材料配合比對機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

李軍偉，郎貴軍，胡鑫，袁斌，陳建平

（中鐵二十四局集團(tuán)南昌鐵路工程有限公司，南昌 330002）

1 引言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的推進(jìn)，工程建筑用砂需求量逐年增加。近年來，限于環(huán)境保護(hù)等多方壓力，天然河砂已供不應(yīng)求，采用機(jī)制砂替代天然河砂已經(jīng)成為混凝土材料變革的重要方向。

由于機(jī)制砂混凝土使用時(shí)間相對較短，所以對于機(jī)制砂混凝土性能及其控制因素的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，對于高強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土質(zhì)量的把控尚缺少經(jīng)驗(yàn)。為促進(jìn)機(jī)制砂混凝土的推廣應(yīng)用，已對機(jī)制砂混凝土配合比及機(jī)制砂混凝土性能展開了一定的研究，機(jī)制砂混凝土已經(jīng)在諸如道路、橋梁等工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用[1-4]。迄今為止的研究認(rèn)為，機(jī)制砂表面粗糙、多棱角、級配較差，機(jī)制砂的摻入往往導(dǎo)致混凝土工作性能變差、強(qiáng)度降低。機(jī)制砂級配、石粉含量以及材料配合比等因素對機(jī)制砂混凝土性能的影響是當(dāng)前機(jī)制砂混凝土研究的重要課題[5-8]?；炷翉?qiáng)度是混凝土的重要性能之一，掌握水泥、機(jī)制砂石料及其他摻和料的性狀以及材料配合比等可調(diào)控因素對機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律，對于機(jī)制砂混凝土的工程應(yīng)用具有重要的實(shí)用價(jià)值。

依托云南昭通市鎮(zhèn)雄至赫章高速公路二標(biāo)段翟底河大橋高橋墩工程，考慮工程實(shí)際情況，采用當(dāng)?shù)貛r石材料機(jī)制砂石料，本文設(shè)計(jì)了15 組不同的機(jī)制砂混凝土配合比，展開了機(jī)制砂混凝土試塊強(qiáng)度與水灰比、砂率和粉煤灰摻量等材料配合比參數(shù)的相關(guān)性試驗(yàn)，得到了這些配合比參數(shù)對機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律。

2 原材料和配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料選取

機(jī)制砂混凝土配制原材料主要有水泥、機(jī)制砂、粗骨料、粉煤灰和減水劑。

2.1.1 水泥

試驗(yàn)采用市場現(xiàn)有、工程中常用的52.5 級普通硅酸鹽水泥，所選品牌水泥的性能參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)采用水泥的物理力學(xué)性能參數(shù)

2.1.2 機(jī)制砂

機(jī)制砂顆粒棱角較多，常為多面三角形或立方體狀，其質(zhì)地的好壞直接影響混凝土的施工和易性和泵送性能。本文研究采用工程實(shí)際使用的當(dāng)?shù)貛r石材料機(jī)制砂，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》[9]和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[10]的要求。所采用的機(jī)制砂各項(xiàng)性能指標(biāo)見表2。

表2 試驗(yàn)采用的機(jī)制砂性能指標(biāo)

2.1.3 粗骨料

粗骨料強(qiáng)度、顆粒形狀、表面特征、級配、雜質(zhì)含量、吸水率等對高性能混凝土性能影響較大，因此，配置高性能混凝土對粗骨料選取十分重要。

本文研究采用項(xiàng)目砂石料廠自制的5～20 mm 連續(xù)級配碎石作為試驗(yàn)混凝土的粗骨料，具有顆粒級配合理、針片狀少、孔隙率小等特征，根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》檢驗(yàn)[11]，所采用的碎石符合JTG/T 3605—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中Ⅱ類技術(shù)要求。試驗(yàn)采用的粗骨料性能指標(biāo)見表3。

表3 試驗(yàn)采用的粗骨料性能指標(biāo)

2.1.4 粉煤灰

適量的粉煤灰可改良混凝土顆粒級配、減小孔隙率，有利于降低水膠比，并且可使混凝土早期強(qiáng)度減小，后期強(qiáng)度明顯提高。所選用粉煤灰符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土的粉煤灰》的要求[12]，具體性能指標(biāo)見表4。

表4 試驗(yàn)采用的粉煤灰性能指標(biāo)

2.1.5 減水劑

采用LZ-R1 聚羧酸高性能緩凝型減水劑，符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》的要求[13]。所選用減水劑的性能指標(biāo)見表5。

表5 試驗(yàn)采用的減水劑性能指標(biāo)

2.2 配合比設(shè)計(jì)

如表6 所示，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了15 組混凝土材料配合比，每組制作12 個(gè)試塊，每組配合比按照4 個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期（3 d、7 d、14 d、28 d，本文僅對3 d、28 d 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析），每個(gè)齡期取3 個(gè)試塊進(jìn)行試驗(yàn)。其中，水灰比指的是混凝土拌和的用水量（質(zhì)量，kg）與凝膠材料摻量（水泥+粉煤灰摻入質(zhì)量，kg）的比值；砂率指的是混凝土中細(xì)骨料（砂）質(zhì)量（kg）與骨料（細(xì)骨料和粗骨料質(zhì)量之和，kg）的比值。

表6 試驗(yàn)混凝土配合比設(shè)計(jì)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 混凝土強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系

在機(jī)制砂混凝土配合比試驗(yàn)中，一共進(jìn)行了5 組有關(guān)混凝土拌和物水灰比與強(qiáng)度（3 d 強(qiáng)度和28 d 強(qiáng)度）的關(guān)系試驗(yàn)，測試得到的混凝土3 d 強(qiáng)度、28 d 強(qiáng)度與水灰比關(guān)系曲線分別如圖1a 和圖1b 所示（圖中散點(diǎn)為試樣實(shí)測值）。

如圖1a、圖1b 所示，隨著水灰比的增大，混凝土3 d 和28 d 強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)水灰比為0.34 時(shí)，混凝土3 d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)到最大值60.7 MPa；而水灰比為0.32 時(shí)，混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)到最大值64.6 MPa。

圖1 混凝土強(qiáng)度隨水灰比變化曲線

3.2 混凝土強(qiáng)度與砂率的關(guān)系

在機(jī)制砂混凝土配合比試驗(yàn)中，一共進(jìn)行了5 組有關(guān)混凝土拌和物砂率與強(qiáng)度（3 d 強(qiáng)度和28 d 強(qiáng)度）的關(guān)系試驗(yàn)，測試得到的混凝土3 d 強(qiáng)度、28 d 強(qiáng)度與砂率關(guān)系曲線分別如圖2a 和圖2b 所示（圖中散點(diǎn)為試樣實(shí)測值）。

圖2 混凝土強(qiáng)度隨砂率變化曲線

如圖2a 和圖2b 所示，當(dāng)砂率達(dá)到0.38 時(shí)，機(jī)制砂混凝土3 d 強(qiáng)度達(dá)到最大值59.2 MPa；而砂率在0.38～0.42 區(qū)間內(nèi)時(shí)，機(jī)制砂混凝土28 d 強(qiáng)度受砂率變化影響不大，最大值60.3MPa，與最小值59.2 MPa 只差1.1 MPa，當(dāng)砂率大于0.42 時(shí)，28 d 強(qiáng)度有明顯下降的趨勢。

3.3 混凝土強(qiáng)度與粉煤灰摻量的關(guān)系

在機(jī)制砂混凝土配合比試驗(yàn)中，一共進(jìn)行了5 組有關(guān)混凝土拌和物粉煤灰摻量與強(qiáng)度（3 d 強(qiáng)度和28 d 強(qiáng)度）的關(guān)系試驗(yàn)，測試得到的混凝土3 d 強(qiáng)度、28 d 強(qiáng)度與粉煤灰含量關(guān)系曲線分別如圖3a 和圖3b 所示（圖中散點(diǎn)為試樣實(shí)測值）。

如圖3a 和圖3b 所示，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的早期強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢，粉煤灰用量為40 kg/m3時(shí)，混凝土3 d 強(qiáng)度達(dá)到最大值61.5 MPa；混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰用量的增加呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢，但與早期3 d抗壓強(qiáng)度相比整體上相對較弱，粉煤灰用量在80～100 kg/m3時(shí)，混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度最大值達(dá)到53 MPa 左右。

圖3 混凝土強(qiáng)度隨粉煤灰摻量變化曲線

4 結(jié)論

1）在一定范圍內(nèi)，隨水灰比、砂率、粉煤灰摻量的增加，混凝土的強(qiáng)度先增加后減小。相同配合比的混凝土強(qiáng)度隨齡期增加而增加，最后趨于穩(wěn)定。

2）目前，所有試驗(yàn)配合比方案中，水灰比0.32，粉煤灰用量60 kg/m3，砂率0.40 的配合比方案對應(yīng)的混凝土各項(xiàng)性能最佳。