機制砂制備高流態C30襯砌混凝土的配合比研究*

李建東 李新華 李 信

(1.中鐵大橋局集團第六工程有限公司 武漢 432004；2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室 武漢 430034)

砂石骨料是混凝土制備中的重要原材料。隨著當前國家大力推進環境友好型社會建設及天然河砂資源的日益匱乏，在工程建設中大規模使用機制砂已成為必然選擇。

機制砂由巖石破碎制得，相較天然河砂，其表面粗糙、多棱角且石粉含量較高，對外加劑分子具備較強吸附力，一般認為采用機制砂制備混凝土存在黏度大、易開裂等問題[1-3]。近年來部分研究表明，適量石粉可改善機制砂級配，提高水泥石密實堆積程度，且石粉可改善拌合物離析泌水，提高漿體黏聚性和包裹性[4-5]。且機制砂破碎產生的大量廢棄石粉，若不充分利用，必然會造成環境污染，同時也是對資源的浪費，部分學者指出，將廢棄石粉視作粉料的一部分，等量替代適量膠凝材料，不僅可以降低混凝土水化放熱從而降低其開裂風險，還可同礦物摻合料產生疊加效應[6-7]。襯砌混凝土一般需要具有流動性和保水性，收縮小、抗滲性能優，然而目前襯砌混凝土中摻入機制砂的相研究極少，因此，亟須開展利用機制砂制備高流態襯砌混凝土的研究。

保神高速為湖北省“十三五”重點建設項目，項目途徑神農架林區，當地河砂資源匱乏且道路崎嶇，外購運輸成本高。因此，擬利用林區豐富的機制砂資源及隧道開挖產生的廢棄石料，制備一種具備高和易性及高耐久性的機制砂襯砌混凝土，既降低施工成本，又可避免大量廢棄石料亂置，減小當地環境壓力。

1 原材料及實驗方法

1.1 原材料

1) 水泥。采用葛洲壩水泥廠生產的P·O 42.5水泥，其性能指標見表1。

表1 葛洲壩P·O 42.5水泥性能

2) 粉煤灰。采用襄陽華能電力生產的II級粉煤灰。

3) 粗集料。5～31.5 mm連續級配碎石，壓碎值16.4%，表觀密度2 779 kg/m3。

4) 細集料。馬橋鎮當地生產石灰石機制砂，主要技術指標見表2。

表2 機制砂技術指標

5) 外加劑。外加劑為江蘇奧特萊產高效聚羧酸減水劑，減水率為17%。

1.2 試驗方法

依據GB/T 50080-2016 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行拌合物坍落度/擴展度試驗；參照GB/T 50081-2019 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行試塊成型、養護及相關力學性能測試，立方體試塊邊長為150 mm。

2 配合比優化設計

基于密實骨架堆積原理，根據現有原材料狀況及JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規程》中質量法的計算，初步確定基準配合比為：m(水泥)∶m(石)∶m(機制砂)∶m(水)=420∶970∶810∶168，固定外加劑用量為1.2%，該基準混凝土性能見表3。

表3 基準混凝土性能

由表3可知，基準混凝土28 d抗壓強度達44.1 MPa，滿足規范要求，然而其擴展度僅為465 mm，拌合物黏重不利于現場泵送施工，因此需對配比進一步優化。

2.1 粉煤灰對混凝土性能的影響

粉煤灰是一種重要的礦物摻合料，具備火山灰效應，可在堿性環境下同水化產物結合生成C-S-H凝膠，且復摻適量粉煤灰既可形成良好的顆粒級配，提高水泥石密實堆積程度，又可提高拌合物漿體量，潤滑骨料，改善混凝土工作性能。本文依據基準配比，復摻不同比例粉煤灰取代水泥，探究其最優摻量，見表4。

由表4可知，固定膠凝材料總量不變，等比例摻入粉煤灰取代水泥，隨粉煤灰摻量增加，拌合物包裹性提升，其坍落度和擴展度呈先增后減的趨勢。這是因粉煤灰內存在球狀玻璃體具備一定減水效應，且適量粉煤灰同水泥顆粒形成良好的顆粒級配，提高混凝土漿體率改善拌合物工作性能[8]。當其摻量超過19%后，膠凝漿體過多，致使拌合物包裹性劣化，易產成離析、泌水等不良現象，且此時混凝土抗壓強度降低明顯。這是由于粉煤灰需結合Ca(OH)2等水泥水化產物才可發揮其火山灰效應，若粉煤灰摻量過高，拌合物內Ca(OH)2較少，孔溶液堿度降低，難以完全激發其火山灰效應，僅發揮填充作用不利于水泥石后期強度增長。綜合考慮混凝土力學性能及和易性，確定粉煤灰摻量為19%。

2.2 水膠比對混凝土性能的影響

基于上述試驗確定粉煤灰摻量為19%，試驗對比0.36、0.38、0.4 3種不同水膠比下，拌合物工作性能及力學性能，其結果見表5。

表5 不同水膠比下混凝土性能

由表5可見，隨水膠比降低，拌合物的和易性出現不同程度的劣化，當水膠比降低至0.36時，其擴展度僅為485 mm，不符合施工要求，因此混凝土水膠比不宜低于0.38。混凝土后期強度隨水膠比降低而提高，這是由于低水膠比雖增大拌合物黏度，卻提升了骨料密實度，使水泥石形成更緊密堆積結構。然而隨水膠比進一步降低，混凝土強度增長趨勢明顯放緩，此時自由水含量過低，致使大量水泥無法充分水化，對結構抗壓強度造成不利影響。

2.3 砂率對混凝土性能的影響

根據上述試驗結果，試驗組P5工作性能和力學性能均良好，故以試驗組P5為基準，調整混凝土砂率為41%、43%、45%、47%探究不同砂率對混凝土性能的影響規律，其結果見表6。

表6 不同砂率下混凝土性能

由表6可見，隨砂率增大，混凝土坍落度、擴展度呈先增后減趨勢，當砂率為41%時，細集料較少，拌合物漿體含量較低，包裹性差，致使拌合物離析泌水。隨砂率增大，混凝土骨料密實堆積程度增大，抗壓強度提升。當砂率增至43%后，隨砂率增大混凝土力學性能降低，這是由于此時骨料間空隙已被充分填充，若進一步提高細集料比例，將破壞骨料最緊密堆積，增大其內部孔隙率[9]。因此，綜合考慮現場施工對和易性的要求，選擇砂率45%開展進一步研究。

2.4 石粉含量對混凝土性能的影響

機制砂由巖石經機械破碎制得，因此在生產過程中不可避免會產生大量石粉，石粉粒徑較小，比表面積高且表觀形貌不規則，雖可發揮一定的填充作用，但若其含量過高將導致拌合物需水比增大，致使其和易性不佳，在泵送施工中易造成堵管等不良現象。本文選用石粉含量為0%，4%，8%，12.9%的機制砂制備混凝土，探究石粉含量對混凝土性能的影響規律，其性能指標見表7。

表7 不同石粉含量下混凝土性能

由表7可見，當石粉含量低于8%時，隨機制砂內石粉含量增加，混凝土工作性能及力學性能均有一定程度提高。當石粉含量為8%時，相較無石粉組，混凝土拓展度提高8.3%，28 d抗壓強度提升12.3%。若石粉含量進一步增大，混凝土工作性能和力學性能均出現較大劣化。這是因石粉粒徑較小，當其摻量較低時可填充膠凝材料間空隙，發揮微集料效應，提高水泥石致密度。同時石粉具備一定的“晶核效應”，適量石粉可在混凝土內部形成成核中心，促進膠凝材料進一步水化，誘導水化產物析晶[10-11]。工作性能方面，適量石粉可增大拌合物中砂漿含量，潤滑骨料改善拌合物離析、泌水等不良現象，提高其黏聚性及包裹性。然而當石粉含量超過8%后，因其比表面積較大，吸附大量自由水，不僅致使拌合物工作性能劣化明顯，還增大了混凝土內部缺水，導致水泥水化不充分，不利于水泥石后期強度增長。此時除發揮微集料效應外，部分游離石粉黏聚成團，致使漿-骨界面區不密實，易造成應力集中影響混凝土抗壓強度。因此現場施工中，機制砂石粉含量宜取8%。

2.5 石粉取代膠凝對混凝土性能的影響

鑒于現場生產中機制砂石粉含量波動較大，經干法除粉至所需標準后，將產生大量廢棄石粉，增大當地環保壓力，且有研究表明石粉做摻合料對混凝土和易性及強度基本無影響。因此基于上述P10試驗組配比，摻加石粉按25%，50%，75%，100%等比例取代粉煤灰做摻合料，結果見表8。

表8 石粉取代粉煤灰對混凝土性能影響

由表8可知，石粉取代粉煤灰對拌合物工作性能幾乎無影響，這是由于石粉粒徑、細度同II級粉煤灰基本相當，石粉等質量取代粉煤灰不造成拌合物漿體需水量變化，且當石粉取代率為25%時，拌合物坍落度、擴展度均為最大，其黏聚性和保水性存在一定程度提升。然而隨石粉取代率提升，混凝土抗壓強度呈下降趨勢。當石粉完全取代粉煤灰作摻合料時，P16組混凝土28 d抗壓強度相較P10組下降了22.6%，已不滿足施工規范要求。這是由于石粉無火山灰效應，在混凝土內僅發揮填充效應，無法同Ca(OH)2等水泥水化產物反應，提高水泥石致密度。若石粉取代率高于50%，混凝土抗壓強度已經不滿足混凝土配制強度的要求，如P15組、P16組。因此，石粉取代率不宜高于50%。

3 結論

1) 調整粉煤灰摻量及水膠比皆可改善拌合物和易性，然而粉煤灰摻量或水膠比過高將致使混凝土離析、泌水，且其后期強度有所降低。

2) 調整混凝土砂率將改變混凝土的密實堆積程度，當砂率為45%時，混凝土性能最佳。機制砂中摻入的適量石粉可發揮晶核效應，促進水泥水化，但若石粉含量超過8%，將造成拌合物和易性劣化。

3) 石粉取代II級粉煤灰對混凝土工作性能基本無影響，但因其無水化活性，對混凝土力學性能產生不利影響，石粉取代粉煤灰不宜超過50%。