混合砂配制C50混凝土應用研究

唐 瑜 吳慶雄 陳榮剛

(1.福州大學土木工程學院 福建福州 350116; 2.福建高速至信建設管理有限公司 福建福州 350001)

0 引言

在土木工程中，混凝土具有制備簡單、生產成本相對較低、可塑性好且耐久性強等特點，是用途最廣、用量最大的建筑材料；其中，砂是混凝土中最為重要的原材料之一[1]。然而，近些年來，隨著社會經濟快速發展，我國基礎設施建設數量及規模快速增長，混凝土的使用量急劇增大，導致大量的天然砂被過度開采，天然砂資源逐漸匱乏，環境破壞愈演愈烈。隨著人們環境保護意識的增強以及環保力度的加大，天然砂禁采范圍越來越廣，價格也越來越高。在此背景下，機制砂引起了更多人的關注[2]。機制砂利用現代化技術由巖石經除土開采、機械破碎、篩分制成，其粒徑在4.75 mm以下。但是，與天然砂對比，機制砂在實際應用過程中也存在些許問題，例如經機械破碎后粒型不好、針片狀過多、級配不連續、細度模數偏大等。

針對上述問題，人們開始將機制砂和天然砂進行混合配制形成混合砂。已有的研究結果表明，混合砂可以充分發揮機制砂和天然砂的優勢，有效地克服單獨使用機制砂時所存在的問題[3]。然而，關于混合砂的摻配比例及其制備而成的混凝土基本性能的工程應用研究相對較少。

本文依托國家高速公路網京臺線長樂松下至平潭段橋梁工程，開展采用混合砂配制C50混凝土的應用研究，成果可為該工程和類似工程提供參考。

1 試驗原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗中所用水泥為泰州楊灣海螺水泥有限責任公司生產的硅酸鹽低堿P.Ⅱ52.5R水泥；粉煤灰采用福州開發區華能實業有限公司F類Ⅰ級粉煤灰；礦粉采用福州羅強建材有限公司S95礦粉。粗集料，采用平潭港務海壇砂石分公司5mm～20mm碎石，其中碎石摻配比例5mm～10mm∶10mm～20mm=4∶6。試驗采用的水為普通自來水；減水劑采用廈門宏發先科新型建材有限公司的HPCA-600緩凝型高性能減水劑，固含量30%，減水率25%。

細集料為平潭港務海壇砂石分公司生產的機制砂和閩江砂。

機制砂有兩種：一是直接采用砂石分公司生產的細度模數在3.7～3.1具有連續級配的粗砂，簡稱機制砂Ⅰ；二是采用方孔徑2.36mm的篩過篩留取篩上部分的單一級配粗砂，可有效降低泥含量和石粉含量并能提高砂的強度保證率，簡稱機制砂Ⅱ。

閩江砂也有兩種：一是采用閩江中砂，細度模數在3.0～2.3，簡稱河砂Ⅰ；二是采用閩江細砂，細度模數在2.2～1.6，簡稱河砂Ⅱ。

機制砂和閩江河砂主要性能指標如表1所示。從表1可知，與河砂相比，機制砂級配不連續、細度模數偏大。

1.2 配合比

依據實際工程的施工設計要求，選擇坍落度為200±20mm 的C50泵送混凝土，并參照《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55-2011)[4]設計的基準配合比，如表2所示。

表1 砂的主要性能指標

表2 C50混凝土基準配合比 kg

采用平潭港務海壇砂石分公司生產的機制粗砂(連續級配和單一級配)和閩江砂(中砂、細砂)，按照機制砂30%最低摻量以及10%增量進行配比，形成不同細度模數和級配的混合砂，并確?；旌仙凹毝饶挡怀^《建設用砂》(GB/T 14684-2011)[5]中粗砂的規定上限值3.7，然后依據表2的配合比進行C50混凝土制備。其中機制砂與閩江砂的具體參配比例和結果如表3所示。

1.3 試驗方法

根據《普通混凝土拌合物性能試驗方法》(GB/T50080-2002)[6]，開展混凝土工作性能測試。根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)[7]開展混凝土力學性能試驗?；旌仙爸苽浠炷良捌湫阅茉囼炄鐖D1所示。

表3 混合砂摻配結果

(a)混凝土制備 (b)坍落度測試 (c)擴展度測試 (d)泌水現象觀察

圖1 混合砂制備混凝土及其性能試驗照片

2 試驗結果與分析

2.1 混合砂配制C50混凝土性能

表4～表5列出了采用混合砂制備的混凝土的工作性能和力學性能。

由表4～表5可知：連續級配的機制砂Ⅰ與河砂Ⅰ配比而成的1-1～1-5組混合砂，機制砂Ⅰ摻量在不超過50%時，混合砂為中粗砂，且處于級配較好的Ⅱ區，混凝土和易性相對較好，抗壓強度較高；隨著機制砂Ⅰ摻量進一步增加，混合砂制備的混凝土坍落度、擴展度都逐漸減少，和易性逐漸變差，抗壓強度也逐漸減少。主要原因在于：機制砂Ⅰ摻量的增加，使得混合砂由中砂轉變為粗砂，級配區域由Ⅱ區變為Ⅰ區，降低了混凝土的密實性，增大了內部的摩擦阻力，影響了混凝土的和易性和強度。

表4 混凝土工作性能 m

MPa

連續級配的機制砂Ⅰ與較細的河砂Ⅱ配比而成的2-1～2-5組混合砂，機制砂Ⅰ摻量由30%增大至70%時，混合砂細度模數為2.31～2.91，均為中砂且其相應級配區域基本分布于級配較好的Ⅱ區，混合砂級配連續合理，密實度高，所配制的混凝土和易性較好，抗壓強度較高。

機制砂Ⅰ分別與河砂Ⅰ、河砂Ⅱ配比成的混合砂結果，機制砂Ⅰ較粗，1.18mm以上較多，而河砂Ⅱ較細，級配區域為Ⅲ區且偏細，0.3mm以下較多，兩者相結合更易形成處于級配區域為Ⅱ區，細度模數適中的砂，所制備的混凝土和易性好，抗壓強度高，與《貴州省高速公路機制砂高強混凝土技術規程》[8]推薦使用Ⅱ區、中砂制備高強混凝土結果相符。

采用單一級配的機制砂Ⅱ與河砂Ⅰ配比得到3-1～3-4組混合砂，細度模數范圍為3.01～3.85，基本均為粗砂且級配處于較差的Ⅰ區，導致制備的混凝土黏聚性、保水性下降，坍落度降低，和易性變差；但較粗的混合砂自身強度較高，且基準配合比中水灰比較為合理，以致對其制備的混凝土強度影響不大。因此，單一級配的機制砂Ⅱ與河砂Ⅰ配比形成的混合砂制備的混凝土不符合相關要求。

采用單一級配的機制砂Ⅱ與河砂Ⅱ配比得到4-1～4-4組混合砂可知：機制砂Ⅱ摻量在30%～40%時，混合砂為中砂，且處于級配較好的Ⅱ區，混凝土和易性相對較好，抗壓強度較高；隨著機制砂Ⅱ摻量進一步增加，混合砂由中砂轉變為粗砂，級配區域由Ⅱ區變為Ⅰ區。主要原因在于：2.36mm以上部分較多，而2.36mm～0.6mm層較少，級配不連續，以致制備的混凝土坍落度、擴展度逐漸減少，和易性逐漸變差，抗壓強度也逐漸減少。

2.2 混合砂配制C50混凝土經濟性能

由表6可知，標準組采用單一的天然河砂Ⅰ制備C50混凝土的成本最高，采用河砂與機制砂配比形成的混合砂中，機制砂摻量越高則成本越低，節省成本最高可達34%。

表6 C50混凝土用砂成本對比表

注：標準組為采用天然河砂Ⅰ(中砂)制備C50混凝土。

從保護生態環境角度并結合2.1節中關于混合砂制備混凝土所具備的工作性能及力學性能的結論可得：連續級配機制砂Ⅰ與河砂Ⅰ(中砂)配比形成混合砂中，50%摻量的機制砂制備的混凝土和易性較好，抗壓強度較高，且用砂成本節省最高，達24%；連續級配機制砂Ⅰ與河砂Ⅱ(細砂)配比形成混合砂中，30%～70%摻量的機制砂制備的混凝土和易性均較好，抗壓強度均較高，摻量70%的機制砂用砂成本節省最高，達34%；單一級配機制砂Ⅱ與河砂Ⅱ(細砂)配比形成混合砂中，40%摻量的機制砂制備的混凝土和易性較好，抗壓強度較高，且用砂成本節省最高，達20%。

3 結論

(1)連續級配機制砂Ⅰ與河砂Ⅰ(中砂)配比形成混合砂中，機制砂的摻量不超過50%時級配較好，制備的混凝土和易性較好，抗壓強度較高，且用砂成本節省最高可達24%。連續級配機制砂Ⅰ與河砂Ⅱ(細砂)配比中，機制砂Ⅰ摻量由30%增大至70%時，混合砂細度模數為2.31～2.91均為中砂且其相應級配分布于較好的Ⅱ區，混合砂級配連續合理，密實度高，所配制的混凝土和易性較好，抗壓強度較高。機制砂摻量為70%時用砂成本節省最高，達34%。

(2)機制砂級配不連續的情況下，單一級配機制砂Ⅱ與河砂Ⅱ(細砂)配比形成混合砂，機制砂摻量不超過40%時級配較好，制備的混凝土和易性較好，抗壓強度較高，用砂成本節省最高可達20%，較為適用；單一級配的機制砂Ⅱ與河砂Ⅰ配比形成的混合砂較粗，級配較差，制備的混凝土不符合相關要求。

(3)結合實際工程應用情況，利用較粗的機制砂按照合適比例形成混合砂替代河砂配制高性能混凝土，其抗壓強度較高，替代比例可達40%，用砂成本可節省20%以上，有效緩解建筑用砂矛盾，具有一定的推廣應用價值。