材料配合比對機制砂混凝土強度影響的試驗研究

李軍偉，郎貴軍，胡鑫，袁斌，陳建平

（中鐵二十四局集團南昌鐵路工程有限公司，南昌 330002）

1 引言

隨著基礎設施建設規模不斷擴大以及西部大開發戰略的推進，工程建筑用砂需求量逐年增加。近年來，限于環境保護等多方壓力，天然河砂已供不應求，采用機制砂替代天然河砂已經成為混凝土材料變革的重要方向。

由于機制砂混凝土使用時間相對較短，所以對于機制砂混凝土性能及其控制因素的了解還遠遠不夠，對于高強度機制砂混凝土質量的把控尚缺少經驗。為促進機制砂混凝土的推廣應用，已對機制砂混凝土配合比及機制砂混凝土性能展開了一定的研究，機制砂混凝土已經在諸如道路、橋梁等工程項目中得到應用[1-4]。迄今為止的研究認為，機制砂表面粗糙、多棱角、級配較差，機制砂的摻入往往導致混凝土工作性能變差、強度降低。機制砂級配、石粉含量以及材料配合比等因素對機制砂混凝土性能的影響是當前機制砂混凝土研究的重要課題[5-8]。混凝土強度是混凝土的重要性能之一，掌握水泥、機制砂石料及其他摻和料的性狀以及材料配合比等可調控因素對機制砂混凝土強度的影響規律，對于機制砂混凝土的工程應用具有重要的實用價值。

依托云南昭通市鎮雄至赫章高速公路二標段翟底河大橋高橋墩工程，考慮工程實際情況，采用當地巖石材料機制砂石料，本文設計了15 組不同的機制砂混凝土配合比，展開了機制砂混凝土試塊強度與水灰比、砂率和粉煤灰摻量等材料配合比參數的相關性試驗，得到了這些配合比參數對機制砂混凝土強度的影響規律。

2 原材料和配合比設計

2.1 原材料選取

機制砂混凝土配制原材料主要有水泥、機制砂、粗骨料、粉煤灰和減水劑。

2.1.1 水泥

試驗采用市場現有、工程中常用的52.5 級普通硅酸鹽水泥，所選品牌水泥的性能參數見表1。

表1 試驗采用水泥的物理力學性能參數

2.1.2 機制砂

機制砂顆粒棱角較多，常為多面三角形或立方體狀，其質地的好壞直接影響混凝土的施工和易性和泵送性能。本文研究采用工程實際使用的當地巖石材料機制砂，滿足國家標準GB/T 14684—2011《建設用砂》[9]和行業標準JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術規范》[10]的要求。所采用的機制砂各項性能指標見表2。

表2 試驗采用的機制砂性能指標

2.1.3 粗骨料

粗骨料強度、顆粒形狀、表面特征、級配、雜質含量、吸水率等對高性能混凝土性能影響較大，因此，配置高性能混凝土對粗骨料選取十分重要。

本文研究采用項目砂石料廠自制的5～20 mm 連續級配碎石作為試驗混凝土的粗骨料，具有顆粒級配合理、針片狀少、孔隙率小等特征，根據JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》檢驗[11]，所采用的碎石符合JTG/T 3605—2020《公路橋涵施工技術規范》中Ⅱ類技術要求。試驗采用的粗骨料性能指標見表3。

表3 試驗采用的粗骨料性能指標

2.1.4 粉煤灰

適量的粉煤灰可改良混凝土顆粒級配、減小孔隙率，有利于降低水膠比，并且可使混凝土早期強度減小，后期強度明顯提高。所選用粉煤灰符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土的粉煤灰》的要求[12]，具體性能指標見表4。

表4 試驗采用的粉煤灰性能指標

2.1.5 減水劑

采用LZ-R1 聚羧酸高性能緩凝型減水劑，符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》的要求[13]。所選用減水劑的性能指標見表5。

表5 試驗采用的減水劑性能指標

2.2 配合比設計

如表6 所示，試驗共設計了15 組混凝土材料配合比，每組制作12 個試塊，每組配合比按照4 個養護齡期（3 d、7 d、14 d、28 d，本文僅對3 d、28 d 強度試驗結果進行分析），每個齡期取3 個試塊進行試驗。其中，水灰比指的是混凝土拌和的用水量（質量，kg）與凝膠材料摻量（水泥+粉煤灰摻入質量，kg）的比值；砂率指的是混凝土中細骨料（砂）質量（kg）與骨料（細骨料和粗骨料質量之和，kg）的比值。

表6 試驗混凝土配合比設計方案

3 試驗結果分析

3.1 混凝土強度與水灰比的關系

在機制砂混凝土配合比試驗中，一共進行了5 組有關混凝土拌和物水灰比與強度（3 d 強度和28 d 強度）的關系試驗，測試得到的混凝土3 d 強度、28 d 強度與水灰比關系曲線分別如圖1a 和圖1b 所示（圖中散點為試樣實測值）。

如圖1a、圖1b 所示，隨著水灰比的增大，混凝土3 d 和28 d 強度呈先增大后減小的趨勢。當水灰比為0.34 時，混凝土3 d 抗壓強度可達到最大值60.7 MPa；而水灰比為0.32 時，混凝土28 d 抗壓強度可達到最大值64.6 MPa。

圖1 混凝土強度隨水灰比變化曲線

3.2 混凝土強度與砂率的關系

在機制砂混凝土配合比試驗中，一共進行了5 組有關混凝土拌和物砂率與強度（3 d 強度和28 d 強度）的關系試驗，測試得到的混凝土3 d 強度、28 d 強度與砂率關系曲線分別如圖2a 和圖2b 所示（圖中散點為試樣實測值）。

圖2 混凝土強度隨砂率變化曲線

如圖2a 和圖2b 所示，當砂率達到0.38 時，機制砂混凝土3 d 強度達到最大值59.2 MPa；而砂率在0.38～0.42 區間內時，機制砂混凝土28 d 強度受砂率變化影響不大，最大值60.3MPa，與最小值59.2 MPa 只差1.1 MPa，當砂率大于0.42 時，28 d 強度有明顯下降的趨勢。

3.3 混凝土強度與粉煤灰摻量的關系

在機制砂混凝土配合比試驗中，一共進行了5 組有關混凝土拌和物粉煤灰摻量與強度（3 d 強度和28 d 強度）的關系試驗，測試得到的混凝土3 d 強度、28 d 強度與粉煤灰含量關系曲線分別如圖3a 和圖3b 所示（圖中散點為試樣實測值）。

如圖3a 和圖3b 所示，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的早期強度呈現出逐步減小的趨勢，粉煤灰用量為40 kg/m3時，混凝土3 d 強度達到最大值61.5 MPa；混凝土28 d 抗壓強度隨著粉煤灰用量的增加呈現出逐步增大的趨勢，但與早期3 d抗壓強度相比整體上相對較弱，粉煤灰用量在80～100 kg/m3時，混凝土28 d 抗壓強度最大值達到53 MPa 左右。

圖3 混凝土強度隨粉煤灰摻量變化曲線

4 結論

1）在一定范圍內，隨水灰比、砂率、粉煤灰摻量的增加，混凝土的強度先增加后減小。相同配合比的混凝土強度隨齡期增加而增加，最后趨于穩定。

2）目前，所有試驗配合比方案中，水灰比0.32，粉煤灰用量60 kg/m3，砂率0.40 的配合比方案對應的混凝土各項性能最佳。