yàn)。

圖2 最佳砂率變化曲線

由圖可知，300 kg 水泥時(shí)最佳砂率是0.38，360 kg 水泥時(shí)最佳砂率是0.36，420 kg 水泥時(shí)最佳砂率是0.33。不同水泥用量，最佳砂率不同，水泥用量變大，最佳砂率變小，試拌過程中還發(fā)現(xiàn)三個(gè)配合比在低于最佳砂率時(shí)，砂率越小時(shí)混凝土和易性越差，且容易泌水。高于最佳砂率時(shí)，砂率越大，混凝土黏聚性越差，坍落度變小、混凝土慢慢離散。特細(xì)砂顆粒較小，低砂率時(shí)泌水和高砂率時(shí)黏聚性變差都隨著砂率變化非常靈敏，因特細(xì)砂顆粒較小，級配較差，比表面積較大，砂率對混凝土和易性影響非常明顯。

3.2 混凝土配制

通過砂率試驗(yàn)得到合適的砂率，對C45 配合比選取0.31、0.33、0.35 三個(gè)砂率，變化水膠比，砂率，粉煤灰摻量，進(jìn)行配合比試拌試驗(yàn)，檢測混凝土和易性及抗壓28 天強(qiáng)度，選取合適的配合比。

表2 配合比試拌試驗(yàn)

表3 混凝土各項(xiàng)性能

從表中坍落度及1.5 h 坍落度損失可以看出，C45-2、C45-3、C45-5、C45-7、C45-8 等4 種情況都滿足設(shè)計(jì)要求，但C45-7 粘聚性和保水性一般，C45-2、C45-3 膠材用量較高，結(jié)果顯示強(qiáng)度過高，C45-8 的試驗(yàn)結(jié)果則強(qiáng)度偏低，根據(jù)C45 的試配強(qiáng)度公式：fcu,o=fcu,k+1.645=45+1.645×5=53.2MPa,所以選取C45-5 作為配合比較為合適。

表4 混凝土配合比

從C45-5 配合比可以看出，相對于中粗砂38～45 %，特細(xì)砂配合比砂率要小一些。

在C45-5 配合比基礎(chǔ)上，分別減少和增加5 %相同水膠比的水泥漿，檢測后發(fā)現(xiàn)減少水泥漿混凝土坍落度變小同時(shí)，混凝土收縮率也變小，增加水泥漿，混凝土坍落度變大，混凝土收縮率也變大。

在C45-5 配合比基礎(chǔ)上，只改變5～10 mm、10～20 mm 碎石比例，按照1:9、2:8、3:7、4:6、5:5摻配檢測混凝土，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1:9 和5:5 比例的混凝土和易性較差，不適合泵送，2:8 收面較差，4:6 強(qiáng)度比3:7 的低2.4MPa，混凝土收縮率1:9 最小，5:5最大。

3.3 粉煤灰摻量對混凝土性能影響

在C45-5 配合比基礎(chǔ)上，只改變粉煤灰摻量，按照5 %、10 %、15 %、20 %、25 %、30 %、35 %摻量試拌，試拌中發(fā)現(xiàn)，隨著摻量變大，混凝土和易性、密實(shí)度性能變好，通過測試混凝土坍落度，電通量，28 天收縮率。電通量采用混凝土電通量快速測定方法，在60 V 直流電壓下，6 h 通過直徑為93～97 mm，厚度為51±3 mm 的混凝土試件的電量來反應(yīng)抗氯離子滲透性能。28 天收縮率采用混凝土收縮率測定儀，測試28 天混凝土收縮量與初始長度比值，測定收縮率。試驗(yàn)結(jié)果如下表：

表5 粉煤灰摻量對混凝土性能影響表

根據(jù)粉煤灰摻量變化試驗(yàn)結(jié)果可以分析出，隨著粉煤灰的摻量增加，粉煤灰的“填充效應(yīng)”和“滾珠效應(yīng)”發(fā)生作用，且吸水量比小于1，有效的改善了混凝土和易性和密實(shí)度，使得坍落度變大，同時(shí)電通量、28 天抗壓強(qiáng)度、收縮率變小。電通量變小，說明混凝土耐久性能變好。粉煤灰摻量的增加，收縮率變小，并且降低了水化熱，有效的降低了混凝土裂紋的產(chǎn)生。隨著粉煤灰摻量增加，混凝土28天抗壓強(qiáng)度降低，結(jié)合當(dāng)?shù)厮嗨斓奶匦裕勖夯覔搅吭?5～25 %時(shí)28 天強(qiáng)度較為理想。

3.4 含泥量對混凝土性能影響

當(dāng)?shù)氐奶丶?xì)砂全部從地表開采，不可避免帶有部分泥，而含泥量對混凝土的性能破壞極其嚴(yán)重，含泥量過大減小了水泥漿與碎石之間的摩擦力，使混凝土內(nèi)應(yīng)力增加，容易產(chǎn)生滑動(dòng)，增加了開裂風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)降低了水泥漿與碎石的粘結(jié)強(qiáng)度，使得混凝土強(qiáng)度降低，也降低了混凝土的耐久性。

采用C45-5 配合比不變，通過加入泥土改變砂的含泥量，測試從1～9 %測試混凝土和易性及強(qiáng)度，電通量，檢測含泥量的控制界限。

表6 含泥量對混凝土性能影響

圖3 含泥量對坍落度影響

圖4 含泥量對強(qiáng)度影響

根據(jù)含泥量試驗(yàn)結(jié)果，可以分析出：

①隨著含泥量增加，出機(jī)坍落度變小，1 h 后坍落度損失隨著含泥量增加而變大，含泥量越大，對混凝土和易性影響越顯著；

②含泥量3 %時(shí)，28 天強(qiáng)度達(dá)到配制強(qiáng)度53.2 MPa 要求，效果理想。含泥量7 %時(shí)，混凝土強(qiáng)度也達(dá)到了C45 設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級，但電通量已經(jīng)無法滿足設(shè)計(jì)要求，所以含泥量控制在3 %以內(nèi)混凝土質(zhì)量很好，極限不能超過6 %。

③根據(jù)圖中趨勢還可以發(fā)現(xiàn)，含泥量小于6 %時(shí)，強(qiáng)度及坍落度變化較小，大于6 %后變化較大。

④含泥量越大，強(qiáng)度越?。浑娡吭酱?，混凝土的耐久性越差。

4 試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)分析

從試拌試驗(yàn)過程結(jié)果可以分析出，膠材不變，影響特細(xì)砂混凝土和易性最主要的因素是砂率及含泥量。砂率過低，混凝土和易性不好，易泌水，流動(dòng)性差，砂率過高，用水量大，混凝土易離散，最佳砂率需要根據(jù)原材料性能試拌決定。含泥量越低，用水量越低，坍落度損失越小，28 天強(qiáng)度越高，電通量越小，耐久性越好，含泥量越高，用水量越高，坍落度損失越大，28 天強(qiáng)度越低，電通量越大，耐久性越差。含泥量控制在3 %以內(nèi)混凝土性能較好。粉煤灰顆粒比水泥小，填充效應(yīng)有效的改善了混凝土和易性和密實(shí)度，減少了混凝土收縮及開裂風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)了混凝土耐久性。

5 特細(xì)砂混凝土在工程中的應(yīng)用

工程已經(jīng)澆筑了4 萬多方C45 混凝土，混凝土質(zhì)量良好，完成了3 個(gè)泊位的移交，施工過程中發(fā)現(xiàn)，2 000 多組混凝土試塊28 天抗壓強(qiáng)度在48～60 MPa 之間，混凝土電通量在900～950 C 之間，滿足設(shè)計(jì)要求。特細(xì)砂顆粒較小，引入的空氣較多，振搗后側(cè)面容易堆積小氣泡，導(dǎo)致側(cè)面容易出現(xiàn)較多的小氣孔，特細(xì)砂混凝土振搗后預(yù)制板、箱涵、無梁大板側(cè)面漿體較多，容易形成1～2mm 厚帶有小氣孔的特細(xì)砂漿體表層，使得混凝土側(cè)面回彈強(qiáng)度低于內(nèi)部實(shí)體強(qiáng)度，通過與芯樣對比，低了5～10 MPa。

特細(xì)砂中的含泥量按照英標(biāo)規(guī)范控制在3%以內(nèi)，但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，由于特細(xì)砂顆粒較小，小于0.075 mm 的含泥量顆粒中有很多是砂粒，采用水洗篩分法測的含泥量會比實(shí)際含泥量高很多，水洗篩分法在特細(xì)砂含泥量檢測中依然有不足之處，砂中一定量的小于0.075 mm 粉砂對增加混凝土密實(shí)性、提高混凝土強(qiáng)度還是有益的[4]，且前期加入泥土的砂含泥量在6 %之內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混凝土各項(xiàng)指標(biāo)依然合格，通過砂當(dāng)量等其它試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)際含泥量，更能反映砂的潔凈程度，以此綜合判斷特細(xì)砂能否使用會更合理一些。

氣溫在22～35℃，Twiga CEMⅠ42.5 N 普通硅酸鹽水泥水化快，為測試混凝土溫度，高溫時(shí)澆筑了一個(gè)5 m×3 m×0.45 m 預(yù)制板、一個(gè)1 m×1 m×1 m立方塊、一個(gè)1.5 m×1.5 m×1.5 m 立方塊，入模溫度35℃，布置溫度傳感器測試混凝土中心線底部溫度，中心溫度，1/4 厚度中心溫度，表面溫度，寬中部溫度，邊角中心溫度，部分溫度數(shù)據(jù)如下表：

表7 溫度測試數(shù)據(jù)表

邊長1.5 m 的立方塊，澆筑24 小時(shí)后中心達(dá)到最高溫度83.2℃，溫度太高，與表面溫差較大，出現(xiàn)裂紋較多；邊長1 米的立方塊有1 小條裂紋，澆筑 22 小時(shí)后中心達(dá)到最高溫度71.2℃；預(yù)制板厚度0.45 m，灑水養(yǎng)護(hù)后散熱較快，中心最高溫度61.3℃，與表面溫差較小，澆筑時(shí)入模溫度35℃混凝土沒有開裂。同時(shí)控制混凝土入模溫度及澆筑厚度，在入模溫度35℃，厚度0.45 m 時(shí)，混凝土沒有開裂。現(xiàn)場澆筑大體積無梁大板時(shí)，澆筑厚度0.45 m,混凝土入模溫度34.8℃，澆筑后達(dá)到中心最高溫度62.3℃時(shí)，表面溫度45.3℃，氣溫31.6℃，混凝土無裂紋出現(xiàn)。澆筑厚度增加到0.6 m，混凝土入模溫度34.4℃，中心最高溫度為66.4℃，表面溫度48.2℃，氣溫32.7℃，混凝土無裂紋，之后混凝土澆筑厚度控制在0.3～0.6 m。實(shí)測混凝土最高溫度在澆筑后24 小時(shí)左右達(dá)到，混凝土終凝后及時(shí)覆蓋土工布連續(xù)不斷灑水養(yǎng)護(hù)，三個(gè)泊位無梁大板都沒有裂紋出現(xiàn)。

工程在海邊，時(shí)常有大風(fēng)，混凝土面層在高溫暴曬下失水較快，初凝前表面容易出現(xiàn)微小的蛛網(wǎng)狀裂紋，可通過二次收面消除，混凝土終凝后及時(shí)覆蓋土工布，灑水養(yǎng)護(hù)。

6 結(jié)語

通過試驗(yàn)和工程實(shí)際應(yīng)用，配制出滿足設(shè)計(jì)要求的特細(xì)砂海工高性能混凝土。充分運(yùn)用當(dāng)?shù)刭Y源，解決了當(dāng)?shù)靥丶?xì)砂混凝土的配合比設(shè)計(jì)及現(xiàn)場應(yīng)用問題，為其它同類型特細(xì)砂工程提供了參考。當(dāng)?shù)靥丶?xì)砂混凝土還發(fā)現(xiàn)如下特點(diǎn)：

1）特細(xì)砂的砂率影響混凝土和易性最明顯，相同配合比，砂率增加1 %，坍落度降低15～20 mm。

2）特細(xì)砂的顆粒較小，引入混凝土的空氣較多，減水劑引入消泡成分可降低含氣量，振搗后混凝土表面依然會帶有不少小氣泡，無法消除所有小氣泡孔，如何減少特細(xì)砂混凝土表面小氣泡這個(gè)問題有待于進(jìn)一步研究。

3）特細(xì)砂混凝土側(cè)面細(xì)砂漿及細(xì)小氣泡孔會造成混凝土表面強(qiáng)度較低，回彈法測特細(xì)砂混凝土強(qiáng)度誤差較大。

4）特細(xì)砂中小于0.075 mm 的砂顆粒較多，采用水洗篩分法檢測的干凈特細(xì)砂含泥量遠(yuǎn)高于3 %，細(xì)砂粒對混凝土密實(shí)性有益，需要把砂粒和土粒區(qū)分開來。