C50機(jī)制砂高性能混凝土配合比優(yōu)化試驗(yàn)研究

李志堂，白 偉，譚博盛，張博宇，伍文振，李銓洲

(1.廣東省長大公路工程有限公司，廣州 510620;2.廣西交通投資集團(tuán)有限公司，南寧 530022)

機(jī)制砂混凝土已成為目前基礎(chǔ)建設(shè)中重要角色，也將緩解天然河沙匱乏的現(xiàn)狀。國內(nèi)外關(guān)于機(jī)制砂混凝土的研究及應(yīng)用有相當(dāng)多的報(bào)道[1]。其中，關(guān)于機(jī)制砂石粉含量對機(jī)制砂混凝土影響有較為深入的研究[2-8]。目前國內(nèi)規(guī)范對混凝土用機(jī)制砂的石粉含量要求是較為苛刻的，尤其是對于中高標(biāo)號混凝土。而既有研究表明，適量的石粉含量對機(jī)制砂混凝土是有利的[9]。為此，沈衛(wèi)國等[10]提出了以粉料質(zhì)量指數(shù)PQI(Powder Quality Index)作為機(jī)制砂質(zhì)量分級的綜合指標(biāo)，為確定機(jī)制砂石粉最優(yōu)含量及為機(jī)制砂質(zhì)量分級提供了新的依據(jù)。為了充分利用此工程項(xiàng)目制砂過程中所產(chǎn)生的多余石粉，確保機(jī)制砂混凝土性能的前提下，在已有的研究基礎(chǔ)上，通過對比粉煤灰及石粉不同摻入量，優(yōu)化機(jī)制砂混凝土配合比，以達(dá)到減少水泥用量及石粉排放的目的。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原材料

1)水泥：采用魚峰牌P.O.42.5水泥，主要性能指標(biāo)見表1。

2)粉煤灰：為Ⅱ級粉煤灰，其具體指標(biāo)見表2。

3)粗集料：采用自產(chǎn)5～31.5 mm連續(xù)級配石灰石碎石，表觀密度為2.714 kg/m3，松散堆積密度為1.64 kg/m3，壓碎值為12.2%。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 粉煤灰的質(zhì)量指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

4)細(xì)集料：為自產(chǎn)石灰?guī)r機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.9，壓碎值18%，石粉含量約5%～6%，亞甲藍(lán)MB值0.55 g/kg，表觀密度2.702 kg/m3，堆積密度1.638 kg/m3，空隙率37%，級配組成如圖1所示。

5)減水劑：采用UJ303型聚羧酸鹽高性能減水劑，固含量為25%，減水率為24%～37%。

1.2 試驗(yàn)方法

1)拌和物工作性：按GB/ T 50080—2002《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

2)抗壓強(qiáng)度：按GB/ T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm立方體。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

原配合比(表3)中，水泥的用量為480 kg/m3，用量較大。普通混凝土配合比優(yōu)化的出發(fā)點(diǎn)在于其他性能保持不變或者有所提高的前提下，減少水泥的用量或者用其他的膠凝材料(粉煤灰，石粉等)取代水泥，從而在確保同樣的性能情況下，減少成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

C50新配合比(表4)中，當(dāng)高性能外加劑摻量摻到1.5%時(shí)，坍落度普遍都能達(dá)到180 mm左右，滿足設(shè)計(jì)混凝土對坍落度的要求。新配合比1#和2#的水膠比為0.34，新配合比3#、4#、5#、6#和7#的水膠比為0.32。具體各配合比的強(qiáng)度性能見表5。

表3 原C50配合比

表4 C50新設(shè)計(jì)優(yōu)化配合比

表5 C50各配合比的強(qiáng)度性能

從強(qiáng)度性能可以看出當(dāng)水膠比為0.34時(shí)，強(qiáng)度達(dá)不到C50的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)水膠比降為0.32時(shí)，強(qiáng)度明顯提高，達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，因此水膠比為0.32是普通C50混凝土的最佳水膠比。粉煤灰的加入對混凝土的初期強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大，因此從表中可以看出，摻加粉煤灰的7 d混凝土強(qiáng)度明顯低于原配合比中不摻粉煤灰的混凝土強(qiáng)度。但28 d強(qiáng)度顯示粉煤灰對混凝土后期強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大。當(dāng)水泥對后期強(qiáng)度的增長出現(xiàn)疲軟時(shí)，粉煤灰的火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)體現(xiàn)出來，對混凝土后期強(qiáng)度的增長有很大的貢獻(xiàn)。

比較配合比3#和6#，發(fā)現(xiàn)其他參數(shù)不變的情況下，減少膠凝材料的總用量，相應(yīng)增加集料的用量，強(qiáng)度反而還會(huì)小幅度上升，這主要是因?yàn)楣橇系脑黾釉鰪?qiáng)了混凝土的骨架的支撐作用，雖然膠材有所減少，但是強(qiáng)度不降反升。因此兩者相比，配合比6#可減少水泥用量，對于減少混凝土水化作用及降低成本更有優(yōu)勢。

比較配合比5#、6#和7#，發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰摻量的增加，強(qiáng)度有一個(gè)先增加后降低的過程。這主要的原因可能是，當(dāng)粉煤灰的摻量低于10%時(shí)，粉煤灰的加入在混凝土中能夠很好的起到填充空隙的作用，使級配更加合理，混凝土更加密實(shí)，因此強(qiáng)度會(huì)有一個(gè)增加，但是摻量達(dá)到20%時(shí)，由于粉煤灰的含量過多，粉煤灰相比水泥活性低的性質(zhì)體現(xiàn)出來，強(qiáng)度會(huì)明顯下降。

通過比較配合比1#和2#、3#和4#，發(fā)現(xiàn)石粉作為膠凝材料摻加到高標(biāo)號混凝土中，對強(qiáng)度的影響很大，實(shí)驗(yàn)中石粉的摻量只有5%，但是不管是0.34的水膠比還是0.32的水膠比，石粉都會(huì)使混凝土的強(qiáng)度下降。一部分原因在于石粉的活性很低，基本不發(fā)生水化反應(yīng)，對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要還是填充效應(yīng)，使得混凝土變得更加密實(shí)；另一個(gè)原因是機(jī)制砂本身石粉含量約5%～6%，所以再摻入過量石粉(中高標(biāo)號機(jī)制砂混凝土中石粉含量不宜超過10%)，對機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度是不利的。這與已有的研究結(jié)果是一致的。

綜合對比，8種配合比方案，配合比0#水泥用量偏高，28 d強(qiáng)度富余過多；而配合比2#的28 d強(qiáng)度富余過小。而配合比3#、5#、6#和7#只摻入粉煤灰。因?yàn)轫?xiàng)目受地域影響，粉煤灰價(jià)格、供應(yīng)量及質(zhì)量波動(dòng)較大，這會(huì)對實(shí)際施工及質(zhì)量控制造成不利影響；且沒有摻入石粉，沒有起到減少石粉排放的目的。綜合考慮配合比4#為經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)化配比。

3 結(jié) 論

a.摻加粉煤灰的7 d混凝土強(qiáng)度明顯低于原配合比中不摻粉煤灰的7 d混凝土強(qiáng)度。但28 d強(qiáng)度顯示粉煤灰對混凝土后期強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大。

b.其他參數(shù)不變的情況下，減少膠凝材料的總用量，相應(yīng)增加集料的用量，強(qiáng)度反而還會(huì)小幅度上升。

c.隨著粉煤灰摻量的增加，強(qiáng)度有一個(gè)先增加后降低的過程。

d.石粉作為膠凝材料摻加到高標(biāo)號混凝土中，對強(qiáng)度的影響很大，其摻入量應(yīng)該考慮機(jī)制砂本身已有石粉的含量。

e.通過摻入適量的粉煤灰及石粉作為膠凝材料，可以替代部分水泥，既可以保證機(jī)制砂混凝土性能滿足要求，也可以利用掉部分制砂過程中所產(chǎn)生的多余石粉，降低混凝土成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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