C50機(jī)制砂混凝土工作性試驗研究

摘要：為確定不同因素對C50機(jī)制砂混凝土工作性能的影響，對機(jī)制砂混凝土的工作性進(jìn)行試驗研究。試驗依托于湘渝復(fù)線（巴彭段）龍川江大橋項目，以石粉含量、水膠比、砂率、粉煤灰摻量、減水劑摻量、粗集料配比為控制因素，以坍落度、經(jīng)時損失、擴(kuò)展度與壓力泌水率為控制指標(biāo)。分析不同因素對C50機(jī)制砂混凝土工作性的影響，結(jié)果表明：當(dāng)石粉含量為8%時，混凝土的工作性較好，減水劑對機(jī)制砂混凝土的坍落度、擴(kuò)展度影響最顯著，砂率和粗集料配比對工作性影響最小，并提出了基于工作性最優(yōu)的C50機(jī)制砂混凝土配合比。

關(guān)鍵詞：機(jī)制砂混凝土;石粉含量;工作性;配合比

引言

砂作為混凝土的細(xì)骨料，主要作用是填充和密實粗集料形成的骨架結(jié)構(gòu)，是混凝土必不可少的組成材料。天然砂是一種地方性資源，分布不均且短時間內(nèi)不可再生，在巨大需求的推動下，天然砂資源日益匱乏，不少地區(qū)出現(xiàn)天然砂資源短缺、超量開采造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞等現(xiàn)象。因此，各國對機(jī)制砂展開了大量研究，機(jī)制砂是指經(jīng)除土處理，由機(jī)械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75mm巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣顆粒，但不包括軟質(zhì)、風(fēng)化的顆粒。Cortes、Westerholm等研究了機(jī)制砂粒形對砂漿的流變學(xué)性能的影響，結(jié)果表明粒形影響空隙率，當(dāng)水泥漿體完全填充空隙時，可以得到較好的流動性。通過研究不同種類機(jī)制砂對混凝土流動性的影響，Quiroga、Kim、劉桂鳳、謝開仲等發(fā)現(xiàn)不同顆粒級配的機(jī)制砂配制的混凝土坍落度、流變性能差異顯著。夏龍興、徐建、李波等人通過對機(jī)制砂特性與機(jī)制砂混凝土工作性、力學(xué)性能進(jìn)行研究，表明機(jī)制砂混凝土在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。機(jī)制砂作為混凝土細(xì)集料，既可以解決天然砂資源短缺的問題，又可降低建設(shè)成本、保護(hù)環(huán)境，機(jī)制砂部分或全部替代天然砂已成為當(dāng)前混凝土行業(yè)的普遍趨勢。

為保護(hù)環(huán)境、推廣使用機(jī)制砂、降低建設(shè)成本，湘渝復(fù)線高速公路（巴彭段）龍川江特大橋施工采用泵送C50機(jī)制砂混凝土，該橋位于南川區(qū)石溪鎮(zhèn)，橫跨龍川江、縣道776，為跨河整體式橋梁。5、6、7、8橋墩的高度均超過了100米，組成了超高墩群，最高橋墩高達(dá)179 m。與河砂不同，機(jī)制砂顆粒表面粗糙、尖銳多棱角、級配不良且石粉變異性較大，拌制的混凝土存在工作性差、和易性差、易于離析泌水等各種問題。對于超高墩泵送施工，機(jī)制砂的變異性與機(jī)制砂混凝土的工作性、泌水問題尤其凸顯，坍落度不夠、擴(kuò)展度不足、泌水率較大而導(dǎo)致堵管問題較為常見。

目前關(guān)于中高強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土工作性研究不夠充分、不夠系統(tǒng)，并且研究結(jié)果存在一定差異。因此，為解決由機(jī)制砂變異性大、機(jī)制砂混凝土工作性差導(dǎo)致的泵送性能差等問題，確定不同影響因子對機(jī)制砂混凝土的影響，以石粉含量、水膠比、砂率、粉煤灰摻量、減水劑摻量和粗集料級配為影響因子進(jìn)行機(jī)制砂混凝土拌合物試驗，以坍落度、經(jīng)時損失、擴(kuò)展度和壓力泌水率為控制指標(biāo)，分析不同控制因素對機(jī)制砂混凝土工作性的影響程度，給出基于工作性的C50機(jī)制砂混凝土配合比，為機(jī)制砂混凝土工作性能研究提供參考。

1原材料特性與試驗方法

1.1原材料特性

水泥

水泥采用重慶新嘉南建材公司生產(chǎn)的P·O52.5級水泥，其物理性能指標(biāo)見表1。

1.1.2粉煤灰

試驗采用活性礦物摻合料為華能重慶珞璜發(fā)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的 Ⅰ級粉煤灰，其物理性質(zhì)見表2。

1.1.3粗集料

粗集料選用粒徑為5mm～10mm及10～20mm兩檔料，為滿足粗集料配比試驗要求，通過振實密度等指標(biāo)確定四種配比：5：5，6：4，7：3，8：2。

1.1.4細(xì)集料

試驗采用的機(jī)制砂為重慶地區(qū)不同生產(chǎn)廠家，由于機(jī)制砂中石粉變異性較大，對料倉內(nèi)不同批次機(jī)制砂進(jìn)行取樣，共取樣13組，進(jìn)行篩分試驗、亞甲藍(lán)試驗、密度試驗等，試驗結(jié)果見表3。

由表3可知，機(jī)制砂試樣細(xì)度模數(shù)介于2.8至3.2之間，且多數(shù)樣品的細(xì)度模數(shù)為3.1，可知不同批次的機(jī)制砂的粗細(xì)程度整體較為穩(wěn)定。表觀密度大體分布在2.69～2.78g/cm。但是，不同批次機(jī)制砂試樣的石粉含量和亞甲藍(lán)值存在較大程度的變化，石粉含量變化范圍為1.59%～8.52%，亞甲藍(lán)值的變化范圍為0.5～3.8。

1.1.5外加劑

外加劑采用重慶科之杰聚羧酸系高性能減水劑。根據(jù)規(guī)范對減水劑進(jìn)行檢測，該減水劑的減水率為27%，含氣率為2.4%，泌水率比為20%，含固量為21.18%，氯離子、硫酸鈉、含堿量指標(biāo)等均滿足規(guī)范要求。

1.2試驗方案

試驗依托于湘渝復(fù)線（巴彭段）龍川江特大橋項目，分別就石粉含量、水膠比、砂率、粉煤灰摻量、減水劑摻量、粗集料配比對機(jī)制砂混凝土的工作性能的影響進(jìn)行試驗研究。試驗采用的基準(zhǔn)配合比為：8%石粉含量、用水量165 kg/m、0.34水膠比、42%砂率、15%粉煤灰摻量、粗集料配比為6：4。不同影響因素的試驗在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上進(jìn)行，控制石粉含量為3%、5%、8%、10%、12%;控制水膠比為0.3、0.32、0.34、0.36、0.38;控制砂率為36%、38%、40%、42%、45%;控制粉煤灰摻量為10%、15%、20%、25%、30%;控制減水劑摻量為1.15%、1.2%、1.25%、1.3%、1.35%、1.4%;控制粗集料配比為5：5、6：4、7：3、8：2。試驗拌制不同配比的機(jī)制砂混凝土，依照規(guī)范[13]進(jìn)行混凝土的坍落度、經(jīng)時坍落度、擴(kuò)展度、壓力泌水率試驗。

2試驗結(jié)果分析

2.1石粉對混凝土工作性的影響

由試驗分析隨機(jī)制砂中石粉含量增加，混凝土的坍落度先增大后減小，變化范圍為198～223mm;混凝土的經(jīng)時損失隨石粉含量線性增大，當(dāng)石粉含量為12%時，較均值變化率達(dá)到最大值7.46%，經(jīng)時損失率為38.38%，坍落度變化較小，經(jīng)時損失較大。當(dāng)石粉含量為10%時，擴(kuò)展度較前一項變化率和均值變化率達(dá)到最大值為25.86%、16.11%，表明擴(kuò)展度存在較大突變。壓力泌水率隨石粉含量的增大先升高后降低，石粉含量為3%時，較均值變化量最大為4.62%，變化幅度較小。

相對于河沙，機(jī)制砂表面粗糙、粒形不規(guī)則、比表面積增大，機(jī)制砂顆粒需要更多的水泥漿體包裹，引起混凝土和易性差、泌水性高，因此機(jī)制砂混凝土的工作性普遍較低。石粉在混凝土中的作用機(jī)理可以概括為晶核效應(yīng)、填充效應(yīng)和化學(xué)作用，其中填充作用對工作性影響較大，當(dāng)石粉含量較低時，其在機(jī)制砂混凝土中起到的作用較小，對混凝土的改善不明顯;隨石粉含量增加，石粉能夠充分地發(fā)揮其填充與潤滑作用，混凝土的工作性得到有效改善;但隨石粉含量的進(jìn)一步增加，混凝土的比表面積增大，石粉的阻礙作用占據(jù)主導(dǎo)，從而使得混凝土的工作性與泌水率開始降低。

2.2水膠比對混凝土工作性的影響

隨著水膠比提高，坍落度先增大后減小，變化范圍為215～233 mm，當(dāng)水膠比為0.34時，較均值變化率最大為4.67%，變化幅度較小。1h經(jīng)時損失在30 mm左右，經(jīng)時損失率在13%左右。隨水膠比的提高，擴(kuò)展度先增大后減小，當(dāng)水膠比為0.34時，較前一項變化率達(dá)到最大值32.8%，當(dāng)水膠比為0.3時，較均值變化率達(dá)到最大值24.2%;與擴(kuò)展度的變化趨勢不同，壓力泌水率隨水膠比升高而增大，變化量最大為4.26%，表明試驗范圍內(nèi)水膠比對壓力泌水的影響較小而對擴(kuò)展度影響較大。

機(jī)制砂中的片狀顆粒粒徑增大或含量的增加都會導(dǎo)致機(jī)制砂空隙率增大，使機(jī)制砂外側(cè)水泥漿包裹層變薄，導(dǎo)致漿體流動度降低。當(dāng)水膠比較小時，膠凝材料用量較大，此時混凝土較為粘稠，工作性較差，壓力泌水率較低，隨著水膠比的增大，混凝土內(nèi)漿體變稀，潤滑作用得以發(fā)揮，混凝土的工作性得到改善，但當(dāng)水膠比進(jìn)一步增大時，混凝土內(nèi)漿體變少，不能起到分割集料的作用，集料之間相互摩擦、咬合，導(dǎo)致混凝土工作性差、泌水率增大。

2.3砂率對混凝土工作性的影響

坍落度對砂率的敏感性較弱，隨砂率的增大，混凝土的坍落度呈現(xiàn)逐漸升高趨勢，較均值變化率最大為7.13%，較前一項變化率最大為5.15%。當(dāng)砂率為36%、38%、40%時，經(jīng)時損失較為穩(wěn)定，經(jīng)時損失率在16%左右，砂率為42%、45%時，經(jīng)時損失率分別為10.2%、20.79%，此時波動較大。擴(kuò)展度隨著砂率的增大先升高后略微降低，變化范圍為515～617 mm，較前一項變化率最大為10.19%，較均值變化率最大為11.59%，表明砂率對擴(kuò)展度的有一定影響。由試驗分析可知，壓力泌水率隨砂率的增加逐漸降低，當(dāng)砂率為36%時，壓力泌水率最大，較均值變化量最大。

隨著砂率的增加，漿體與細(xì)集料對粗集料的包裹性更強(qiáng)，在粗集料之間的潤滑作用更好，有利于混凝土的坍落與擴(kuò)展，并且由于砂率的增大，機(jī)制砂表面吸附的水增加，混凝土保水性增加，壓力泌水率降低。但由于砂率的進(jìn)一步增加，混凝土的比表面積增大，細(xì)集料起到相同效果所需的用水量變大，對混凝土的擴(kuò)展起到阻礙作用，但是混凝土的保水性升高的趨勢沒有改變，因此壓力泌水率進(jìn)一步降低。

2.4粉煤灰摻量對混凝土工作性的影響

隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的坍落度整體上呈上升趨勢，較均值最大變化率為7.56%，較前一項最大變化率為8.89%，表明粉煤灰摻量對坍落度有一定影響。經(jīng)時損失隨粉煤灰摻量改變先下降后升高，粉煤灰摻量為15%、20%時，經(jīng)時損失率為6%左右，而試驗其他摻量粉煤灰經(jīng)時損失率在23%上下，已經(jīng)不利于泵送。通過試驗分析，隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的擴(kuò)展度先減小后增大，但是研究表明，一定石粉含量下，粉煤灰摻量增大會改善混凝土保水性，拌合物會變黏，工作性降低，泌水率降低。

2.5減水劑摻量對混凝土工作性的影響

隨著減水劑用量增大，機(jī)制砂混凝土的坍落度、擴(kuò)展度和壓力泌水率均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，坍落度較前一項最大變化率為19.38%、較均值最大變化率為23.62%，擴(kuò)展度較前一項最大變化率為19.44%、較均值最大變化率為35.47%，表明坍落度與擴(kuò)展度對減水劑摻量較敏感。壓力泌水率隨減水劑摻量的增加而增大，變化范圍為9.8%～16.3%，當(dāng)減水劑摻量為1.4%時，壓力泌水率達(dá)到最大值。

聚羧酸減水劑主鏈上羧酸根等離子性基團(tuán)吸附在水泥顆粒表面，而聚醚側(cè)鏈伸展到溶液中，提供強(qiáng)大的空間位阻，從而實現(xiàn)對水泥粒子的分散。當(dāng)減水劑摻量較少時，對水泥的分散程度不夠，坍落度和擴(kuò)展度較低、泌水性較小;當(dāng)加大減水劑的摻量時，空間位阻更大，對水泥粒子的分散的作用更充分，混凝土工作性得到改善。

2.6粗集料配比對混凝土工作性的影響

混凝土坍落度隨10～20 mm粗集料的增加呈降低趨勢，最大變化率在3%左右，經(jīng)時損失率在20%上下浮動。隨著10～20 mm粗集料的增加，擴(kuò)展度呈先增加后降低趨勢，較前一項最大變化率為12.96%，較均值最大變化率為9.29%，表明粗集料級配對混凝土擴(kuò)展度有一定影響。壓力泌水率隨較粗集料的占比變大呈線性增長，當(dāng)配比為8：2時，泌水率達(dá)17%，較均值變化量為4.7%，泌水率與變化量均較大。

與5～10 mm粗集料相比，10～20 mm粗集料粒徑更大，棱角更突出、流動性更差、保水性更差，但其比表面積小，被包裹所需漿體少。當(dāng)10～20 mm粗集料過多時，其棱角性與顆粒形狀對混凝土擴(kuò)展度的阻礙作用占據(jù)主導(dǎo)，因此擴(kuò)展度會迅速降低、泌水率迅速升高，工作性下降，在泵送時更易發(fā)生堵管現(xiàn)象。

3結(jié)論

以石粉含量、水膠比、砂率、粉煤灰摻量、減水劑摻量和粗集料配比作為影響因子，對機(jī)制砂混凝土工作性展開試驗研究，通過不同因子對混凝土工作性的影響分析，得出以下結(jié)論：

（1）機(jī)制砂的石粉含量變異性較大，石粉含量對擴(kuò)展度和泌水率有一定影響，對經(jīng)時損失影響較大，故建議應(yīng)嚴(yán)格控制機(jī)制砂的生產(chǎn)流程，石粉含量應(yīng)保持8%左右。

（2）不同影響因子對機(jī)制砂混凝土的工作性影響程度存在較大差異，影響程度由大到小依次是：減水劑用量>水膠比>粉煤灰摻量>砂率>粗集料配比。其中減水劑對坍落度、擴(kuò)展度影響較顯著，但不同減水劑效果不同，應(yīng)在混凝土試拌前確定不同減水劑的效果。

（3）由不同因子對混凝土工作性的影響分析結(jié)果，確定了基于工作性的C50機(jī)制砂混凝土的配合比為：機(jī)制砂石粉含量8%、水膠比0.34、用水量165kg、砂率42%、粉煤灰摻量15%～20%、減水劑摻量1.3%、粗集料配比為6：4。

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作者簡介：李旭東，38歲，男，中國水利水電第七工程局有限公司二分局副總工程師、重慶渝湘復(fù)線高速公路三標(biāo)一分部總工程師，高級工程師。