機(jī)制砂水泥混凝土的配制及性能研究

董 瑞，薛長武，賈慶榮，沈衛(wèi)國

（1.廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510101；2.武漢理工大學(xué)建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

0 引言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施的大力發(fā)展與自然資源的不斷開采，很多地方的天然砂已近枯竭，質(zhì)量不斷下降，含泥量越來越大，顆粒級(jí)配嚴(yán)重超出了國家標(biāo)準(zhǔn)。此外，有些抗洪形勢嚴(yán)峻的地區(qū)已禁止天然砂的開采，例如長江、黃河等主要產(chǎn)砂地區(qū)，這也導(dǎo)致了天然砂資源更加貧乏，局部地區(qū)天然砂的運(yùn)費(fèi)已經(jīng)超過其售價(jià)幾倍，高昂的運(yùn)費(fèi)使混凝土的費(fèi)用顯著提高。

混凝土用砂可分為機(jī)制砂和天然砂兩類[1-2]，機(jī)制砂是采用制砂機(jī)和其他附屬設(shè)備加工而成的粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒。天然砂是自然條件作用（主要是巖石風(fēng)化）而形成，按其成因分為山砂、河砂及海砂，其手感比較細(xì)膩，是一種不可再生資料。

因此，生產(chǎn)符合規(guī)范要求的機(jī)制砂替代人工砂已迫在眉睫。鑒于某些地區(qū)的特殊情況，我國道路科研工作者很早就開始了機(jī)制砂在混凝土中相關(guān)應(yīng)用研究工作[3-4]。本文立足于機(jī)制砂在廣西靖那高速公路全線的推廣應(yīng)用，對機(jī)制砂混凝土的配制進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究，確定了相應(yīng)混凝土配合比的技術(shù)參數(shù)，為全線機(jī)制砂混凝土的配制提供了有力的技術(shù)支持。

1 C30機(jī)制砂混凝土的配制

本文選用靖那高速二標(biāo)段項(xiàng)目部試驗(yàn)室所用的原材料，經(jīng)過對全線結(jié)構(gòu)混凝土等級(jí)統(tǒng)計(jì)分析可知，橋梁樁基、承臺(tái)、立柱等下部結(jié)構(gòu)，隧道初噴、二次襯砌、路面墊層等結(jié)構(gòu)主要采用低標(biāo)號(hào)混凝土。本研究以C30機(jī)制砂泵送混凝土為研究對象，混凝土的設(shè)計(jì)坍落度在140～170 mm。

1.1 砂率的確定

1.1.1 固定水灰比機(jī)制砂混凝土砂率試驗(yàn)

固定減水劑摻量和水灰比，砂率控制在36%～44%，按照2%的砂率增量來研究其對機(jī)制砂混凝土拌合物和易性及強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)配合比見表1，砂率對C30機(jī)制砂混凝土性能的影響見圖1。

表1 固定水灰比條件下砂率對C30機(jī)制砂混凝土的影響

圖1 砂率對C30機(jī)制砂混凝土性能的影響

由表1和圖1可知：a）固定水灰比情況下，砂率對混凝土拌合物性能具有顯著影響，砂率越大黏聚性越好，當(dāng)砂率為40%時(shí)混凝土的坍落度最大，泵送性最好。b）混凝土強(qiáng)度受砂率的影響不明顯，但當(dāng)砂率為40%時(shí)其抗壓強(qiáng)度最高，28 d抗壓強(qiáng)度均高出設(shè)計(jì)要求。分析原因可知，當(dāng)砂率較低時(shí)，使得砂漿量不足以充分包裹骨料及填充骨料間的空隙，導(dǎo)致混凝土的密實(shí)性不足及黏聚性較差，最終造成混凝土強(qiáng)度相對減小，和易性變差。當(dāng)砂率增大時(shí)，集料含量與水泥用量會(huì)相應(yīng)減小，混凝土的內(nèi)摩擦力增大致使流動(dòng)性降低，坍落度相應(yīng)減小，粗集料的骨架支撐作用與粗集料之間的黏結(jié)強(qiáng)度降低，抗壓強(qiáng)度也隨之降低。

1.1.2 固定坍落度機(jī)制砂混凝土砂率試驗(yàn)

保持拌合物坍落度在150±5 mm，配制C30機(jī)制砂混凝土，研究坍落度一定條件下砂率對機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度及和易性的影響，混凝土配合比見表2，砂率對C30混凝土性能的影響見圖2。

表2 固定坍落度下砂率對C30機(jī)制砂混凝土的影響

圖2 固定坍落度下砂率對C30機(jī)制砂混凝土性能的影響

由圖2可知，C30機(jī)制砂混凝土在設(shè)計(jì)坍落度（150±5 mm）的條件下，砂率在36%～44%之間，不同水灰比的混凝土均符合工作性要求，其中當(dāng)砂率在40%時(shí)，用水量最低，7 d及28 d抗壓強(qiáng)度最高。

1.2 水灰比的確定

固定砂率與水泥用量，調(diào)整水泥比，以研究水灰比對C30機(jī)制砂混凝土性能的影響，選擇的配合比見表3，關(guān)系曲線見圖3。

由圖3可以看出：單位水泥用量一定時(shí)，隨水灰比增大，坍落度逐漸增大，拌合物和易性得到明顯改善，但抗壓強(qiáng)度呈減小趨勢，強(qiáng)度與水灰比相關(guān)性較好。分析原因可能是因?yàn)樗冶戎饾u增大，使得用水量增加，混凝土內(nèi)部的漿體數(shù)量也相應(yīng)地增加，當(dāng)用水量過大時(shí)，會(huì)降低漿體的黏度，混凝土對應(yīng)齡期的強(qiáng)度降低。依據(jù)本文試驗(yàn)分析，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與設(shè)計(jì)文件要求，可選取0.46或0.48作為C30機(jī)制砂泵送混凝土的水灰比。

表3 水灰比對C30機(jī)制砂混凝土性能的影響

圖3 水灰比對C30機(jī)制砂混凝土性能的影響

2 C40機(jī)制砂混凝土的配制

選用靖那高速二標(biāo)段項(xiàng)目部試驗(yàn)室所用的原材料，經(jīng)過對全線結(jié)構(gòu)混凝土等級(jí)統(tǒng)計(jì)分析可知，預(yù)制空心板封端、蓋板、橋梁空心薄壁墩等結(jié)構(gòu)體主要采用中高標(biāo)號(hào)混凝土；本研究以C40機(jī)制砂泵送混凝土為研究對象，設(shè)計(jì)坍落度為140～180 mm，然后確定了配合比的最佳水灰比與砂率。

2.1 砂率的確定

2.1.1 固定水灰比機(jī)制砂混凝土砂率試驗(yàn)

固定減水劑摻量和水灰比，砂率控制在36%～44%，按照2%的砂率增量來研究其對機(jī)制砂混凝土拌合物和易性及強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)配合比見表4，砂率對C40機(jī)制砂混凝土性能的影響見圖4。

表4 固定水灰比條件下砂率對C40機(jī)制砂混凝土的影響

圖4 砂率對C40機(jī)制砂混凝土性能的影響

由表4和圖4可以看出：a）固定水灰比情況下，砂率對混凝土拌合物性能具有顯著影響，砂率越大黏聚性越好，當(dāng)砂率為42%時(shí)混凝土的坍落度最大，泵送性最好。b）混凝土強(qiáng)度受砂率的影響不明顯，但當(dāng)砂率為42%時(shí)其抗壓強(qiáng)度最高，28 d抗壓強(qiáng)度均高出設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 固定坍落度機(jī)制砂混凝土砂率試驗(yàn)

保持拌合物坍落度在150±5 mm，配制C40機(jī)制砂混凝土，研究坍落度一定條件下砂率對機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度及和易性的影響，混凝土配合比見表5，砂率對C40混凝土性能的影響見圖5。

由圖5可知，在設(shè)計(jì)坍落度為150±5 mm的條件下，砂率在36%～44%之間，不同水灰比的混凝土均符合工作性要求，其中當(dāng)砂率在42%時(shí)，用水量最低，7 d及28 d抗壓強(qiáng)度最高。

表5 固定坍落度條件下砂率對C40機(jī)制砂混凝土的影響

2.1.3 不同水灰比機(jī)制砂混凝土砂率試驗(yàn)

圖5 固定坍落度下砂率對C40機(jī)制砂混凝土性能的影響

采用0.33、0.36及0.39三種水灰比配制的C40機(jī)制砂混凝土，以研究水灰比對C40機(jī)制砂混凝土性能的影響。由試驗(yàn)結(jié)果可知，低水灰比與高水灰比的最優(yōu)砂率相比，減小約2%左右，整體最優(yōu)砂率都集中在40%～42%之間。分析砂率對坍落度的影響可知，如果水灰比過小，由于增加了水泥漿的稠度，使得混凝土拌合物的黏聚性很容易達(dá)到，但較大的稠度會(huì)降低混凝土拌合物的流動(dòng)性，此時(shí)，即使增加水泥砂漿的量，對拌合物的流動(dòng)性的影響也不大，強(qiáng)度也隨之減小；而當(dāng)水灰比過大時(shí)，水泥漿較稀，則不能保證在粗骨料之間有足夠的砂漿層，則會(huì)使得骨料之間存在包裹不良現(xiàn)象，從而影響了拌合物的流動(dòng)度及后期強(qiáng)度。

2.2 水灰比的優(yōu)選

固定水泥用量和砂率，調(diào)整水灰比，以研究不同水灰比對C40機(jī)制砂混凝土性能的影響，配合比見表6，關(guān)系曲線見圖6。

表6 水灰比對C40機(jī)制砂混凝土性能的影響

圖6 水灰比對C40機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度的影響

由圖6可以看出：單位水泥用量相同，混凝土的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的逐漸增大而呈遞減趨勢，并從現(xiàn)場拌合后的混凝土工作性來看，隨著水灰比的增加，體系自由水增加，使得整個(gè)混凝土體系的漿體數(shù)量增加，體系內(nèi)摩擦力減小，潤滑效應(yīng)更加明顯，和易性較好。依據(jù)本文試驗(yàn)分析，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與設(shè)計(jì)文件要求，當(dāng)采用右江P·O42.5水泥配制C40機(jī)制砂泵送混凝土?xí)r可選取0.36作為其最優(yōu)水灰比。

3 結(jié)論

本文通過研究不同砂率、不同水灰比對C30和C40機(jī)制砂混凝土和易性及抗壓強(qiáng)度的影響，并對不同情況下機(jī)制砂混凝土各項(xiàng)性能進(jìn)行比選，最后提出最優(yōu)砂率和水灰比。

a）固定減水劑摻量和水灰比時(shí)，C30機(jī)制砂混凝土中最優(yōu)砂率為40%，C40混凝土為42%；控制坍落度并固定減水劑摻量時(shí)，C30、C40機(jī)制砂混凝土得出的最優(yōu)砂率基本上與固定水灰比吻合。

b）C30混凝土普通設(shè)計(jì)的坍落度所得出的最優(yōu)砂率仍然適用于大坍落度狀態(tài)下的機(jī)制砂混凝土；固定減水劑摻量時(shí)，低水灰比下比高水灰比下的C40機(jī)制砂混凝土最優(yōu)砂率相對減小2%左右，整體最優(yōu)砂率都集中在40%～42%之間。

c）固定水泥用量和最優(yōu)砂率時(shí)，隨水灰比的增大，坍落度呈現(xiàn)增長趨勢，和易性得到改善，但強(qiáng)度呈降低趨勢。結(jié)合本文試驗(yàn)分析與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)采用右江P·O42.5水泥時(shí)可選取0.46或0.48作為C30機(jī)制砂泵送混凝土的水灰比，C40機(jī)制砂泵送混凝土可選取0.36作為其最優(yōu)水灰比。