機(jī)制砂自密實(shí)混凝土性能研究

袁文棟

（中國(guó)水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

美國(guó)混凝土研究所將自密實(shí)混凝土定義為“一種高度流動(dòng)的非隔離混凝土，可以在不進(jìn)行任何機(jī)械振搗的情況下攤鋪到位、填充模板并完全包裹鋼筋”[1-2］。與傳統(tǒng)混凝土相比，自密實(shí)混凝土具有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可節(jié)省成本并提高性能。在工作現(xiàn)場(chǎng)，自密實(shí)混凝土需要較少的勞動(dòng)力和技能較低的勞動(dòng)力。自密實(shí)混凝土的澆筑速度比傳統(tǒng)混凝土快。使用自密實(shí)混凝土也可以獲得更好的表面光潔度，并且在移除模板后，無需人工修補(bǔ)缺陷（蟲洞、氣泡、蜂窩）[3-5］。某大橋?yàn)樯铣惺戒摴芑炷凉皹?，凈跨?38 m。擬采用C60 級(jí)微膨脹自密實(shí)混凝土作為鋼管混凝土的核心混凝土。由于當(dāng)?shù)靥烊簧岸倘保瑱C(jī)制砂被用作自密實(shí)混凝土的細(xì)骨料。機(jī)制砂通常比天然砂更棱角分明，表面紋理更粗糙。機(jī)制砂還可能含有大量細(xì)骨料破碎過程中產(chǎn)生的小于75μm 的巖石細(xì)粉。按重量計(jì)，該部分可高達(dá)細(xì)骨料總產(chǎn)量的10%～20%。使用富含細(xì)粉的機(jī)制砂可能是第二種替代填料來源。使用富含細(xì)粉的機(jī)制砂可以通過替代天然砂作為細(xì)骨料并減少外部填料添加的需求，提高自密實(shí)混凝土的成本效益，還可以在自密實(shí)混凝土生產(chǎn)中作為粘度改進(jìn)劑[6-8］。

本文對(duì)細(xì)骨料含量為3%、7%和10%的三種機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的工作性、抗壓和劈裂強(qiáng)度、彈性模量、約束膨脹和氯離子滲透性以及抗凍融性進(jìn)行了測(cè)試，并與天然砂自密實(shí)混凝土進(jìn)行了比較。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

所有混合物均采用符合GB 175-2007 標(biāo)準(zhǔn)的普通硅酸鹽水泥制備，其3 天和28 天抗壓強(qiáng)度是22.2 MPa 和53 MPa。采用符合GB／T 18064-2008 標(biāo)準(zhǔn)的S95 級(jí)磨細(xì)高爐礦渣作為礦物摻合料。為了補(bǔ)償混凝土收縮，采用了符合JC 476-2001標(biāo)準(zhǔn)要求的UEA-H 型膨脹劑。還使用了一種商用品牌為MAPEI SP-1 的聚羧酸型高效減水劑。

兩種不同的砂被用作細(xì)骨料。它們被命名為石灰?guī)r機(jī)制砂，含有巖石細(xì)屑和碎屑。表1 給出了兩種砂的物理性質(zhì)和篩分分析測(cè)試結(jié)果。可以看出，機(jī)制砂中小于75μm 的石灰石細(xì)粉的含量為11.5%，天然砂中的細(xì)粉含量為0.5%。

表1 砂的物理特性

1.2 配合比和試驗(yàn)程序

表2 顯示了一種天然砂自密實(shí)混凝土和三種機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的混合比例，其中石灰石細(xì)粉含量分別為3%、7%和10%。為了調(diào)整機(jī)制砂中的細(xì)粒含量，通過濕篩分將小于75μm 的石灰石細(xì)粒從機(jī)制砂中分離出來，然后作為等量砂的直接替代物加入混合物中。每種混合物的水／粘合劑（w／b）常數(shù)為0.31 和10%（按重量計(jì)）的恒定膨脹劑量。通過增加外加劑的用量，可以獲得混合物的自密實(shí)性。確定了所有混合物的外加劑要求，以達(dá)到650±50 mm 的坍落度流動(dòng)值。

坍落度試驗(yàn)按照J(rèn)TG E30-2005 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。采用CECS 203:2006 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行坍落度和T50 時(shí)間試驗(yàn)。此外，采用JTG E30-2005 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定了新拌混凝土的凝結(jié)時(shí)間、泌水率和含氣量。

根據(jù)JTG E30-2005 標(biāo)準(zhǔn)，通過測(cè)試150 mm×150 mm×150 mm 立方體、100 mm×100 mm×400 mm 棱柱、150 mm×150 mm×150 mm 立方體和150 mm×150 mm×300 mm 棱柱，分別測(cè)定抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和壓縮彈性模量。將自密實(shí)混凝土倒入模具中，無需任何振動(dòng)和壓實(shí)，24 小時(shí)后脫模。脫模后，用特氟隆板包裹試樣，并在耐濕條件下固化，以模擬鋼管混凝土，直至試驗(yàn)當(dāng)天。

根據(jù)GB 50119-2003 標(biāo)準(zhǔn)，在100 mm×100 mm×355 mm的棱柱形試件上進(jìn)行了約束膨脹率試驗(yàn)，并在混凝土試件中嵌入了豎向鋼制限流器。濕養(yǎng)護(hù)1 天后，脫模試樣在20℃的條件下儲(chǔ)存在水里14 天，然后在20℃的相對(duì)濕度為60%的干燥條件下養(yǎng)護(hù)。在3 d、7 d、14 d、28 d、42 d、56 d、90 d、120 d 和150 d 時(shí)測(cè)量受約束試樣的應(yīng)變。

根據(jù)CECS 01-2004，使用直徑為100 mm、高度為50 mm的圓柱體，通過RCM 法測(cè)量氯離子滲透性，并獲得快速遷移的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散系數(shù)。在濕養(yǎng)護(hù)28 天的混凝土棱柱試樣（100 mm×100 mm×400 mm）上，采用混凝土抗凍融試驗(yàn)方法測(cè)定了混凝土的抗凍性。試驗(yàn)按照J(rèn)TG E30-2005 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。每50個(gè)循環(huán)測(cè)量一次混凝土試件的動(dòng)態(tài)彈性模量，以評(píng)估相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量。

2 結(jié)果與討論

2.1 新拌混凝土性能

新拌混凝土試驗(yàn)結(jié)果見表3，從結(jié)果可知，所有混凝土混合物的初始坍落度在615 mm～675 mm 范圍內(nèi)。然而，三種機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的坍落度流動(dòng)損失遠(yuǎn)大于天然砂自密實(shí)混凝土。表2 還列出了所有混合物達(dá)到650±50 mm 坍落度流動(dòng)值的外加劑要求。雖然使用天然砂制備的混合物中的外加劑含量為6.2 kg／m3，但當(dāng)使用機(jī)制砂時(shí)，該值增加到6.7 kg／m3～7.5 kg／m3。機(jī)制砂自密實(shí)混凝土外加劑增加可以歸因于該沙子的高粉末含量和較大的粗糙度。理論上，在相同含水量下，增加細(xì)粉量可能會(huì)導(dǎo)致外加劑需求量增加，以獲得恒定的坍落度。

表2 自密實(shí)混凝土的混合比例

此外，還應(yīng)測(cè)試自密實(shí)混凝土的坍落度流動(dòng)速度（即T50時(shí)間）。所有混合物的T50次均在目標(biāo)時(shí)間范圍內(nèi)（約5 s～15 s）。非常低的T50 次數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致離析，而非常高的T50 次數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致泵管堵塞。當(dāng)細(xì)料含量較高時(shí)，T50 的次數(shù)通常會(huì)增加（表3）。另一方面，所有混合料的壓力泌水率均達(dá)到泵送混凝土的目標(biāo)水平，即小于40%。在不加水的情況下，砂中的大量細(xì)顆粒增加了塑性粘度，減少了自密實(shí)的泌水和離析。與天然砂自密實(shí)混凝土混合物相比，三種機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的泌水量更大，因?yàn)闄C(jī)制砂更具棱角和片狀，并且由于破碎過程，具有更粗的級(jí)配。隨著減水劑用量的增加，所有自密實(shí)混凝土混合料的凝結(jié)時(shí)間均增加。這種現(xiàn)象可認(rèn)為所用外加劑在過量劑量下的具有凝結(jié)延遲效應(yīng)。

表3 新拌混凝土性能

2.2 混凝土力學(xué)性能

表4 總結(jié)了抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量的試驗(yàn)結(jié)果。所有混合物的28 天抗壓強(qiáng)度在75.3 MPa～80.2 MPa 之間變化，明顯超過70 MPa 的目標(biāo)值。值得注意的是，隨著石灰石細(xì)粉含量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度先增加后降低，在細(xì)粉含量為7%時(shí)達(dá)到最大值，三種機(jī)制砂-自密實(shí)混凝土混合物的力學(xué)性能優(yōu)于天然砂-自密實(shí)混凝土混合物，尤其是劈拉強(qiáng)度。原因可能是機(jī)制砂的表面比天然砂粗糙，棱角大，導(dǎo)致砂和膏體之間的粘結(jié)力更強(qiáng)。此外，與相應(yīng)的天然砂-自密實(shí)混凝土混合物相比，細(xì)粒含量為7%的機(jī)制砂-自密實(shí)混凝土混合物的彈性模量略有增加。

表4 混凝土力學(xué)性能

2.3 限制膨脹率

限制膨脹率結(jié)果見圖1。浸泡在水中的所有混合物的14天抑制膨脹率在3.3×10-4和4.3×10-4之間變化，明顯超過3.0×10-4的目標(biāo)值。與天然砂-自密實(shí)混凝土混合料相比，含有7%和10%石灰石細(xì)粉的機(jī)制砂-自密實(shí)混凝土混合料在14 天浸水期間表現(xiàn)出更大的膨脹應(yīng)變，在150 天干燥條件下表現(xiàn)出更小的收縮應(yīng)變。含有高石灰石細(xì)粉的機(jī)制砂-自密實(shí)混凝土混合物膨脹率較高的主要原因可歸因于石灰石細(xì)粉和C3A 之間反應(yīng)形成的碳鋁酸鹽，這抑制了鈣礬石轉(zhuǎn)化為單硫鋁酸鹽。因此，機(jī)制砂中的石灰石細(xì)粒有利于穩(wěn)定鈣礬石，這是一種膨脹的水化產(chǎn)物，導(dǎo)致膨脹增加。

圖1 不同砂制備的自密實(shí)混凝土的限制膨脹率

2.4 氯離子滲透性

氯離子擴(kuò)散系數(shù)（DRCM）測(cè)試結(jié)果見表5。四種混合物的28 天DRCM值介于1.3×10-12m2／s 和2.7×10-12m2／s 之間，表明中等滲透性。隨著石灰石細(xì)粉含量的增加，機(jī)制砂混合物的DRCM值增加，并且從使用10%石灰石細(xì)粉制備的機(jī)制砂混合物中觀察到顯著的DRCM增加。與天然砂相比，三種機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的28 天DRCM值略高。

表5 氯離子擴(kuò)散系數(shù)與混凝土抗凍融性能

2.5 抗凍性

凍融試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5 可知，所有經(jīng)受凍融循環(huán)的自密實(shí)混凝土混合物的相對(duì)動(dòng)彈性模量（RDM）的降低率和降低量都非常低。在持續(xù)300 次凍融循環(huán)后，RDM 值在93.4%～97.6%之間，三種機(jī)制砂混合物和天然砂混合物之間的RDM 差異不顯著。這些結(jié)果表明，石灰石細(xì)粉含量高的機(jī)制砂-自密實(shí)混凝土的凍融耐久性非常高，并且具有耐高溫等級(jí)。

3 結(jié)論

本文對(duì)細(xì)骨料含量為3%、7%和10%的三種機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的工作性、抗壓和劈裂強(qiáng)度、彈性模量、約束膨脹和氯離子滲透性以及抗凍融性進(jìn)行了測(cè)試，并與天然砂自密實(shí)混凝土進(jìn)行了比較，得出以下結(jié)論：

（1）為了提高自密實(shí)混凝土的粉末含量，可以使用富含石灰石細(xì)粉（按重量計(jì)為7%～10%）的機(jī)制砂。然而，高達(dá)10%的石灰石細(xì)粉會(huì)導(dǎo)致混合物的高粘度，并增加了自密實(shí)混凝土目標(biāo)坍落度流的外加劑需求。

（2）從機(jī)制砂中加入7%的石灰石細(xì)粉，并加入10%的膨脹劑和10%的磨細(xì)高爐礦渣，可以制備出高度可加工和穩(wěn)定的C60 級(jí)自密實(shí)混凝土填充鋼管，滿足自密實(shí)和機(jī)械要求。C60 級(jí)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的機(jī)械強(qiáng)度、彈性模量、抗氯離子滲透性和抗凍融性與使用良好天然砂制成的相應(yīng)混凝土相似或更好。

（3）事實(shí)證明，添加膨脹劑對(duì)增加自密實(shí)混凝土填充鋼管的膨脹和補(bǔ)償干燥收縮非常有效，這通常是這種材料的一個(gè)大問題，因?yàn)檫@種材料富含粉末，粗骨料含量很低。與天然砂的自密實(shí)混凝土填充鋼管相比，富含石灰石細(xì)粉的機(jī)制砂的自密實(shí)混凝土填充鋼管具有更大的抑制膨脹和更少的干縮，這有助于自密實(shí)混凝土與鋼管內(nèi)壁之間的緊密結(jié)合。因此，在自密實(shí)混凝土應(yīng)用中使用富含石灰石細(xì)粉的機(jī)制砂將為混凝土生產(chǎn)商帶來技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。