機制砂制備高流態(tài)C30襯砌混凝土的配合比研究*

李建東 李新華 李 信

(1.中鐵大橋局集團第六工程有限公司 武漢 432004；2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室 武漢 430034)

砂石骨料是混凝土制備中的重要原材料。隨著當前國家大力推進環(huán)境友好型社會建設及天然河砂資源的日益匱乏，在工程建設中大規(guī)模使用機制砂已成為必然選擇。

機制砂由巖石破碎制得，相較天然河砂，其表面粗糙、多棱角且石粉含量較高，對外加劑分子具備較強吸附力，一般認為采用機制砂制備混凝土存在黏度大、易開裂等問題[1-3]。近年來部分研究表明，適量石粉可改善機制砂級配，提高水泥石密實堆積程度，且石粉可改善拌合物離析泌水，提高漿體黏聚性和包裹性[4-5]。且機制砂破碎產(chǎn)生的大量廢棄石粉，若不充分利用，必然會造成環(huán)境污染，同時也是對資源的浪費，部分學者指出，將廢棄石粉視作粉料的一部分，等量替代適量膠凝材料，不僅可以降低混凝土水化放熱從而降低其開裂風險，還可同礦物摻合料產(chǎn)生疊加效應[6-7]。襯砌混凝土一般需要具有流動性和保水性，收縮小、抗?jié)B性能優(yōu)，然而目前襯砌混凝土中摻入機制砂的相研究極少，因此，亟須開展利用機制砂制備高流態(tài)襯砌混凝土的研究。

保神高速為湖北省“十三五”重點建設項目，項目途徑神農(nóng)架林區(qū)，當?shù)睾由百Y源匱乏且道路崎嶇，外購運輸成本高。因此，擬利用林區(qū)豐富的機制砂資源及隧道開挖產(chǎn)生的廢棄石料，制備一種具備高和易性及高耐久性的機制砂襯砌混凝土，既降低施工成本，又可避免大量廢棄石料亂置，減小當?shù)丨h(huán)境壓力。

1 原材料及實驗方法

1.1 原材料

1) 水泥。采用葛洲壩水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，其性能指標見表1。

表1 葛洲壩P·O 42.5水泥性能

2) 粉煤灰。采用襄陽華能電力生產(chǎn)的II級粉煤灰。

3) 粗集料。5～31.5 mm連續(xù)級配碎石，壓碎值16.4%，表觀密度2 779 kg/m3。

4) 細集料。馬橋鎮(zhèn)當?shù)厣a(chǎn)石灰石機制砂，主要技術指標見表2。

表2 機制砂技術指標

5) 外加劑。外加劑為江蘇奧特萊產(chǎn)高效聚羧酸減水劑，減水率為17%。

1.2 試驗方法

依據(jù)GB/T 50080-2016 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行拌合物坍落度/擴展度試驗；參照GB/T 50081-2019 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行試塊成型、養(yǎng)護及相關力學性能測試，立方體試塊邊長為150 mm。

2 配合比優(yōu)化設計

基于密實骨架堆積原理，根據(jù)現(xiàn)有原材料狀況及JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》中質量法的計算，初步確定基準配合比為：m(水泥)∶m(石)∶m(機制砂)∶m(水)=420∶970∶810∶168，固定外加劑用量為1.2%，該基準混凝土性能見表3。

表3 基準混凝土性能

由表3可知，基準混凝土28 d抗壓強度達44.1 MPa，滿足規(guī)范要求，然而其擴展度僅為465 mm，拌合物黏重不利于現(xiàn)場泵送施工，因此需對配比進一步優(yōu)化。

2.1 粉煤灰對混凝土性能的影響

粉煤灰是一種重要的礦物摻合料，具備火山灰效應，可在堿性環(huán)境下同水化產(chǎn)物結合生成C-S-H凝膠，且復摻適量粉煤灰既可形成良好的顆粒級配，提高水泥石密實堆積程度，又可提高拌合物漿體量，潤滑骨料，改善混凝土工作性能。本文依據(jù)基準配比，復摻不同比例粉煤灰取代水泥，探究其最優(yōu)摻量，見表4。

由表4可知，固定膠凝材料總量不變，等比例摻入粉煤灰取代水泥，隨粉煤灰摻量增加，拌合物包裹性提升，其坍落度和擴展度呈先增后減的趨勢。這是因粉煤灰內(nèi)存在球狀玻璃體具備一定減水效應，且適量粉煤灰同水泥顆粒形成良好的顆粒級配，提高混凝土漿體率改善拌合物工作性能[8]。當其摻量超過19%后，膠凝漿體過多，致使拌合物包裹性劣化，易產(chǎn)成離析、泌水等不良現(xiàn)象，且此時混凝土抗壓強度降低明顯。這是由于粉煤灰需結合Ca(OH)2等水泥水化產(chǎn)物才可發(fā)揮其火山灰效應，若粉煤灰摻量過高，拌合物內(nèi)Ca(OH)2較少，孔溶液堿度降低，難以完全激發(fā)其火山灰效應，僅發(fā)揮填充作用不利于水泥石后期強度增長。綜合考慮混凝土力學性能及和易性，確定粉煤灰摻量為19%。

2.2 水膠比對混凝土性能的影響

基于上述試驗確定粉煤灰摻量為19%，試驗對比0.36、0.38、0.4 3種不同水膠比下，拌合物工作性能及力學性能，其結果見表5。

表5 不同水膠比下混凝土性能

由表5可見，隨水膠比降低，拌合物的和易性出現(xiàn)不同程度的劣化，當水膠比降低至0.36時，其擴展度僅為485 mm，不符合施工要求，因此混凝土水膠比不宜低于0.38?；炷梁笃趶姸入S水膠比降低而提高，這是由于低水膠比雖增大拌合物黏度，卻提升了骨料密實度，使水泥石形成更緊密堆積結構。然而隨水膠比進一步降低，混凝土強度增長趨勢明顯放緩，此時自由水含量過低，致使大量水泥無法充分水化，對結構抗壓強度造成不利影響。

2.3 砂率對混凝土性能的影響

根據(jù)上述試驗結果，試驗組P5工作性能和力學性能均良好，故以試驗組P5為基準，調(diào)整混凝土砂率為41%、43%、45%、47%探究不同砂率對混凝土性能的影響規(guī)律，其結果見表6。

表6 不同砂率下混凝土性能

由表6可見，隨砂率增大，混凝土坍落度、擴展度呈先增后減趨勢，當砂率為41%時，細集料較少，拌合物漿體含量較低，包裹性差，致使拌合物離析泌水。隨砂率增大，混凝土骨料密實堆積程度增大，抗壓強度提升。當砂率增至43%后，隨砂率增大混凝土力學性能降低，這是由于此時骨料間空隙已被充分填充，若進一步提高細集料比例，將破壞骨料最緊密堆積，增大其內(nèi)部孔隙率[9]。因此，綜合考慮現(xiàn)場施工對和易性的要求，選擇砂率45%開展進一步研究。

2.4 石粉含量對混凝土性能的影響

機制砂由巖石經(jīng)機械破碎制得，因此在生產(chǎn)過程中不可避免會產(chǎn)生大量石粉，石粉粒徑較小，比表面積高且表觀形貌不規(guī)則，雖可發(fā)揮一定的填充作用，但若其含量過高將導致拌合物需水比增大，致使其和易性不佳，在泵送施工中易造成堵管等不良現(xiàn)象。本文選用石粉含量為0%，4%，8%，12.9%的機制砂制備混凝土，探究石粉含量對混凝土性能的影響規(guī)律，其性能指標見表7。

表7 不同石粉含量下混凝土性能

由表7可見，當石粉含量低于8%時，隨機制砂內(nèi)石粉含量增加，混凝土工作性能及力學性能均有一定程度提高。當石粉含量為8%時，相較無石粉組，混凝土拓展度提高8.3%，28 d抗壓強度提升12.3%。若石粉含量進一步增大，混凝土工作性能和力學性能均出現(xiàn)較大劣化。這是因石粉粒徑較小，當其摻量較低時可填充膠凝材料間空隙，發(fā)揮微集料效應，提高水泥石致密度。同時石粉具備一定的“晶核效應”，適量石粉可在混凝土內(nèi)部形成成核中心，促進膠凝材料進一步水化，誘導水化產(chǎn)物析晶[10-11]。工作性能方面，適量石粉可增大拌合物中砂漿含量，潤滑骨料改善拌合物離析、泌水等不良現(xiàn)象，提高其黏聚性及包裹性。然而當石粉含量超過8%后，因其比表面積較大，吸附大量自由水，不僅致使拌合物工作性能劣化明顯，還增大了混凝土內(nèi)部缺水，導致水泥水化不充分，不利于水泥石后期強度增長。此時除發(fā)揮微集料效應外，部分游離石粉黏聚成團，致使?jié){-骨界面區(qū)不密實，易造成應力集中影響混凝土抗壓強度。因此現(xiàn)場施工中，機制砂石粉含量宜取8%。

2.5 石粉取代膠凝對混凝土性能的影響

鑒于現(xiàn)場生產(chǎn)中機制砂石粉含量波動較大，經(jīng)干法除粉至所需標準后，將產(chǎn)生大量廢棄石粉，增大當?shù)丨h(huán)保壓力，且有研究表明石粉做摻合料對混凝土和易性及強度基本無影響。因此基于上述P10試驗組配比，摻加石粉按25%，50%，75%，100%等比例取代粉煤灰做摻合料，結果見表8。

表8 石粉取代粉煤灰對混凝土性能影響

由表8可知，石粉取代粉煤灰對拌合物工作性能幾乎無影響，這是由于石粉粒徑、細度同II級粉煤灰基本相當，石粉等質量取代粉煤灰不造成拌合物漿體需水量變化，且當石粉取代率為25%時，拌合物坍落度、擴展度均為最大，其黏聚性和保水性存在一定程度提升。然而隨石粉取代率提升，混凝土抗壓強度呈下降趨勢。當石粉完全取代粉煤灰作摻合料時，P16組混凝土28 d抗壓強度相較P10組下降了22.6%，已不滿足施工規(guī)范要求。這是由于石粉無火山灰效應，在混凝土內(nèi)僅發(fā)揮填充效應，無法同Ca(OH)2等水泥水化產(chǎn)物反應，提高水泥石致密度。若石粉取代率高于50%，混凝土抗壓強度已經(jīng)不滿足混凝土配制強度的要求，如P15組、P16組。因此，石粉取代率不宜高于50%。

3 結論

1) 調(diào)整粉煤灰摻量及水膠比皆可改善拌合物和易性，然而粉煤灰摻量或水膠比過高將致使混凝土離析、泌水，且其后期強度有所降低。

2) 調(diào)整混凝土砂率將改變混凝土的密實堆積程度，當砂率為45%時，混凝土性能最佳。機制砂中摻入的適量石粉可發(fā)揮晶核效應，促進水泥水化，但若石粉含量超過8%，將造成拌合物和易性劣化。

3) 石粉取代II級粉煤灰對混凝土工作性能基本無影響，但因其無水化活性，對混凝土力學性能產(chǎn)生不利影響，石粉取代粉煤灰不宜超過50%。