材料配合比對機制砂混凝土流動性影響的試驗研究

郎貴軍，李軍偉，武劍鋒，袁斌

（中鐵二十四局集團南昌鐵路工程有限公司，江西 南昌 330002）

0 引言

橋梁工程施工對泵送混凝土可泵性的要求隨橋墩高度的增加而增加。良好的流動性是確保混凝土可泵性的關鍵。混凝土的流動性與混凝土配料（特別是砂石料）的特性密切相關。混凝土使用河沙配料由來已久，有把握保證混凝土的流動性。然而，由于天然砂石料資源量日趨匱乏，采用機制砂石料替代天然砂石料配制混凝土已經成為必然。相對于天然砂混凝土，機制砂混凝土使用時間較短，對于機制砂混凝土性能的把握與工程的要求還有很大差距。

不同學者對機制砂輪廓形狀、比表面積、表面粗糙度以及石粉含量對機制砂混凝土流動性及強度的影響進行了一定程度的研究[1～7]。研究表明：機制砂質地堅硬、棱角突出、表面粗糙，有利于提高混凝土的強度，但同時也會增加混凝土的黏度；為達到與天然砂同樣的流動性，機制砂混凝土配比需要加大水泥的含量和摻水量，以便形成更多的水泥漿包裹；另外，也要掌握好機制砂中石粉的含量（7%～9%），并適當調節摻水量，從而獲得滿足泵送混凝土流動性要求的混凝土黏性。機制砂基本上是采用當地工程材料，機制砂原巖的性能多種多樣，因此對機制砂混凝土的性能，特別是對機制砂混凝土流動性影響因素及其影響規律的研究還不夠全面，還不能很好地滿足混凝土施工對混凝土可泵性的調控。

本文以鎮赫高速翟底河大橋橋墩施工工程為依托，針對工程采用的當地材料機制砂，研究不同配合比的高性能機制砂混凝土各項性能指標的變化，探討砂率、水灰比、粉煤灰摻量對混凝土流動性標識參數（混凝土坍落度、擴展度）的影響，為制定滿足本項目高橋墩混凝土澆筑要求的當地材料機制砂混凝土最佳配合比方案、完善混凝土可泵性評價指標體系、形成泵送混凝土可泵性成套保障技術提供科學依據。

1 試驗方法

（1）依托翟底河大橋高橋墩工程，實地考查收集相關資料，了解當地材料機制砂的行情、項目部實驗室條件和現場具備的試驗測試方法，為混凝土試驗方案制定提依據。收集相關文獻、資料，初步確定試驗研究原材料配比用量的區間。

（2）設計制作不同材料、不同配合比試驗組的混凝土，以機制砂混凝土性能優化為目標開展高強度機制砂混凝土配合比實驗，測量獲得每組混凝土的坍落度、擴展度指標。

（3）將混凝土組分摻量（配合比）視為影響因素，把混凝土流動性（以坍落度、擴展度參數為代表）作為優化目標，對機制砂混凝土配合比和流動性試驗數據進行匯總分析，確定滿足工程強度要求的機制砂混凝土的優化配合比。

2 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包括水泥、機制砂、粗骨料、粉煤灰和高效減水劑。

2.1.1 水泥

試驗采用工程中常用的52.5級普通硅酸鹽水泥，所選品牌水泥的物理力學參數見表1。

表1 試驗采用水泥的物理力學參數

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。本文研究采用依托工程實際使用的當地材料機制砂，滿足國家標準GB/T 14684—2011《建設用砂》[8]和行業標準JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術規范》[9]要求。所采用的機制砂性能指標見表2，表中所謂的“表觀密度”指的是按包含空隙在內的單位外形體積物料的質量。

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，粗骨料選取對配置高性能混凝土十分重要。

本文研究采用依托項目砂石料廠自制的5～20mm連續級配碎石作為試驗混凝土的粗骨料，所選用的粗骨料顆粒級配合理、針片狀少、孔隙率小，根據JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》[10]檢驗，所采用的碎石符合JTG/T 3605—2020《公路橋涵施工技術規范》[9]中II類技術要求。試驗采用的粗骨料的性能指標列在表3中。

表3 試驗采用的粗骨料性能指標

2.1.4 粉煤灰

適量的粉煤灰會改良混凝土顆粒級配、減小空隙率，有利于降低水膠比，并且會使混凝土早期強度減小，后期強度明顯提高。試驗選用的粉煤灰符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土的粉煤灰》[11]要求。選用的粉煤灰性能指標見表4。

表4 試驗采用的粉煤灰性能指標

2.1.5 減水劑

所選用的LZ-R1聚羧酸高性能緩凝型減水劑符合GB8076—2008《混凝土外加劑》[12]要求，所選減水劑的具體性能指標見表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組混凝土配合比，每組制作12個試塊。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 混凝土配合比正交試驗方案

3 試驗結果分析

（1）坍落度、擴展度與水灰比的關系

試驗中進行了五組混凝土坍落度、擴展度與水灰比關系試驗，這五組試驗的混凝土配合比以及通過試驗得到的混凝土坍落度和擴展度平均值列于表7中。圖1和圖2所示分別為這五組試驗得到的坍落度以及擴展度隨水灰比變化的關系曲線（圖中散點為不同試樣的實測值）。

表7 混凝土水灰比組配合比及坍落度、擴展度測定結果

如圖1（a）所示，當其他條件（粉煤灰含量、砂率、減水劑）一定時，隨水灰比的增加，混凝土的初始坍落度先增大后減小，在水灰比為0.32時初始坍落度最大（202.5mm）；如圖1（b）所示，拌和1h后的混凝土坍落度隨水灰比變化的趨勢也是隨著水灰比的增加先增大后減小，在水灰比0.34時的坍落度達到最大值210mm。

圖1 混凝土坍落度隨水灰比的變化

如圖2（a）所示，當其他條件（粉煤灰含量、砂率、減水劑）一定時，混凝土的初始擴展度與水灰比的相關性不是太好，總的趨勢是初始擴展度隨水灰比的增加，先增大后減小，按統計關系，在水灰比為0.34時擴展度達到最大（587.5mm）。如圖2（b）所示，拌和1h后的混凝土拌和物擴展度與水灰比的相關性較初始擴展度好，按統計關系，1h后擴展度隨水灰比的增加也表現出先增大后減小的特點，在水灰比0.34時的擴展度達到最大值588.8mm。

圖2 混凝土擴展度隨水灰比的變化

（2）塌落度、擴展度與砂率的關系

本文共進行了五組混凝土拌和物坍落度、擴展度與砂率的關系試驗，各組配合比方案以及試驗得到的坍落度和擴展度的平均值數據列于表8中，混凝土坍落度和擴展度隨砂率的變化情況分別示于圖3和圖4中（圖中散點為不同試樣的實測值）。

表8 砂率組混凝土配合比及坍落度、擴展度測定結果

圖3 混凝土坍落度隨砂率的變化

圖4 混凝土擴展度隨砂率的變化

如圖3（a）所示，當其他條件一定時，混凝土拌和物砂率與坍落度的關系較為明顯，初始坍落度隨著砂率的增加，先增大后減小，在砂率為0.38時，初始坍落度達到最大值200mm。如圖3（b）所示，與初始擴展度相同，拌和1h后的混凝土拌和物坍落度也是在砂率為0.38時達到最大值210mm。

如圖4（a）所示，當其他條件一定時，隨著砂率的增加，初始擴展度呈現出先增大后減小的趨勢，在砂率為0.4時，初始擴展度達到最大值597.5mm。由圖4（b）可見，拌和1h后的混凝土拌和物擴展度隨著砂率的增加也是先增大后減小，砂率在0.4時1h后擴展度達到最大值580mm。

（3）坍落度、擴展度與粉煤灰摻量的關系

本文共進行了五組混凝土拌和物粉煤灰摻量與坍落度、擴展度的關系試驗，試驗混凝土配合比及試驗測定的混凝土坍落度和擴展度的平均值數據如表9所示，試驗關系曲線如圖5、圖6所示（圖中散點為不同試樣的實測值）。

圖5 混凝土坍落度隨粉煤灰摻量的變化

圖6 混凝土擴展度隨粉煤灰摻量的變化

表9 粉煤灰組混凝土配合比及坍落度、擴展度試驗測定結果

如圖5（a）所示，當其他條件一定時，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土拌和物初始坍落度先增大后減小，在粉煤灰摻量為60kg·m-3時，混凝土拌和物初始坍落度達到最大值197.5mm。由圖5（b）可見，拌和1h后的混凝土拌和物坍落度隨著粉煤灰摻量的增加，先增大后減小，在粉煤灰摻量為80kg·m-3時，混凝土拌和物1h后坍落度可以達到210mm。

如圖6所示，當其他條件一定時，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土拌和物初始擴展度和拌和1h后的擴展度都隨粉煤灰摻量的增加而先增大后減小，在粉煤灰摻量為60kg·m-3時，初始擴展度達到最大值573.8mm；在粉煤灰摻量為80kg·m-3時，拌和1h后擴展度達到最大值545.0mm。

4 結語

（1）在試驗設定的水灰比變化范圍內，混凝土配合比中其它材料的摻入量固定時，隨著水灰比的增加，混凝土初始和1h后坍落度、擴展度呈先增加后減小的趨勢。

（2）在試驗設定的粉煤灰摻量變化范圍內，混凝土配合比中其它材料的摻入量固定時，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土坍落度、擴展度均先增大后減小。

（3）在試驗設定的砂率變化范圍內，混凝土配合比中其它材料摻入量固定時，隨著砂率的逐漸增大，混凝土初始和1h后坍落度、擴展度先增大，后逐漸降低。