C50機制砂混凝土工作性試驗研究

摘要：為確定不同因素對C50機制砂混凝土工作性能的影響，對機制砂混凝土的工作性進行試驗研究。試驗依托于湘渝復線（巴彭段）龍川江大橋項目，以石粉含量、水膠比、砂率、粉煤灰摻量、減水劑摻量、粗集料配比為控制因素，以坍落度、經(jīng)時損失、擴展度與壓力泌水率為控制指標。分析不同因素對C50機制砂混凝土工作性的影響，結(jié)果表明：當石粉含量為8%時，混凝土的工作性較好，減水劑對機制砂混凝土的坍落度、擴展度影響最顯著，砂率和粗集料配比對工作性影響最小，并提出了基于工作性最優(yōu)的C50機制砂混凝土配合比。

關鍵詞：機制砂混凝土;石粉含量;工作性;配合比

引言

砂作為混凝土的細骨料，主要作用是填充和密實粗集料形成的骨架結(jié)構(gòu)，是混凝土必不可少的組成材料。天然砂是一種地方性資源，分布不均且短時間內(nèi)不可再生，在巨大需求的推動下，天然砂資源日益匱乏，不少地區(qū)出現(xiàn)天然砂資源短缺、超量開采造成嚴重的環(huán)境破壞等現(xiàn)象。因此，各國對機制砂展開了大量研究，機制砂是指經(jīng)除土處理，由機械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75mm巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣顆粒，但不包括軟質(zhì)、風化的顆粒。Cortes、Westerholm等研究了機制砂粒形對砂漿的流變學性能的影響，結(jié)果表明粒形影響空隙率，當水泥漿體完全填充空隙時，可以得到較好的流動性。通過研究不同種類機制砂對混凝土流動性的影響，Quiroga、Kim、劉桂鳳、謝開仲等發(fā)現(xiàn)不同顆粒級配的機制砂配制的混凝土坍落度、流變性能差異顯著。夏龍興、徐建、李波等人通過對機制砂特性與機制砂混凝土工作性、力學性能進行研究，表明機制砂混凝土在技術(shù)和經(jīng)濟上都是可行的。機制砂作為混凝土細集料，既可以解決天然砂資源短缺的問題，又可降低建設成本、保護環(huán)境，機制砂部分或全部替代天然砂已成為當前混凝土行業(yè)的普遍趨勢。

為保護環(huán)境、推廣使用機制砂、降低建設成本，湘渝復線高速公路（巴彭段）龍川江特大橋施工采用泵送C50機制砂混凝土，該橋位于南川區(qū)石溪鎮(zhèn)，橫跨龍川江、縣道776，為跨河整體式橋梁。5、6、7、8橋墩的高度均超過了100米，組成了超高墩群，最高橋墩高達179 m。與河砂不同，機制砂顆粒表面粗糙、尖銳多棱角、級配不良且石粉變異性較大，拌制的混凝土存在工作性差、和易性差、易于離析泌水等各種問題。對于超高墩泵送施工，機制砂的變異性與機制砂混凝土的工作性、泌水問題尤其凸顯，坍落度不夠、擴展度不足、泌水率較大而導致堵管問題較為常見。

目前關于中高強度機制砂混凝土工作性研究不夠充分、不夠系統(tǒng)，并且研究結(jié)果存在一定差異。因此，為解決由機制砂變異性大、機制砂混凝土工作性差導致的泵送性能差等問題，確定不同影響因子對機制砂混凝土的影響，以石粉含量、水膠比、砂率、粉煤灰摻量、減水劑摻量和粗集料級配為影響因子進行機制砂混凝土拌合物試驗，以坍落度、經(jīng)時損失、擴展度和壓力泌水率為控制指標，分析不同控制因素對機制砂混凝土工作性的影響程度，給出基于工作性的C50機制砂混凝土配合比，為機制砂混凝土工作性能研究提供參考。

1原材料特性與試驗方法

1.1原材料特性

水泥

水泥采用重慶新嘉南建材公司生產(chǎn)的P·O52.5級水泥，其物理性能指標見表1。

1.1.2粉煤灰

試驗采用活性礦物摻合料為華能重慶珞璜發(fā)電有限責任公司生產(chǎn)的 Ⅰ級粉煤灰，其物理性質(zhì)見表2。

1.1.3粗集料

粗集料選用粒徑為5mm～10mm及10～20mm兩檔料，為滿足粗集料配比試驗要求，通過振實密度等指標確定四種配比：5：5，6：4，7：3，8：2。

1.1.4細集料

試驗采用的機制砂為重慶地區(qū)不同生產(chǎn)廠家，由于機制砂中石粉變異性較大，對料倉內(nèi)不同批次機制砂進行取樣，共取樣13組，進行篩分試驗、亞甲藍試驗、密度試驗等，試驗結(jié)果見表3。

由表3可知，機制砂試樣細度模數(shù)介于2.8至3.2之間，且多數(shù)樣品的細度模數(shù)為3.1，可知不同批次的機制砂的粗細程度整體較為穩(wěn)定。表觀密度大體分布在2.69～2.78g/cm。但是，不同批次機制砂試樣的石粉含量和亞甲藍值存在較大程度的變化，石粉含量變化范圍為1.59%～8.52%，亞甲藍值的變化范圍為0.5～3.8。

1.1.5外加劑

外加劑采用重慶科之杰聚羧酸系高性能減水劑。根據(jù)規(guī)范對減水劑進行檢測，該減水劑的減水率為27%，含氣率為2.4%，泌水率比為20%，含固量為21.18%，氯離子、硫酸鈉、含堿量指標等均滿足規(guī)范要求。

1.2試驗方案

試驗依托于湘渝復線（巴彭段）龍川江特大橋項目，分別就石粉含量、水膠比、砂率、粉煤灰摻量、減水劑摻量、粗集料配比對機制砂混凝土的工作性能的影響進行試驗研究。試驗采用的基準配合比為：8%石粉含量、用水量165 kg/m、0.34水膠比、42%砂率、15%粉煤灰摻量、粗集料配比為6：4。不同影響因素的試驗在基準配合比的基礎上進行，控制石粉含量為3%、5%、8%、10%、12%;控制水膠比為0.3、0.32、0.34、0.36、0.38;控制砂率為36%、38%、40%、42%、45%;控制粉煤灰摻量為10%、15%、20%、25%、30%;控制減水劑摻量為1.15%、1.2%、1.25%、1.3%、1.35%、1.4%;控制粗集料配比為5：5、6：4、7：3、8：2。試驗拌制不同配比的機制砂混凝土，依照規(guī)范[13]進行混凝土的坍落度、經(jīng)時坍落度、擴展度、壓力泌水率試驗。

2試驗結(jié)果分析

2.1石粉對混凝土工作性的影響

由試驗分析隨機制砂中石粉含量增加，混凝土的坍落度先增大后減小，變化范圍為198～223mm;混凝土的經(jīng)時損失隨石粉含量線性增大，當石粉含量為12%時，較均值變化率達到最大值7.46%，經(jīng)時損失率為38.38%，坍落度變化較小，經(jīng)時損失較大。當石粉含量為10%時，擴展度較前一項變化率和均值變化率達到最大值為25.86%、16.11%，表明擴展度存在較大突變。壓力泌水率隨石粉含量的增大先升高后降低，石粉含量為3%時，較均值變化量最大為4.62%，變化幅度較小。

相對于河沙，機制砂表面粗糙、粒形不規(guī)則、比表面積增大，機制砂顆粒需要更多的水泥漿體包裹，引起混凝土和易性差、泌水性高，因此機制砂混凝土的工作性普遍較低。石粉在混凝土中的作用機理可以概括為晶核效應、填充效應和化學作用，其中填充作用對工作性影響較大，當石粉含量較低時，其在機制砂混凝土中起到的作用較小，對混凝土的改善不明顯;隨石粉含量增加，石粉能夠充分地發(fā)揮其填充與潤滑作用，混凝土的工作性得到有效改善;但隨石粉含量的進一步增加，混凝土的比表面積增大，石粉的阻礙作用占據(jù)主導，從而使得混凝土的工作性與泌水率開始降低。

2.2水膠比對混凝土工作性的影響

隨著水膠比提高，坍落度先增大后減小，變化范圍為215～233 mm，當水膠比為0.34時，較均值變化率最大為4.67%，變化幅度較小。1h經(jīng)時損失在30 mm左右，經(jīng)時損失率在13%左右。隨水膠比的提高，擴展度先增大后減小，當水膠比為0.34時，較前一項變化率達到最大值32.8%，當水膠比為0.3時，較均值變化率達到最大值24.2%;與擴展度的變化趨勢不同，壓力泌水率隨水膠比升高而增大，變化量最大為4.26%，表明試驗范圍內(nèi)水膠比對壓力泌水的影響較小而對擴展度影響較大。

機制砂中的片狀顆粒粒徑增大或含量的增加都會導致機制砂空隙率增大，使機制砂外側(cè)水泥漿包裹層變薄，導致漿體流動度降低。當水膠比較小時，膠凝材料用量較大，此時混凝土較為粘稠，工作性較差，壓力泌水率較低，隨著水膠比的增大，混凝土內(nèi)漿體變稀，潤滑作用得以發(fā)揮，混凝土的工作性得到改善，但當水膠比進一步增大時，混凝土內(nèi)漿體變少，不能起到分割集料的作用，集料之間相互摩擦、咬合，導致混凝土工作性差、泌水率增大。

2.3砂率對混凝土工作性的影響

坍落度對砂率的敏感性較弱，隨砂率的增大，混凝土的坍落度呈現(xiàn)逐漸升高趨勢，較均值變化率最大為7.13%，較前一項變化率最大為5.15%。當砂率為36%、38%、40%時，經(jīng)時損失較為穩(wěn)定，經(jīng)時損失率在16%左右，砂率為42%、45%時，經(jīng)時損失率分別為10.2%、20.79%，此時波動較大。擴展度隨著砂率的增大先升高后略微降低，變化范圍為515～617 mm，較前一項變化率最大為10.19%，較均值變化率最大為11.59%，表明砂率對擴展度的有一定影響。由試驗分析可知，壓力泌水率隨砂率的增加逐漸降低，當砂率為36%時，壓力泌水率最大，較均值變化量最大。

隨著砂率的增加，漿體與細集料對粗集料的包裹性更強，在粗集料之間的潤滑作用更好，有利于混凝土的坍落與擴展，并且由于砂率的增大，機制砂表面吸附的水增加，混凝土保水性增加，壓力泌水率降低。但由于砂率的進一步增加，混凝土的比表面積增大，細集料起到相同效果所需的用水量變大，對混凝土的擴展起到阻礙作用，但是混凝土的保水性升高的趨勢沒有改變，因此壓力泌水率進一步降低。

2.4粉煤灰摻量對混凝土工作性的影響

隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的坍落度整體上呈上升趨勢，較均值最大變化率為7.56%，較前一項最大變化率為8.89%，表明粉煤灰摻量對坍落度有一定影響。經(jīng)時損失隨粉煤灰摻量改變先下降后升高，粉煤灰摻量為15%、20%時，經(jīng)時損失率為6%左右，而試驗其他摻量粉煤灰經(jīng)時損失率在23%上下，已經(jīng)不利于泵送。通過試驗分析，隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的擴展度先減小后增大，但是研究表明，一定石粉含量下，粉煤灰摻量增大會改善混凝土保水性，拌合物會變黏，工作性降低，泌水率降低。

2.5減水劑摻量對混凝土工作性的影響

隨著減水劑用量增大，機制砂混凝土的坍落度、擴展度和壓力泌水率均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，坍落度較前一項最大變化率為19.38%、較均值最大變化率為23.62%，擴展度較前一項最大變化率為19.44%、較均值最大變化率為35.47%，表明坍落度與擴展度對減水劑摻量較敏感。壓力泌水率隨減水劑摻量的增加而增大，變化范圍為9.8%～16.3%，當減水劑摻量為1.4%時，壓力泌水率達到最大值。

聚羧酸減水劑主鏈上羧酸根等離子性基團吸附在水泥顆粒表面，而聚醚側(cè)鏈伸展到溶液中，提供強大的空間位阻，從而實現(xiàn)對水泥粒子的分散。當減水劑摻量較少時，對水泥的分散程度不夠，坍落度和擴展度較低、泌水性較小;當加大減水劑的摻量時，空間位阻更大，對水泥粒子的分散的作用更充分，混凝土工作性得到改善。

2.6粗集料配比對混凝土工作性的影響

混凝土坍落度隨10～20 mm粗集料的增加呈降低趨勢，最大變化率在3%左右，經(jīng)時損失率在20%上下浮動。隨著10～20 mm粗集料的增加，擴展度呈先增加后降低趨勢，較前一項最大變化率為12.96%，較均值最大變化率為9.29%，表明粗集料級配對混凝土擴展度有一定影響。壓力泌水率隨較粗集料的占比變大呈線性增長，當配比為8：2時，泌水率達17%，較均值變化量為4.7%，泌水率與變化量均較大。

與5～10 mm粗集料相比，10～20 mm粗集料粒徑更大，棱角更突出、流動性更差、保水性更差，但其比表面積小，被包裹所需漿體少。當10～20 mm粗集料過多時，其棱角性與顆粒形狀對混凝土擴展度的阻礙作用占據(jù)主導，因此擴展度會迅速降低、泌水率迅速升高，工作性下降，在泵送時更易發(fā)生堵管現(xiàn)象。

3結(jié)論

以石粉含量、水膠比、砂率、粉煤灰摻量、減水劑摻量和粗集料配比作為影響因子，對機制砂混凝土工作性展開試驗研究，通過不同因子對混凝土工作性的影響分析，得出以下結(jié)論：

（1）機制砂的石粉含量變異性較大，石粉含量對擴展度和泌水率有一定影響，對經(jīng)時損失影響較大，故建議應嚴格控制機制砂的生產(chǎn)流程，石粉含量應保持8%左右。

（2）不同影響因子對機制砂混凝土的工作性影響程度存在較大差異，影響程度由大到小依次是：減水劑用量>水膠比>粉煤灰摻量>砂率>粗集料配比。其中減水劑對坍落度、擴展度影響較顯著，但不同減水劑效果不同，應在混凝土試拌前確定不同減水劑的效果。

（3）由不同因子對混凝土工作性的影響分析結(jié)果，確定了基于工作性的C50機制砂混凝土的配合比為：機制砂石粉含量8%、水膠比0.34、用水量165kg、砂率42%、粉煤灰摻量15%～20%、減水劑摻量1.3%、粗集料配比為6：4。

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作者簡介：李旭東，38歲，男，中國水利水電第七工程局有限公司二分局副總工程師、重慶渝湘復線高速公路三標一分部總工程師，高級工程師。