南水北調某標段全機制砂混凝土配合比試驗

張會芝，劉紀峰

(三明學院建筑工程學院，福建三明365004)

0 引言

基于工程實際的迫切現實需要，機制砂取代天然河砂配制混凝土已經引起了不少學者和施工單位的重視，并進行了一些卓有成效的研究。文獻[1］研究了機制砂對混凝土各方面性能的影響、石粉的活性效應、含泥量對混凝土的影響，認為機制砂混凝土具有廣闊的應用前景;文獻[2］研究了水灰比、砂率、膠凝材料用量、機制砂的級配與細度模數及含粉量等參數對全機制砂混凝土性能的影響;文獻[3］研究了重慶地區全機制砂混凝土的性能，研究結果表明:機制砂混凝土的收縮率與天然中砂混凝土相差不大，但力學性能、抗滲性和抗碳化性能均優于后者;文獻[4］的研究表明:隨著機制砂比表面積的增大，混凝土拌合物的坍落度減小，但機制砂比表面積對混凝土抗壓強度的影響較小;文獻[5］對機制砂自密實混凝土的各項性能進行了試驗研究;文獻[6］對人工砂及人工砂混凝土的研究現狀進行了綜述。

南水北調中線某標段長度5.75 km，標段內共有各種建筑物14座，其中包括河渠交叉建筑物2座，左岸排水建筑物2座，渠渠交叉建筑物2座，節制閘、退水閘各1座，分水口門1座，公路橋4座，生產橋1座。該工程混凝土工程冬季施工部位包括:排水溝倒虹吸管身、排水溝倒虹吸墊層、公路橋樁基、公路橋橋墩橋臺等。由于該標段位于兩地市交界處，位置較為偏僻，一般攪拌混凝土所用的天然河砂不易得到，遠距離運輸價格較高，不經濟，同時考慮到開采天然河砂對環境的不利影響，業主也要求使用機制砂配制高流動性混凝土。全機制砂混凝土配合比試驗的內容包括:CFG樁C10，渡槽槽身C40W8F150，常溫和冬季施工，組合梁、箱梁C50F200泵送和非泵送，空心板、鋪裝層C40F200泵送和非泵送。共計7個配合比，除CFG樁C10配合比使用普通硅酸鹽P.O 42.5水泥，其余配合比均使用普通硅酸鹽P.O 52.5水泥。本文結合該標段全機制砂混凝土配合比試驗的實測數據，研究各參數對機制砂混凝土性能的影響。

1 原材料及配合比設計

1.1 原材料檢測

砂為鶴壁市通達石料有限公司生產的機制砂，中砂，細度模數2.98，表觀密度2 700 kg/m3，堆積密度1 570 kg/m3，石粉質量分數10.2%，無泥塊含量，飽和面干吸水率1.2%，空隙率42%。砂的顆粒級配曲線見圖1。碎石為鶴壁市通達石料有限公司生產，粒徑范圍為5～20 mm、20～40 mm兩級，表觀密度2 700 kg/m3，含泥量0.5%(質量比，下同)，壓碎值10.5%，針片狀含量2% ～5%，吸水率0.8%(質量比)。粗骨料分5～20 mm和20～40 mm兩級，根據每級骨料所占的不同比例進行振實，選擇振實密度最大的比例為最佳搭配，采用最大密度法配置后的兩級粗骨料分別占45%和55%。

水泥為河南同力水泥有限公司生產的P.O 42.5、P.O 52.5普通硅酸鹽水泥;密度為2.94～2.98 g/cm3，細度分別為305 m2/kg和308 m2/kg，其他各項指標符合GB175—1999 標準[7］要求。

圖1 砂的顆粒級配曲線

粉煤灰為安陽電廠生產的F-Ⅰ級粉煤灰，經檢測符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[8］中Ⅰ級粉煤灰相應的質量要求，粉煤灰檢測結果見表1。外加劑為北京世紀洪雨科技有限公司生產的高效減水劑、復合防凍劑、引氣劑。外加劑的檢驗項目符合GB 8076—1997《混凝土外加劑》[9］指標要求。

混凝土中的總堿含量按照《南水北調中線工程工程標準-預防混凝土工程堿骨料反應技術條例-試行中的規定》執行，混凝土中的總堿含量不大于2.5 kg/m3。

表1 粉煤灰物理性能檢測結果 %

1.2 配合比設計

為了使混凝土的各項性能達到設計和施工的要求，在設計混凝土配合比時，綜合考慮混凝土的和易性、強度、耐久性、經濟性等方面，按質量法設計混凝土配合比。要求混凝土含氣量控制在4.0% ～6.0%。泵送混凝土的坍落度控制在140～160 mm，C50混凝土的坍落度控制在180～220 mm。粉煤灰等量取代為20%，粉煤灰的超量因數選1.1～1.2。混凝土密度在2 380～2 440 kg/m3，實測值與設計密度值之差控制在設計密度值的±2%之內。

依據《水工混凝土配合比設計規程》(DL/T 5330—2005)[10］、《水工混凝土施工規范》(DL/T 5144—2001)[11］，混凝土的配制強度按下式進行計算

式中，fcu，0為混凝土的配制強度，MPa;fcu，k為混凝土的設計齡期的強度標準值，MPa;t為概率度因數，依據保證率P選定，見表2;σ為混凝土強度標準差，見表3。考慮到本工程的重要性和復雜性，C40和C50實際強度標準差σ的取值均比表3值增加0.5 MPa。

表2 混凝土配制強度

表3 混凝土強度標準差 MPa

由于該工程近期的同種混凝土強度無統計資料，根據工程現場的混凝土原材料、混凝土生產工藝及生產質量控制水平等實際情況，其混凝土強度標準差σ參照《水工混凝土施工規范》(DL/T 5144—2001)、《水工混凝土結構設計規范》(DL/T 5052—1996)[12］、《水工混凝土結構設計手冊》[13］等標準取用，見表3，混凝土配制強度列于表4。混凝土強度保證率P選為95.0%，則概率度因數為1.645。

表4 混凝土配合比及各項性能指標

2 試驗結果分析

全機制砂混凝土的坍落度和密度、抗壓強度試驗分別依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2002)、《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)進行。抗滲和抗凍試驗依據《水工混凝土試驗規程》(SL 352—2006)進行，分別對抗滲試件施加相應級別的滲水壓力，測試其滲透情況;對抗凍試件凍融循環至規定次數，測試其相對動彈性模量和質量損失率。

經測試，混凝土的各項性能指標見表4和表5，由表4和表5可知:(1)全機制砂混凝土的坍落度、密度及抗壓強度等指標達到了設計要求;(2)有抗凍和抗滲要求的全機制砂混凝土的抗凍抗滲性能均達到了設計要求。下面依據試驗結果分析配合比參數等因素對混凝土強度的影響。

表5 混凝土抗凍抗滲性能試驗結果

2.1 灰水比與28 d抗壓強度關系

不同標號機制砂混凝土灰水比和28 d立方體抗壓強度關系見表6，由表6可知:各種配合比全機制砂混凝土的灰水比與28 d抗壓強度基本為線性關系，28 d抗壓強度隨灰水比的增大而增大。

2.2 砂率與各齡期抗壓強度關系

砂率對混凝土7 d和28 d立方體抗壓強度的影響分別見圖2和圖3，由表4及圖2和圖3可知:全機制砂混凝土砂率與各齡期立方體抗壓強度的關系式可擬合為一階指數衰減型曲線，7 d和28 d立方體抗壓強度均隨砂率的增加而降低，其中，7 d的立方體抗壓強度和砂率的一階指數衰減型關系式為

式中，y為7 d的立方體抗壓強度，MPa;x為砂率，%。

表6 不同標號混凝土灰水比和28 d抗壓強度關系

28 d的立方體抗壓強度和砂率的一階指數衰減型關系式為

式中，y為7 d的立方體抗壓強度，MPa;x為砂率，%。

在表4所示的配合比參數狀況下，全機制砂混凝土7 d和28 d均隨砂率增大而降低。這個規律和文獻[2-3］的研究結論并不相同，原因在于本次試驗所用配合比各參數均是變化的，而文獻[2-3］使用的是基準配合比，只變動單個參數，研究其對全機制砂混凝土性能的影響，試驗配合比不同是導致兩者試驗結果不同的原因。

圖2 砂率和7 d抗壓強度關系圖

圖3 砂率和28 d抗壓強度關系圖

2.3 齡期與抗壓強度關系

各配合比混凝土強度隨齡期的增長曲線如圖4所示，圖4中的序號與表4中序號一致。由圖4可知:在表4所示配合比條件下，7 d齡期全機制砂混凝土的強度可以達到28 d立方體抗壓強度的55% ～84%，其中，C10混凝土的7 d強度增長較慢，為28 d強度的55% ～56%;6組、9組、13～15組的強度增長較快，7 d強度為28 d強度的81% ～84%，其余各組7 d強度為28 d強度的76% ～79%，增長相對較快。

3 結論與建議

圖4 齡期和抗壓強度關系圖

3.1 結論

(1)各種配合比全機制砂混凝土的灰水比與28 d抗壓強度基本為線性關系，28 d抗壓強度隨灰水比的增大而增大。(2)全機制砂混凝土砂率與各齡期立方體抗壓強度的關系式可擬合為一階指數衰減型曲線，在試驗所用配合比條件下，7 d和28 d立方體抗壓強度均隨砂率的增加而降低。但砂率單參數對全機制砂混凝土抗壓強度的影響有待于進一步試驗研究。(3)C10混凝土的7 d強度為28 d強度的55% ～56%，其余各配合比的混凝土7 d強度為28 d強度的76% ～84%。(4)全機制砂混凝土的坍落度、密度、抗壓強度、抗凍和抗滲等指標達到了設計要求，能滿足工程應用。

3.2 建議

在前期試驗基礎上，建議各設計指標的全機制砂混凝土配合比按表7選取。

表7 全機制砂混凝土配合比建議表

(1)所選CFG樁C10混凝土配合比，主要考慮混凝土的和易性、泵送性及滿足配制強度15.8 MPa要求。(2)所選渡槽槽身C40W8F150混凝土配合比，滿足配制強度49.0 MPa要求，滿足GB 50119—2003《混凝土外加劑應用技術規范》[14］規定水膠比不大于0.50，滿足抗凍、抗滲性能要求，滿足混凝土拌合物性能要求。(3)所選空心板、鋪裝層C40F200混凝土配合比，滿足配制強度49.0 MPa要求，滿足抗凍性能要求，滿足混凝土拌合物性能要求。(4)所選組合梁、箱梁C50F200混凝土配合比，滿足配制強度59.9 MPa要求，滿足抗凍性能要求，滿足混凝土拌合物性能要求。

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[9]國家技術監督局.GB 8076—1997混凝土外加劑[S］.北京:中國標準出版社，1997.

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[11]中國長江三峽開發總公司，中國葛洲壩水利水電工程集團公司.DL/T 5144—2001水工混凝土施工規范[S］.北京:中國經濟出版社，2002.

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[13]周氐，章定國，鈕新強.水工混凝土結構設計手冊[M］.北京:中國水利水電出版社，1999.

[14]中華人民共和國建設部.GB 50119—2003混凝土外加劑應用技術規范[S］.北京:中國建筑工業出版社，2003.