孤石機制砂與細砂混合比例對混凝土性能的影響

程曉來，劉翌辰，任龍芳

(1.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 10013)

該文依托金港(金邊-西哈努克港)高速公路工程，公路全長187.05 km，全線共設橋梁(含分離立交、通道橋)總長 6 876.96 m /112 座，混凝土用量大，保證混凝土質(zhì)量對于整個工程質(zhì)量的提升意義重大。

砂石骨料是混凝土中不可缺少的原材料。近年來大規(guī)模的工程建設使得優(yōu)質(zhì)天然砂石資源日趨匱乏，加之各國政府加緊了對天然砂石開采的管理及限制，導致天然砂石出現(xiàn)供應困難、質(zhì)量下降、價格上漲等問題[1]。機制砂部分或全部替代河砂用于混凝土工程成為必然。項目擬建線路周邊存在大量孤石，孤石一般直徑 0.50～2.00 m，可見最大直徑>5 m，亞圓型，堅硬，主要礦物為石英和長石，具備作為機制砂石骨料的潛力，該孤石主要巖性為凝灰?guī)r，含有SiO2、Al2O3、K2O和Na2O等主要成分，具有一定的化學活性，對于提升混凝土強度具有一定作用[2,3]。實現(xiàn)金港高速沿線廢棄孤石資源在高速公路建設中的應用，可以達到節(jié)約資源、提升工程質(zhì)量、降低工程成本的目的。

機制砂表面粗糙、尖銳多棱角，與水泥、集料等的粘結性較好，制備的混凝土強度較高，但由于顆粒級配差，容易對混凝土的工作性產(chǎn)生負面影響[4]；天然細砂表面光滑、棱角較少、粒徑分布較均勻，用于配制混凝土時可以起到潤滑、填充骨料顆?？障兜淖饔茫欣谔岣呋炷恋牧鲃有訹5]，但由于細度模數(shù)太低、比表面積過大，配制混凝土時需要更高的用水量及水泥用量才能保證混凝土的工作性能，故特細砂多用于強度等級較低的混凝土[6]。因此將機制砂和細砂混合使用，可充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，既能彌補顆粒級配的不足，又能減小細骨料的比表面積和孔隙率，解決兩種砂單獨使用時存在的問題。但目前有關混合砂制備混凝土的工程應用研究相對較少。該文通過實驗，確定出機制砂和天然細砂的最佳混合比例，采用混合砂配制出性能優(yōu)異的 C30 混凝土，該成果可為金港高速公路工程和類似工程提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

1)水泥：普通硅酸鹽42.5水泥，初凝161 min，終凝242 min，3 d和28 d抗壓強度分別為22.3 MPa、49.2 MPa。

2)外加劑：聚羧酸高性能減水劑含固量為16.2%，減水率為18.2%。

3)Ⅱ級粉煤灰：細度11%，需水量99%。

4)細骨料：孤石機制砂，細度模數(shù)3.36，石粉含量9.6%，MB值1.1。

5)細砂：柬埔寨地區(qū)特細砂，細度模數(shù)1.92。

6)粗骨料：5～20 mm連續(xù)級配碎石，表觀密度2 642 kg/m3，堆積密度1 626 kg/m3，吸水率1.3%，壓碎值6.3%。

1.2 混合砂細度模數(shù)分析

機制砂和細砂按照8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8的比例混合，通過篩分試驗計算細度模數(shù)，實驗結果如表1所示。

表1 混合砂的篩分數(shù)據(jù)與細度模數(shù) /%

從表1可以看出，不同比例混合砂的細度模數(shù)均在2.3～3.0 mm之間，均屬中砂。隨機制砂摻量增多，混合砂的細度模數(shù)逐漸增大；所有的混合砂級配曲線均在Ⅱ區(qū)范圍內(nèi)，符合泵送混凝土對砂顆粒級配的要求。

1.3 試驗配合比

在膠凝材料用量、用水量、水膠比、砂石用量、減水劑用量固定的前提下，將機制砂和細砂按不同比例進行混合，制備C30混凝土。配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比

1.4 試驗方法

參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》GB/T50080—2016對混凝土工作性能進行測試。

參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》GB/T 50081—2019對混凝土力學性能進行測試，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，混凝土原材料在攪拌機中攪拌90 s，振動成型試塊，放在溫度20 ℃，濕度60%的室內(nèi)放置24 h，然后拆模放入標準養(yǎng)護室內(nèi)，養(yǎng)護到試驗齡期開展試驗。

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T50082—2009 對混凝土抗?jié)B性能進行測試。

2 結果與分析

2.1 混合砂混合比例對混凝土工作性能的影響

混合砂混合比例對C30混凝土工作性能的影響如表3所示，隨機制砂比例的增大，混凝土坍落度呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律，和易性變化類似。在機制砂和細砂比例5∶5時，混凝土的和易性最佳、坍落度較大、坍損較小。在機制砂和細砂比例8∶2時，混凝土出現(xiàn)離析現(xiàn)象。主要原因：機制砂級配不合理，保水性差、易離析，且顆粒表面粗糙、有許多微裂縫和孔洞，會吸走拌合物中的水分，導致拌合物流動性降低，坍落度減小；而天然細砂的比表面積較大，膠凝材料及水膠比一定的情況下，過多細砂會增加混合砂的需水量，導致拌合物流動性變差，坍落度降低[7]。

表3 混合砂混合比例對混凝土工作性的影響

2.2 混合砂混合比例對混凝土抗壓強度的影響

混合砂混合比例對C30混凝土抗壓強度的影響如圖1所示，隨機制砂比例的增加，混凝土3 d、7 d和28 d的抗壓強度均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，當機制砂摻量50%時，制備的C30混凝土的3 d、7 d和28 d的強度最高。28 d強度值達到45.9 MPa。這是因為機制砂的顆粒尖銳，多棱角，表面粗糙，使其與水泥漿體的粘結力增大，機械咬合作用增強，同時機制砂含有一定的石粉，可以填補混凝土中的孔洞，改善混凝土孔結構，增加混凝土結構密實度，提高混凝土的抗壓強度，改善早期抗裂性能[8]。但機制砂摻量過多，會導致混凝土出現(xiàn)離析、泌水現(xiàn)象，拌和物的和易性較差，水分容易蒸發(fā)，導致缺少足夠水分參與水泥水化，混凝土界面的粘結性變差，混凝土抗壓強度降低，且機制砂過多導致石粉含量增多，混凝土拌合物出現(xiàn)干稠現(xiàn)象，導致混凝土開裂、強度降低。

2.3 混合砂混合比例對混凝土28 d劈裂抗拉強度的影響

混合砂混合比例對C30混凝工28 d劈裂抗拉強度的影響如圖2所示。隨機制砂摻量的增加，C30混凝土的28 d劈裂抗拉強度變化趨勢和抗壓強度變化趨勢相似。當機制砂摻量50%時，混凝土28 d劈裂抗拉強度最大，達到3.29 MPa。機制砂的摻配比例由20%增加到50%，混凝土28 d的劈裂抗拉強度增加了15%。機制砂的摻配比例在50%～80%之間混凝土的彈性模量呈下降趨勢。這是因為機制砂粗糙多棱角的粒型特性使其在混凝土中與水泥石及粗骨料的咬合力增加，顆粒堆積更緊密，混凝土各界面的摩擦力變大，進而提高了劈裂抗拉強度。但機制砂摻量超過50%后，隨機制砂摻量的增加，石粉含量變多，混凝土拌合物容易變得干稠，進而出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，導致混凝土劈裂抗拉強度降低。

2.4 混合砂混合比例對混凝土抗?jié)B性能的影響

混合砂混合比例對C30混凝工抗?jié)B性能的影響如圖3所示?；炷恋臐B透高度隨機制砂摻量的增加呈先降低后升高的變化規(guī)律，機制砂含量較少，導致細砂含量過高，在固定用水量和水膠比的條件下，較多的細砂會導致拌合物變粘稠，容易產(chǎn)生孔洞及干裂，混凝土抗?jié)B性能變差。當機制砂摻量50%時，混凝土的抗?jié)B性能最好，滲透高度為21.6 mm。此時的機制砂可平衡細砂的顆粒級配，提高與水泥漿體的粘結性，減少混凝土中的水分運輸通道，進而提升混凝土的抗?jié)B性能。繼續(xù)增大機制砂比例，混凝土的滲透性能變差，主要因為機制砂含量過高導致級配變差、石粉含量過高，進而導致混凝土和易性變差、結構密實度降低，抗?jié)B性能降低。

3 結 論

a.機制砂與細砂以不同的比例混合成混合砂，當機制砂摻量由20%增至80%時，混合砂的細度模數(shù)逐漸增大，均處于級配Ⅱ區(qū)。

b.在膠凝材料用量、用水量、水膠比、砂石用量、減水劑用量固定的前提下，通過調(diào)節(jié)混合砂中機制砂與細砂的比例制備C30混凝土，得出結論：隨混合砂中機制砂摻量的增加，混凝土坍落度、抗壓強度、劈裂抗拉強度均先增加后降低，滲透高度先降低后升高。在機制砂和細砂摻加比例為5∶5時，混凝土的工作性最好、抗壓強度最高、劈裂抗拉強度最大、抗?jié)B性能最好。

c.機制砂和細砂以5∶5的比例混合成混合砂制備C30凝土，所配制的混凝土坍落度為190 mm，1 h坍損為10 mm，3 d、7 d、28 d抗壓強度分別為25.5 MPa、35.8 MPa、45.9 MPa，28 d劈裂抗拉強度為3.29 MPa，滲透高度為21.6 mm。