機制砂級配對C80混凝土性能影響研究

王 恒

(1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.煤炭科學研究總院建井分院，北京 100013)

人工凍結法是利用人工制冷技術，隔絕地下水與地下工程的聯系，以便在凍結壁的保護下進行井筒掘砌施工的特殊工法。自凍結法誕生并引入國內以來，已大量應用于煤礦和市政地下工程凍結施工，取得了良好的工程效益[1，2]。傳統的凍結井筒采取雙層鋼筋混凝土井壁結構，但隨著國內煤礦深度和凍結深度的增加，內、外層井壁厚度設計逐漸加大以保證井壁結構的物理力學性能。因此減薄井壁設計厚度為增加井壁結構的技術經濟性的主要手段之一，其關鍵在于高性能混凝土的研究及應用。

目前凍結井筒井壁存在配筋率低、井壁厚度大、建井成本高的缺點[3，4]。針對特厚表土層凍結井筒內壁的特殊養護環境和施工條件，要求內層井壁具有高耐久性、抗裂和防水性能[5]。同時由于深井凍結法施工混凝土內壁屬于大體積混凝土施工，要求混凝土水化熱低，以防止井壁出現溫度裂縫等。因此增大混凝土的物理力學性能是減薄凍結井壁的有效手段，也是目前材料研究方向之一[6-9]。

趙固一礦對C80～C100標號混凝土進行了試性研究，趙固二礦西風井正式應用C80～C100標號混凝土進行井壁澆筑[10]。除添加劑外，高性能混凝土的應用主要受限于原材料，尤其是骨料的選取，目前粗骨料主要為石灰石、白云石和玄武石，由于河沙來源有限細骨料更傾向于機制砂[11-14]。機制砂因人工制備的特點，其巖性、級配、石粉含量等都會對混凝土或者砂漿的性能產生特定影響，不了解和明確機制砂巖性及其合理級配，容易造成新拌混凝土工作性不良、硬化混凝土強度低和由于耐久性差引起的使用年限短等一系列問題，嚴重制約著機制砂的推廣和應用[15-20]。

本文以石灰石機制砂為研究對象進行顆粒級配，現場粗、細骨料均經過水洗晾干后進行配比試驗，石粉含量5%，研究機制砂級配對高強度混凝土性能的影響。

1 機制砂級配試驗

1.1 C80混凝土試驗配比

根據趙固二礦凍結井壁設計要求，現場試驗和實驗室試驗確定的C80混凝土配比見表1。

以表1為基礎，本文以二區砂的顆粒級配為基準，設置了5個系列以研究級配變化對機制砂物理參數及對C80 混凝土性能的影響。

1.2 機制砂不同組分影響分析

根據機制砂顆粒級配組成的設置情況，本文作如下定義：粒徑大于等于1.18mm 的組成部分為I組分，粒徑小于1.18mm 的組成部分為II組分。各種機制砂基本參數見表2，顆粒級配如圖1所示。

由G1到G5，機制砂的細度模數逐漸增大，其中，G1為細砂，G2、G3、G4為中砂，G5為粗砂。G3屬于連續級配；G2、G4曲線分別具有“倒S型”“S型”級配特征，前者有利于形成骨架結構，后者更容易形成懸浮結構；G1、G5均視為不良級配。

表2 機制砂級配基本參數

圖1 不同系列級配機制砂顆粒級配曲線

表2機制砂細度模數、表觀密度與空隙率三者之間的關系表明：由G1到G5，細度模數逐漸增大，但表觀密度、堆積空隙率、緊密空隙率均表現出“先降—后增—再降”的變化趨勢，說明細度模數與這三個指標之間并沒有直接相關關系，細度模數無法反映顆粒級配的真實情況，僅是表征砂的粗細程度的宏觀指標，不能作為判斷砂品質好壞的衡量指標。

另外，由于G1—G5級配組成具有不同的特征，致使各系列砂的表觀密度、自然堆積空隙率、緊密堆積空隙率不相同。其中，由G1到G2，I組分含量增多，II組分含量略有減少，其表觀密度、堆積空隙率均減?。挥蒅2到G4，I組分含量減少，II組分含量也減少，其表觀密度、堆積空隙率均增大；由G4到G5，I組分含量增多，II組分含量減少，其表觀密度、堆積空隙率均減小。同時，對于G1和G4，砂的顆粒主要由II組分構成，I組分嚴重缺失，組成較單一，其表觀密度、堆積空隙率均較大。

以上分析表明，顆粒級配是表觀密度、堆積空隙率大小的決定因素，I組分主要影響砂的堆積空隙率，II組分主要影響砂的表觀密度。要獲得較小的堆積空隙率，必須增大I組分的含量，適當增加II組分含量，使I組分顆粒之間的間隙被II組分填充；要獲得較大的表觀密度，必須增大II組分的含量，減少I組分的含量，使顆粒級配偏細；要同時獲得較大的表觀密度、較小的堆積空隙率，則必須同時增大I、II組分的含量，即砂的顆粒級配具有骨架密實特征，如G2。因此，在機制砂生產過程中，必須根據使用要求及原材料的破碎情況，及時調整篩孔尺寸，才能獲得品質優良的機制砂。

1.3 機制砂級配對混凝土工作性能影響

根據表1和表2的配合比設計參數及組分，分別配制了5種不同級配系列的 C80 高強度等級混凝土，其工作性能測試結果見表3。

表3 C80混凝土性能測試結果

由表3可知：

1)G1、G5機制砂屬于不良級配，配制的混凝土工作性能較差。其中，G1的級配中I組分含量過少、II 組分含量過多，所配制的混凝土較黏，和易性差，但保水性好；而G5的級配中I組分含量過多、II組分含量過少，1.18mm 篩檔含量均大于45%，所配制的混凝土表現出離析、泌水、骨料堆積、和易性差等特點。

2)G2、G3、G4中I、II組分的含量比例保持在1∶2左右，所配制的混凝土工作性能優于G1、G5。另外，在G2、G3、G4中，其I組分的顆粒組成比例有所不同，特別是G4缺少粒徑2.36 mm 以上的顆粒，其所對應混凝土的坍落度、擴展度均小于G2和G3。因此，I、II組分含量多少及I組分顆粒間的組成比例，即機制砂顆粒級配及其顆粒間連續程度，是決定混凝土工作性能優劣的關鍵因素。

1.4 機制砂級配對C80混凝土力學及流變性能的影響

根據表1配比制作C80混凝土及新拌砂漿(按表1配比去除石子)。得到相應配比下C80混凝土的強度曲線如圖2所示。

圖2 混凝土強度變化曲線

由于機制砂顆粒級配不同，所配制的混凝土強度具有明顯差異。由圖2可以看出，隨著機制砂細度模數的減小，混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度均先增加后減小。G3組機制砂，也就是機制砂顆粒級配處于二區中值時，其顆粒組成偏于骨架結構，對應的混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度最好，28d強度分別達到93.8MPa和4.74MPa。G1組和G2組機制砂由于顆粒級配組分中細顆粒(0.3mm、0.15mm篩余組分)嚴重缺失，導致其所配制的混凝土強度下降，其28d抗拉強度比G3低10.1MPa、7.5MPa；劈裂抗拉強度比G3低0.3MPa、0.16MPa。G4組和G5組機制砂由于顆粒級配組分中粗顆粒(2.36mm、4.75mm篩余組分)嚴重缺失，導致其所配制的混凝土強度明顯偏低，其28d抗壓強度比G3降低5.8MPa、8.3MPa；劈裂抗拉強度比G3降低0.1MPa、0.26MPa。

因此，機制砂顆粒級配是影響混凝土強度的一個不容忽視的因素，且機制砂I組分的含量大小及顆粒間組成比例是影響混凝土強度的主要因素。

采用德國Viskomat XL混凝土-砂漿流變儀對不同級配條件下的砂漿展開試驗，制砂級配對水泥砂漿流變參數的影響測試結果如圖3、圖4所示。

圖3 不同機制砂級配砂漿體系流變曲線

圖4 不同機制砂級配砂漿體系觸變性

從圖3可知，不同機制砂級配的砂漿體系的扭矩均與剪切速率正相關，但曲線的斜率均越來越小，砂漿顯示假塑性流體模型特征，即“剪切變稀”的特性；剪切速率相同時，不同級配砂漿扭矩值G4>G1>G5>G2>G3。由實驗結果可看出，機制砂最佳級配為G2和G3組。這也說明G3組的砂漿達到一定流動性所需要的外界能量最小，G4組砂漿達到一定流動性所需要的外界能量最大，即機制砂顆粒級配處于二區中值時降低砂漿粘度的程度最大。

由圖4可見，在相同的剪切速率下，G4組的砂漿體系的剪切應力最大，并且其觸變環的面積最大，說明機制砂砂漿體系受到外力破壞時所需的扭矩較大，即體系由粘稠態變為流動態的難度較大；G2和G3組的砂漿由粘稠狀變為流動態較容易，觸變環面積較小，表明G2和G3組機制砂級配較優，對流動性能提供有效作用，降低了砂漿的粘度。

2 C80混凝土現場應用

根據上述機制砂混凝土的配制和性能測試數據，綜合考慮混凝土性能及成本影響，確定了趙固二礦C80機制砂混凝土配合比的基本參數，見表4。其中機制砂原料采用石灰石，級配G3，石粉摻加量5%。標養條件下的混凝土抗壓強度值見表5，現場鉆芯法取樣對C80混凝土井壁抗壓強度檢測換算結果見表6。

表4 C80機制砂高性能混凝土配比 kg/m3

表5 混凝土標養抗壓強度 MPa

表6 趙固二礦西風井井壁混凝土抗壓強度值(28d)

從表5分析，C80混凝土成型后，在標養條件下，混凝土的早期強度較高，后期強度發展良好，早期強度的發展不影響后期強度增長?；炷猎?0d后強度增長趨于平穩，各混凝土強度還是逐步緩慢增長，混凝土后期的強度發展則主要來自于粉煤灰等礦物摻合料的二次水化作用。

從表6可以看出，三個層位C80混凝土強度均超過設計要求，總體超過《煤礦井巷工程質量驗收規范》(GB 50213—2010)對井巷工程混凝土強度的要求(最低要求為設計強度的1.15倍)。

3 結 論

1)不同級配的機制砂細度模數與表觀密度、堆積空隙率、緊密空隙率三個指標無直接相關關系，細度模數無法反映顆粒級配的真實情況，僅是表征砂的粗細程度的宏觀指標，不能作為判斷砂品質好壞的衡量指標。

2)機制砂各篩孔量占比分別為4.89%、12.24%、29.37%、54.33%、79.3%和93%時，C80混凝土的工作性能良好，流變扭矩值最小，且28d養護抗壓強度達93.8MPa，劈裂抗拉強度達4.74MPa。

3)石灰石機制砂采用細度模數2.62的級配、且石粉摻量5%條件下，對凍結井筒實際澆筑的C80混凝土井壁進行取芯，按取芯法進行強度檢測，其換算值超過設計值的1.15倍，滿足施工需求。