公路橋梁施工中機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土性能影響

張君瑞，羅立平

(浙江交投礦業(yè)有限公司，浙江 舟山 316000)

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇實(shí)驗(yàn)所需材料分別為：二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的粉煤灰在100%自來水用量下燒失量為6.4%；水泥為拉法基P/O.I35.36型號(hào)，抗壓強(qiáng)度分別為3 d下26.4 MPa，26 d下49.6 MPa；機(jī)制砂為石灰?guī)r質(zhì)地，碎石粒徑在5～30 mm范圍；石粉成分與機(jī)制砂一致，在機(jī)制砂生產(chǎn)過程中風(fēng)化所致；外加膠劑為聚羧酸減水劑。

引入顆粒厚度方向的形狀特征表征機(jī)制砂、河砂的外形特征，并與標(biāo)準(zhǔn)砂粒型系數(shù)進(jìn)行對(duì)照；利用不同粒型系數(shù)的機(jī)制砂、河砂配制C35～C60建筑混凝土，探究不同粒型參數(shù)表征方式的準(zhǔn)確性以及不同粒型參數(shù)對(duì)混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響規(guī)律。通過水洗摻石方法選擇實(shí)際施工的公路橋梁路段，以全程1 200 km路段為測試對(duì)象，將制備的混凝土樣本進(jìn)行等量分配，保證不同比重樣本份額不少于3份。按照5%、10%、15%、20%和25%調(diào)整機(jī)制砂中石粉含量配比，調(diào)整混凝土基準(zhǔn)用水摻加量，具體配比如表1所示。

表1 混凝土樣本基準(zhǔn)配比

根據(jù)表中內(nèi)容所示，在按照DB45/T的混凝土攪拌技術(shù)規(guī)程進(jìn)行配合比例設(shè)計(jì)，主要對(duì)不同機(jī)制砂石石粉含量，對(duì)混凝土性能進(jìn)行測試分析。

測試過程分為兩部分：一是實(shí)用性測試，即對(duì)制備好的樣本進(jìn)行質(zhì)量測試，證明不同比例的摻加量是否能夠滿足施工標(biāo)準(zhǔn)；二在具備施工基礎(chǔ)條件下，分別驗(yàn)證不同比例摻加量對(duì)混凝土性能的影響。測試標(biāo)準(zhǔn)選擇普通混凝土力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測試，對(duì)相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，計(jì)算各制備樣品的力學(xué)性能數(shù)值變化。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 公路橋梁施工中混凝土性能評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

不同橋梁工程內(nèi)土質(zhì)地基和施工環(huán)境都會(huì)對(duì)混凝土的制備質(zhì)量產(chǎn)生影響，根據(jù)機(jī)制砂的制備工藝，在配置混凝土過程中離析滲水的情況較為嚴(yán)重，后期混凝土的凝固時(shí)間會(huì)逐漸增加，在較寒冷的地區(qū)會(huì)出現(xiàn)凍裂狀態(tài)。由此在實(shí)際公路橋梁施工中，需要選擇對(duì)建筑要求影響較大的因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠在一定標(biāo)準(zhǔn)上完成對(duì)混凝土的主要性能分析，使其在工程施工中具備一定標(biāo)準(zhǔn)。

大多數(shù)工程案例中對(duì)機(jī)制砂石的配級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定，只能滿足球形顆粒形態(tài)，需要調(diào)整混凝土制備細(xì)集料配比。超高泵送混凝土要求具有良好的流動(dòng)性，配合比按照J(rèn)GJ/T 283《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計(jì)，機(jī)制砂質(zhì)量主要與石粉含量有關(guān)，其會(huì)對(duì)混凝土的工作性能和強(qiáng)度產(chǎn)生影響。按照此規(guī)范，配制混凝土性能較差，對(duì)此次調(diào)整后的配比情況進(jìn)行分析。良好的配級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是在不改變用水量的情況下，對(duì)石粉含量進(jìn)行上下調(diào)整，為保證橋梁的使用年限，此次以抗壓強(qiáng)度和抗凍性能作為測試指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上利用彈性理論構(gòu)建參數(shù)性能分析模型，分別對(duì)兩個(gè)指標(biāo)的表達(dá)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

2.2 基于彈性理論構(gòu)建參數(shù)性能分析模型

在分析模型內(nèi)設(shè)置兩組測試模塊，分別對(duì)應(yīng)抗壓強(qiáng)度和抗凍性能。其中，抗壓強(qiáng)度按照立體制備標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，即在制備完成樣本后，按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定將其分割成200 mm×200 mm×200 mm的立方體，以標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)條件，在對(duì)應(yīng)養(yǎng)護(hù)周期下進(jìn)行強(qiáng)度測試，獲取制備樣品的抗壓強(qiáng)度值，表達(dá)式為

式中：為測試混凝土的樣本立體抗壓強(qiáng)度，MPa；為混凝土的極限承載負(fù)荷，N；為樣本的單位承壓面積，mm。制備樣品的立體抗壓強(qiáng)度可以作為施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，具體是在多個(gè)樣品數(shù)量的份額分類中，按照樣本的最大強(qiáng)度與最小強(qiáng)度差值與平均值的對(duì)比，在施工生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)限定基礎(chǔ)上，不超過15%即可投入施工。

將混凝土樣本在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)30 d后，置于烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，其內(nèi)烘時(shí)間不低于12 h，再將混凝土樣本放入冷凍箱內(nèi)進(jìn)行循環(huán)冷凍，觀察循環(huán)后抗壓強(qiáng)度的變化。以前后抗壓強(qiáng)度損失的對(duì)比率，直接作為抗凍性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。將抗壓強(qiáng)度變化作為抗凍性能測試標(biāo)準(zhǔn)，抗壓強(qiáng)度值損失百分比越小，證明其抗凍效性能越好，損失比率計(jì)算方法為：冷凍前后的混凝土樣本抗壓強(qiáng)度差值，與原有樣本抗壓強(qiáng)度的比值，表達(dá)式為

(2)

式中：為冷凍前混凝土樣本的抗壓強(qiáng)度值；冷凍后的抗壓強(qiáng)度值；損失比率。施工工程評(píng)定抗凍性能標(biāo)準(zhǔn)為抗壓強(qiáng)度損失不大于20%即可。在采用相同配置方式和養(yǎng)護(hù)工藝的技術(shù)下，分別對(duì)公路橋梁施工中需求進(jìn)行分析，得出機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土性能的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)的配比方法具有實(shí)際應(yīng)用效果，能夠?qū)?shí)際施工的公路橋梁質(zhì)量有所保證，對(duì)制備完成的混凝土樣本進(jìn)行測試，分別對(duì)五種摻加量比重進(jìn)行性能分析。為保證實(shí)驗(yàn)的可行性，實(shí)驗(yàn)中將配比后的混凝土用于某地一正在施工的橋梁為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該施工橋梁全長800 m，以該橋梁的橋墩為主要研究對(duì)象，該橋墩高程為449.23 m。為保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境穩(wěn)定，將橋梁施工的路段參數(shù)導(dǎo)入至MATLAB測試平臺(tái)中，對(duì)制備的樣本進(jìn)行分類，具體測試數(shù)量如表2所示。

表2 制備樣本等量分配占比(份)

根據(jù)表中內(nèi)容所示，為保證樣本混凝土性能測試的準(zhǔn)確性，對(duì)制備的混凝土樣本進(jìn)行比例分配，以抗壓強(qiáng)度和抗凍性能為指標(biāo)進(jìn)行測試，機(jī)制砂圓度隨著顆粒粒徑的增加而增加，說明顆粒尺寸越小，顆粒越不規(guī)則。而河砂因?yàn)榱魉臎_擊和摩擦，表面棱角較少，故在各個(gè)圓度在各個(gè)顆粒尺寸上分布均勻；標(biāo)準(zhǔn)砂各粒徑圓度最大。

對(duì)分配好的樣本進(jìn)行對(duì)比，以立體抗壓強(qiáng)度為質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，需保持在65～75 MPa范圍以上，為多一些數(shù)據(jù)樣本支撐，將每組樣本按3個(gè)為一組進(jìn)行代表測試，每組測試的平均值作為強(qiáng)度代表，具體如圖1所示。

圖1 不同砂石粉配比下施工質(zhì)量對(duì)比

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示，機(jī)制砂石粉摻加量為5%和10%時(shí)，不足以達(dá)到抗壓標(biāo)準(zhǔn)與之相差較遠(yuǎn)，無法滿足公路橋梁的施工質(zhì)量。

而其余三種配比樣本能夠滿足抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，可以保證混凝土的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)符合施工條件。其中，當(dāng)摻加量為15%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度最高，遠(yuǎn)超過施工標(biāo)準(zhǔn)，在逐漸增加砂石粉配比后抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)減少趨勢，但仍可以滿足施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

在此基礎(chǔ)上對(duì)混凝土樣本的抗凍性能進(jìn)行測試，直接以符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的配比進(jìn)行測試，從每組中選擇最佳強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。

以每8 h為循環(huán)周期，在將每組樣本放入至冷凍箱內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度降至零下20 ℃下，按照20次為一個(gè)循環(huán)個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，共進(jìn)行140次反復(fù)冷凍。分別對(duì)每次拿出的樣本混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度損失統(tǒng)計(jì)，具體結(jié)果如表3所示。

表3 混凝土樣本抗壓強(qiáng)度損失%

根據(jù)表3中內(nèi)容所示，在每一個(gè)冷凍循環(huán)間隔后，不同配比的混凝土樣本抗壓強(qiáng)度損失不同，其中，在15%摻加量的配比下?lián)p失率較小，表示抗壓強(qiáng)度沒有發(fā)生較大改變，滿足混凝土的抗凍性能。而當(dāng)摻加量增加到20%和25%時(shí)，損失率逐漸增加，表示抗壓強(qiáng)度數(shù)值越來越少，抗凍性能會(huì)逐漸降低。

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)機(jī)制砂石粉含量在15%配比時(shí)，能夠保持混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗凍性能良好，隨之配比的摻加量增加，兩個(gè)指標(biāo)會(huì)隨之下降，但也可滿足施工標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)實(shí)際施工情況而定。

4 結(jié)束語

本文在選擇不同配比含量的基礎(chǔ)上，制備混凝土實(shí)驗(yàn)樣本，對(duì)影響混凝土施工性能的指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，通過參數(shù)分析模型計(jì)算對(duì)比結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)機(jī)制砂中石粉的摻加量為15%時(shí)，混凝土樣本具有較高抗壓抗凍性能，機(jī)制摻加量超過15%，兩種指標(biāo)性能均呈現(xiàn)降低趨勢，具體公路橋梁施工需要根據(jù)實(shí)際情況而定。