高速公路施工中高性能機制砂混凝土的應用研究

張君瑞

（浙江交投礦業有限公司，浙江舟山 316056）

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

碎石：Ⅱ類碎石，含泥量0.6%、針片狀6.2%、壓碎值11.2%；水泥：P.052.5R水泥；機制砂：粒徑0～4.75 mm，石粉含量為3.5%；河砂：Ⅱ區中砂，細度模數為2.7，孔隙率為37.7%；礦物摻合料：硅灰；外加劑：FDN-SPR蔡系緩凝高效減水劑，用于改善混凝土的性能。

1.2 試驗方法

根據《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002），組織配合比試驗，確定水泥、機制砂等各類原材料的合適用量，通過材料的組合應用，制得高性能的機制砂混凝土。試驗期間，采用L形流動儀檢測，根據實測結果評價混凝土的性能。

2 高性能機制砂混凝土配合比設計

2.1 配合比計算

（1）參數假定。

水泥∶摻和料=3∶1（體積比），硅灰∶礦粉=2∶3（體積比），單位用水量為170 kg，機制砂率為0.39，混凝土含氣量為1.0%。

（2）配合比計算。

水泥432 kg/m3、礦粉70 kg/m3、硅灰40 kg/m3。

水泥∶砂∶碎石∶礦粉∶硅灰∶水=432∶682∶1 080∶70∶40∶1 700，由專員用L形流動儀檢測，確定混凝土的具體性能特點。

2.2 試配及精細化調整

減水劑的用量會對混凝土的性能產生影響，用量偏少，不利于混凝土施工；用量偏多，將加大離析、泌水等異常狀況的發生概率。試驗過程中，前三次逐步增加減水劑的用量，可見混凝土的坍落度和流動速度均增加；第四次出現泌水現象，但此時坍落度和擴展度均有增加的變化趨勢；第五次，砂率增加，原本較為突出的泌水問題得到有效緩解，擴展度、坍落度均無增加，流動速度降低，經過檢測后得知減水劑飽和點約為1.9%，繼續增加減水劑的摻量可能面臨離析問題。通過對五次試驗的對比分析可知，第三次試驗配比的混凝土性能最佳。將配比選取為砂∶碎石∶礦粉∶硅灰∶水∶減水劑=432∶682∶1 080∶70∶40∶170∶10.3，據此取用適量優質的原材料，組織配比試驗。

2.3 水膠比對混凝土強度的影響

水膠比的增加將使混凝土坍落度提高，且各階段的變化具有獨特性，水膠比從0.28增加至0.30時，坍落度的變化最為明顯。水膠比在0.28～0.30范圍內時，機制砂混凝土的強度較高，可維持在相對穩定的水平，全程無明顯下降。根據此規律，將水膠比選取為0.3，在此條件下進行研究[1]。

2.4 砂率的影響

機制砂表面有棱角，會加大粗糙度；機制砂中石粉含量較高時，將有混凝土開裂現象；砂率的增加會導致混凝土黏性的提升，流動性則有下降的變化。嚴格控制砂率是保證混凝土工程性能的關鍵前提之一。在本次試驗中，砂率范圍取35%～43%，隨砂率的增加，坍落度有下降的變化趨勢，砂率為37%時最為合適，此時混凝土的性能達到較佳的狀態。

砂率對混凝土性能的影響如圖1所示。

圖1 砂率對混凝土性能影響

砂率從35%增加至37%時，混凝土強度大幅度提升；超過37%后，發生轉折，強度雖有所增加但幅度較為緩慢，將37%視為關鍵的節點。砂率較低時，砂漿難以全方位覆蓋粗骨料間隙和表面，密實性和抗壓強度均下降；砂率偏大時，漿體在骨料中的占有量不足，不利于骨料間的穩定膠結，此條件下的拌和物和易性不足，混凝土的強度偏低。砂率以37%為宜，此時機制砂混凝土的強度較高，能夠為高速公路施工提供可靠的材料支持。

2.5 礦物摻和料的影響

礦物摻合料約20%，在摻和期間靈活調整，探尋在不同用量下機制砂混凝土的性能。

摻和料對坍落度、擴展度影響如圖2所示。

圖2 摻和料對坍落度/擴展度影響

單獨摻和礦粉，隨著該材料用量的增加，混合料擴展度和坍落度均有增加；從用水量的角度分析，礦粉的需求量較小。礦粉摻和量取110k g，會影響混凝土的工程性能，導致泌水；單獨摻和硅灰的配制方式，坍落度和擴展度均會在硅灰用量增加時減小；采取礦粉和硅灰粉同步摻入的綜合應用方式，能夠充分發揮出兩類材料的性能優勢，有利于提高機制砂混凝土的綜合性能。

摻和料對強度作用如圖3所示。

圖3 摻和料對強度作用

混凝土的強度均有增加的變化，不同階段的增幅有所差異。7d 的混凝土強度從58.6 MPa增加至62.4 MPa，28 d時從67.5 MPa增加至75.1 MPa。

單獨摻和礦粉或硅灰時，各混凝土的強度均有類似的變化趨勢（提高）。相較于礦粉，硅灰的反應活性更強烈，若僅采用單獨摻和礦粉的方式，其備所得的混凝土在強度方面略低于硅灰制備的混凝土。

3 機制砂混凝土性能研究

3.1 機制砂混凝土的強度

以石粉含量為變量進行調整，確定混凝土的實際強度特性，研究的參照對象選擇的是岳陽砂混凝土。

石粉摻入量為3.5%、7%時，從強度性能指標方向，均具有機制砂混凝土優于岳陽砂混凝土的特點。3.5%、7.0%摻量下的混凝土的強度具有階段性變化特征，前期以7.0%摻量下的強度更高，后期該混凝土的強度雖有所增長但幅度減緩；達到50 d時，關系發生轉變，3.5%石粉摻量下混凝土的強度更高，7%石粉摻量的強度則偏低。

3.2 機制砂混凝土的收縮率

不同齡期各類混凝土（含三類石粉摻量以及岳陽砂）的收縮率不同，通過展開分析可知，試驗的前14 d收縮量均具有機制砂混凝土更大的特點；此后發生轉折，14 d后機制砂混凝土的狀態發生改變，石粉含量為3.5%和10.4%時，制備的混凝土在收縮率方面與岳陽砂混凝土無明顯差異；但以7.0%的摻量條件較為特殊，此時岳陽砂混凝土收縮率較高。

3.3 機制砂混凝土的徐變性能

取兩種石粉摻量（3.5%、7.0%）下的機制砂混凝土和岳陽混凝土，對比分析各自在不同齡期的徐變效應。隨齡期延長，試驗所制備的混凝土的徐變均有增加的變化。3.5%、7.0%兩種石粉含量下的機制砂混凝土的徐變度較小（相較于岳陽砂混凝土），且此規律在各齡期均如此。隨齡期的延長，該徐變度差異將逐步顯現，與石粉摻和量的增加有關，此時混凝土的砂顆粒比例下降，彈性模量急劇降低；由于石粉的摻入，該部分材料會逐步填充至混凝土的微集料內，降低混凝土的變形性能，施工成型的結構更密實。

3.4 機制砂混凝土的抗碳化性能

抗碳化性能分析中，機制砂混凝土石粉含量考慮3.5%、7.0%；為準確判斷機制砂混凝土的抗碳化特性，將岳陽砂混凝土（不摻和礦物料）作為對照組，進行系統性分析與判斷。試驗結果顯示，C60混凝土的密實度較高，內部填充系數大，抗碳化能力突出，可保證混凝土結構的質量，以免其在短時間內出現明顯的碳化。

前7 d齡期內，各類石粉含量下機制砂混凝土狀態均較為良好，不存在明顯的碳化問題，岳陽砂混凝土在該時間段內已經有所碳化。隨齡期的延長，機制砂混凝土出現碳化的情況，但其發生程度低于岳陽砂混凝土。在機制砂生產階段，通過摻和料的應用，混凝土的密實性得到顯著提升，構成密實狀態更為良好的混凝土，阻礙了環境中介質成分的進入，由于外界因素的干擾較小，碳化反應得到有效控制，保證了混凝土的工程質量。

石粉的摻入是提高機制砂混凝土抗碳化性能的關鍵途徑，在實際生產中，應根據工程要求以及相關的材料特性合理摻入石粉。

4 結語

綜上所述，文章以C60混凝土為研究對象，對其配合比設計和力學性能等方面展開分析，由此加深對機制砂混凝土的認識，明確其工程性能，以便更為有效地將機制砂混凝土應用于高速公路工程中。

（1）考慮各配合比條件下機制砂混凝土的性能，可知水膠比0.3、砂率0.37、礦粉80 kg/m3和硅粉30 kg/m3時，制備的機制砂混凝土具有更突出的性能優勢，在力學特性、工作性能兩方面的表現均較為良好，可以作為高速公路工程施工中的優質材料。

（2）在機制砂高性能混凝土制備時，通過石粉摻和料的應用，有利于提高混凝土的密實性，封閉混凝土材料，以免外部物質進入混凝土中而使其發生碳化。石粉摻和料對于提高混凝土的密實性和抗碳化能力效果突出。