材料配合比對機制砂混凝土流動性影響的試驗研究

郎貴軍，李軍偉，武劍鋒，袁斌

（中鐵二十四局集團(tuán)南昌鐵路工程有限公司，江西 南昌 330002）

0 引言

橋梁工程施工對泵送混凝土可泵性的要求隨橋墩高度的增加而增加。良好的流動性是確?；炷量杀眯缘年P(guān)鍵?；炷恋牧鲃有耘c混凝土配料（特別是砂石料）的特性密切相關(guān)?；炷潦褂煤由撑淞嫌蓙硪丫?，有把握保證混凝土的流動性。然而，由于天然砂石料資源量日趨匱乏，采用機制砂石料替代天然砂石料配制混凝土已經(jīng)成為必然。相對于天然砂混凝土，機制砂混凝土使用時間較短，對于機制砂混凝土性能的把握與工程的要求還有很大差距。

不同學(xué)者對機制砂輪廓形狀、比表面積、表面粗糙度以及石粉含量對機制砂混凝土流動性及強度的影響進(jìn)行了一定程度的研究[1～7]。研究表明：機制砂質(zhì)地堅硬、棱角突出、表面粗糙，有利于提高混凝土的強度，但同時也會增加混凝土的黏度；為達(dá)到與天然砂同樣的流動性，機制砂混凝土配比需要加大水泥的含量和摻水量，以便形成更多的水泥漿包裹；另外，也要掌握好機制砂中石粉的含量（7%～9%），并適當(dāng)調(diào)節(jié)摻水量，從而獲得滿足泵送混凝土流動性要求的混凝土黏性。機制砂基本上是采用當(dāng)?shù)毓こ滩牧?，機制砂原巖的性能多種多樣，因此對機制砂混凝土的性能，特別是對機制砂混凝土流動性影響因素及其影響規(guī)律的研究還不夠全面，還不能很好地滿足混凝土施工對混凝土可泵性的調(diào)控。

本文以鎮(zhèn)赫高速翟底河大橋橋墩施工工程為依托，針對工程采用的當(dāng)?shù)夭牧蠙C制砂，研究不同配合比的高性能機制砂混凝土各項性能指標(biāo)的變化，探討砂率、水灰比、粉煤灰摻量對混凝土流動性標(biāo)識參數(shù)（混凝土坍落度、擴(kuò)展度）的影響，為制定滿足本項目高橋墩混凝土澆筑要求的當(dāng)?shù)夭牧蠙C制砂混凝土最佳配合比方案、完善混凝土可泵性評價指標(biāo)體系、形成泵送混凝土可泵性成套保障技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗方法

（1）依托翟底河大橋高橋墩工程，實地考查收集相關(guān)資料，了解當(dāng)?shù)夭牧蠙C制砂的行情、項目部實驗室條件和現(xiàn)場具備的試驗測試方法，為混凝土試驗方案制定提依據(jù)。收集相關(guān)文獻(xiàn)、資料，初步確定試驗研究原材料配比用量的區(qū)間。

（2）設(shè)計制作不同材料、不同配合比試驗組的混凝土，以機制砂混凝土性能優(yōu)化為目標(biāo)開展高強度機制砂混凝土配合比實驗，測量獲得每組混凝土的坍落度、擴(kuò)展度指標(biāo)。

（3）將混凝土組分摻量（配合比）視為影響因素，把混凝土流動性（以坍落度、擴(kuò)展度參數(shù)為代表）作為優(yōu)化目標(biāo)，對機制砂混凝土配合比和流動性試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，確定滿足工程強度要求的機制砂混凝土的優(yōu)化配合比。

2 配合比設(shè)計

2.1 原材料選取

機制砂混凝土配制原材料主要包括水泥、機制砂、粗骨料、粉煤灰和高效減水劑。

2.1.1 水泥

試驗采用工程中常用的52.5級普通硅酸鹽水泥，所選品牌水泥的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 試驗采用水泥的物理力學(xué)參數(shù)

2.1.2 機制砂

機制砂顆粒棱角較多，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。本文研究采用依托工程實際使用的當(dāng)?shù)夭牧蠙C制砂，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》[8]和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[9]要求。所采用的機制砂性能指標(biāo)見表2，表中所謂的“表觀密度”指的是按包含空隙在內(nèi)的單位外形體積物料的質(zhì)量。

表2 試驗采用的機制砂性能指標(biāo)

2.1.3 粗骨料

粗骨料強度、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，粗骨料選取對配置高性能混凝土十分重要。

本文研究采用依托項目砂石料廠自制的5～20mm連續(xù)級配碎石作為試驗混凝土的粗骨料，所選用的粗骨料顆粒級配合理、針片狀少、孔隙率小，根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》[10]檢驗，所采用的碎石符合JTG/T 3605—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[9]中II類技術(shù)要求。試驗采用的粗骨料的性能指標(biāo)列在表3中。

表3 試驗采用的粗骨料性能指標(biāo)

2.1.4 粉煤灰

適量的粉煤灰會改良混凝土顆粒級配、減小空隙率，有利于降低水膠比，并且會使混凝土早期強度減小，后期強度明顯提高。試驗選用的粉煤灰符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土的粉煤灰》[11]要求。選用的粉煤灰性能指標(biāo)見表4。

表4 試驗采用的粉煤灰性能指標(biāo)

2.1.5 減水劑

所選用的LZ-R1聚羧酸高性能緩凝型減水劑符合GB8076—2008《混凝土外加劑》[12]要求，所選減水劑的具體性能指標(biāo)見表5。

表5 試驗采用的減水劑性能指標(biāo)

2.2 配合比設(shè)計

如表6所示，試驗共設(shè)計了15組混凝土配合比，每組制作12個試塊。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 混凝土配合比正交試驗方案

3 試驗結(jié)果分析

（1）坍落度、擴(kuò)展度與水灰比的關(guān)系

試驗中進(jìn)行了五組混凝土坍落度、擴(kuò)展度與水灰比關(guān)系試驗，這五組試驗的混凝土配合比以及通過試驗得到的混凝土坍落度和擴(kuò)展度平均值列于表7中。圖1和圖2所示分別為這五組試驗得到的坍落度以及擴(kuò)展度隨水灰比變化的關(guān)系曲線（圖中散點為不同試樣的實測值）。

表7 混凝土水灰比組配合比及坍落度、擴(kuò)展度測定結(jié)果

如圖1（a）所示，當(dāng)其他條件（粉煤灰含量、砂率、減水劑）一定時，隨水灰比的增加，混凝土的初始坍落度先增大后減小，在水灰比為0.32時初始坍落度最大（202.5mm）；如圖1（b）所示，拌和1h后的混凝土坍落度隨水灰比變化的趨勢也是隨著水灰比的增加先增大后減小，在水灰比0.34時的坍落度達(dá)到最大值210mm。

圖1 混凝土坍落度隨水灰比的變化

如圖2（a）所示，當(dāng)其他條件（粉煤灰含量、砂率、減水劑）一定時，混凝土的初始擴(kuò)展度與水灰比的相關(guān)性不是太好，總的趨勢是初始擴(kuò)展度隨水灰比的增加，先增大后減小，按統(tǒng)計關(guān)系，在水灰比為0.34時擴(kuò)展度達(dá)到最大（587.5mm）。如圖2（b）所示，拌和1h后的混凝土拌和物擴(kuò)展度與水灰比的相關(guān)性較初始擴(kuò)展度好，按統(tǒng)計關(guān)系，1h后擴(kuò)展度隨水灰比的增加也表現(xiàn)出先增大后減小的特點，在水灰比0.34時的擴(kuò)展度達(dá)到最大值588.8mm。

圖2 混凝土擴(kuò)展度隨水灰比的變化

（2）塌落度、擴(kuò)展度與砂率的關(guān)系

本文共進(jìn)行了五組混凝土拌和物坍落度、擴(kuò)展度與砂率的關(guān)系試驗，各組配合比方案以及試驗得到的坍落度和擴(kuò)展度的平均值數(shù)據(jù)列于表8中，混凝土坍落度和擴(kuò)展度隨砂率的變化情況分別示于圖3和圖4中（圖中散點為不同試樣的實測值）。

表8 砂率組混凝土配合比及坍落度、擴(kuò)展度測定結(jié)果

圖3 混凝土坍落度隨砂率的變化

圖4 混凝土擴(kuò)展度隨砂率的變化

如圖3（a）所示，當(dāng)其他條件一定時，混凝土拌和物砂率與坍落度的關(guān)系較為明顯，初始坍落度隨著砂率的增加，先增大后減小，在砂率為0.38時，初始坍落度達(dá)到最大值200mm。如圖3（b）所示，與初始擴(kuò)展度相同，拌和1h后的混凝土拌和物坍落度也是在砂率為0.38時達(dá)到最大值210mm。

如圖4（a）所示，當(dāng)其他條件一定時，隨著砂率的增加，初始擴(kuò)展度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在砂率為0.4時，初始擴(kuò)展度達(dá)到最大值597.5mm。由圖4（b）可見，拌和1h后的混凝土拌和物擴(kuò)展度隨著砂率的增加也是先增大后減小，砂率在0.4時1h后擴(kuò)展度達(dá)到最大值580mm。

（3）坍落度、擴(kuò)展度與粉煤灰摻量的關(guān)系

本文共進(jìn)行了五組混凝土拌和物粉煤灰摻量與坍落度、擴(kuò)展度的關(guān)系試驗，試驗混凝土配合比及試驗測定的混凝土坍落度和擴(kuò)展度的平均值數(shù)據(jù)如表9所示，試驗關(guān)系曲線如圖5、圖6所示（圖中散點為不同試樣的實測值）。

圖5 混凝土坍落度隨粉煤灰摻量的變化

圖6 混凝土擴(kuò)展度隨粉煤灰摻量的變化

表9 粉煤灰組混凝土配合比及坍落度、擴(kuò)展度試驗測定結(jié)果

如圖5（a）所示，當(dāng)其他條件一定時，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土拌和物初始坍落度先增大后減小，在粉煤灰摻量為60kg·m-3時，混凝土拌和物初始坍落度達(dá)到最大值197.5mm。由圖5（b）可見，拌和1h后的混凝土拌和物坍落度隨著粉煤灰摻量的增加，先增大后減小，在粉煤灰摻量為80kg·m-3時，混凝土拌和物1h后坍落度可以達(dá)到210mm。

如圖6所示，當(dāng)其他條件一定時，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土拌和物初始擴(kuò)展度和拌和1h后的擴(kuò)展度都隨粉煤灰摻量的增加而先增大后減小，在粉煤灰摻量為60kg·m-3時，初始擴(kuò)展度達(dá)到最大值573.8mm；在粉煤灰摻量為80kg·m-3時，拌和1h后擴(kuò)展度達(dá)到最大值545.0mm。

4 結(jié)語

（1）在試驗設(shè)定的水灰比變化范圍內(nèi)，混凝土配合比中其它材料的摻入量固定時，隨著水灰比的增加，混凝土初始和1h后坍落度、擴(kuò)展度呈先增加后減小的趨勢。

（2）在試驗設(shè)定的粉煤灰摻量變化范圍內(nèi)，混凝土配合比中其它材料的摻入量固定時，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土坍落度、擴(kuò)展度均先增大后減小。

（3）在試驗設(shè)定的砂率變化范圍內(nèi)，混凝土配合比中其它材料摻入量固定時，隨著砂率的逐漸增大，混凝土初始和1h后坍落度、擴(kuò)展度先增大，后逐漸降低。