機制砂自密實混凝土性能研究

袁文棟

（中國水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

美國混凝土研究所將自密實混凝土定義為“一種高度流動的非隔離混凝土，可以在不進行任何機械振搗的情況下攤鋪到位、填充模板并完全包裹鋼筋”[1-2］。與傳統混凝土相比，自密實混凝土具有經濟和技術優勢，可節省成本并提高性能。在工作現場，自密實混凝土需要較少的勞動力和技能較低的勞動力。自密實混凝土的澆筑速度比傳統混凝土快。使用自密實混凝土也可以獲得更好的表面光潔度，并且在移除模板后，無需人工修補缺陷（蟲洞、氣泡、蜂窩）[3-5］。某大橋為上承式鋼管混凝土拱橋，凈跨徑338 m。擬采用C60 級微膨脹自密實混凝土作為鋼管混凝土的核心混凝土。由于當地天然砂短缺，機制砂被用作自密實混凝土的細骨料。機制砂通常比天然砂更棱角分明，表面紋理更粗糙。機制砂還可能含有大量細骨料破碎過程中產生的小于75μm 的巖石細粉。按重量計，該部分可高達細骨料總產量的10%～20%。使用富含細粉的機制砂可能是第二種替代填料來源。使用富含細粉的機制砂可以通過替代天然砂作為細骨料并減少外部填料添加的需求，提高自密實混凝土的成本效益，還可以在自密實混凝土生產中作為粘度改進劑[6-8］。

本文對細骨料含量為3%、7%和10%的三種機制砂自密實混凝土的工作性、抗壓和劈裂強度、彈性模量、約束膨脹和氯離子滲透性以及抗凍融性進行了測試，并與天然砂自密實混凝土進行了比較。

1 試驗

1.1 原材料

所有混合物均采用符合GB 175-2007 標準的普通硅酸鹽水泥制備，其3 天和28 天抗壓強度是22.2 MPa 和53 MPa。采用符合GB／T 18064-2008 標準的S95 級磨細高爐礦渣作為礦物摻合料。為了補償混凝土收縮，采用了符合JC 476-2001標準要求的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骨料。它們被命名為石灰巖機制砂，含有巖石細屑和碎屑。表1 給出了兩種砂的物理性質和篩分分析測試結果。可以看出，機制砂中小于75μm 的石灰石細粉的含量為11.5%，天然砂中的細粉含量為0.5%。

表1 砂的物理特性

1.2 配合比和試驗程序

表2 顯示了一種天然砂自密實混凝土和三種機制砂自密實混凝土的混合比例，其中石灰石細粉含量分別為3%、7%和10%。為了調整機制砂中的細粒含量，通過濕篩分將小于75μm 的石灰石細粒從機制砂中分離出來，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）常數為0.31 和10%（按重量計）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性。確定了所有混合物的外加劑要求，以達到650±50 mm 的坍落度流動值。

坍落度試驗按照JTG E30-2005 標準進行。采用CECS 203:2006 標準進行坍落度和T50 時間試驗。此外，采用JTG E30-2005 標準測定了新拌混凝土的凝結時間、泌水率和含氣量。

根據JTG E30-2005 標準，通過測試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，分別測定抗壓強度、抗剪強度、劈裂強度和壓縮彈性模量。將自密實混凝土倒入模具中，無需任何振動和壓實，24 小時后脫模。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，直至試驗當天。

根據GB 50119-2003 標準，在100 mm×100 mm×355 mm的棱柱形試件上進行了約束膨脹率試驗，并在混凝土試件中嵌入了豎向鋼制限流器。濕養護1 天后，脫模試樣在20℃的條件下儲存在水里14 天，然后在20℃的相對濕度為60%的干燥條件下養護。在3 d、7 d、14 d、28 d、42 d、56 d、90 d、120 d 和150 d 時測量受約束試樣的應變。

根據CECS 01-2004，使用直徑為100 mm、高度為50 mm的圓柱體，通過RCM 法測量氯離子滲透性，并獲得快速遷移的非穩態擴散系數。在濕養護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方法測定了混凝土的抗凍性。試驗按照JTG E30-2005 標準進行。每50個循環測量一次混凝土試件的動態彈性模量，以評估相對動態彈性模量。

2 結果與討論

2.1 新拌混凝土性能

新拌混凝土試驗結果見表3，從結果可知，所有混凝土混合物的初始坍落度在615 mm～675 mm 范圍內。然而，三種機制砂自密實混凝土的坍落度流動損失遠大于天然砂自密實混凝土。表2 還列出了所有混合物達到650±50 mm 坍落度流動值的外加劑要求。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，但當使用機制砂時，該值增加到6.7 kg／m3～7.5 kg／m3。機制砂自密實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，增加細粉量可能會導致外加劑需求量增加，以獲得恒定的坍落度。

表2 自密實混凝土的混合比例

此外，還應測試自密實混凝土的坍落度流動速度（即T50時間）。所有混合物的T50次均在目標時間范圍內（約5 s～15 s）。非常低的T50 次數可能會導致離析，而非常高的T50 次數可能會導致泵管堵塞。當細料含量較高時，T50 的次數通常會增加（表3）。另一方面，所有混合料的壓力泌水率均達到泵送混凝土的目標水平，即小于40%。在不加水的情況下，砂中的大量細顆粒增加了塑性粘度，減少了自密實的泌水和離析。與天然砂自密實混凝土混合物相比，三種機制砂自密實混凝土的泌水量更大，因為機制砂更具棱角和片狀，并且由于破碎過程，具有更粗的級配。隨著減水劑用量的增加，所有自密實混凝土混合料的凝結時間均增加。這種現象可認為所用外加劑在過量劑量下的具有凝結延遲效應。

表3 新拌混凝土性能

2.2 混凝土力學性能

表4 總結了抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量的試驗結果。所有混合物的28 天抗壓強度在75.3 MPa～80.2 MPa 之間變化，明顯超過70 MPa 的目標值。值得注意的是，隨著石灰石細粉含量的增加，混凝土的抗壓強度和劈拉強度先增加后降低，在細粉含量為7%時達到最大值，三種機制砂-自密實混凝土混合物的力學性能優于天然砂-自密實混凝土混合物，尤其是劈拉強度。原因可能是機制砂的表面比天然砂粗糙，棱角大，導致砂和膏體之間的粘結力更強。此外，與相應的天然砂-自密實混凝土混合物相比，細粒含量為7%的機制砂-自密實混凝土混合物的彈性模量略有增加。

表4 混凝土力學性能

2.3 限制膨脹率

限制膨脹率結果見圖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的目標值。與天然砂-自密實混凝土混合料相比，含有7%和10%石灰石細粉的機制砂-自密實混凝土混合料在14 天浸水期間表現出更大的膨脹應變，在150 天干燥條件下表現出更小的收縮應變。含有高石灰石細粉的機制砂-自密實混凝土混合物膨脹率較高的主要原因可歸因于石灰石細粉和C3A 之間反應形成的碳鋁酸鹽，這抑制了鈣礬石轉化為單硫鋁酸鹽。因此，機制砂中的石灰石細粒有利于穩定鈣礬石，這是一種膨脹的水化產物，導致膨脹增加。

圖1 不同砂制備的自密實混凝土的限制膨脹率

2.4 氯離子滲透性

氯離子擴散系數（DRCM）測試結果見表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。隨著石灰石細粉含量的增加，機制砂混合物的DRCM值增加，并且從使用10%石灰石細粉制備的機制砂混合物中觀察到顯著的DRCM增加。與天然砂相比，三種機制砂自密實混凝土的28 天DRCM值略高。

表5 氯離子擴散系數與混凝土抗凍融性能

2.5 抗凍性

凍融試驗結果見表5。由表5 可知，所有經受凍融循環的自密實混凝土混合物的相對動彈性模量（RDM）的降低率和降低量都非常低。在持續300 次凍融循環后，RDM 值在93.4%～97.6%之間，三種機制砂混合物和天然砂混合物之間的RDM 差異不顯著。這些結果表明，石灰石細粉含量高的機制砂-自密實混凝土的凍融耐久性非常高，并且具有耐高溫等級。

3 結論

本文對細骨料含量為3%、7%和10%的三種機制砂自密實混凝土的工作性、抗壓和劈裂強度、彈性模量、約束膨脹和氯離子滲透性以及抗凍融性進行了測試，并與天然砂自密實混凝土進行了比較，得出以下結論：

（1）為了提高自密實混凝土的粉末含量，可以使用富含石灰石細粉（按重量計為7%～10%）的機制砂。然而，高達10%的石灰石細粉會導致混合物的高粘度，并增加了自密實混凝土目標坍落度流的外加劑需求。

（2）從機制砂中加入7%的石灰石細粉，并加入10%的膨脹劑和10%的磨細高爐礦渣，可以制備出高度可加工和穩定的C60 級自密實混凝土填充鋼管，滿足自密實和機械要求。C60 級機制砂自密實混凝土的機械強度、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混凝土相似或更好。

（3）事實證明，添加膨脹劑對增加自密實混凝土填充鋼管的膨脹和補償干燥收縮非常有效，這通常是這種材料的一個大問題，因為這種材料富含粉末，粗骨料含量很低。與天然砂的自密實混凝土填充鋼管相比，富含石灰石細粉的機制砂的自密實混凝土填充鋼管具有更大的抑制膨脹和更少的干縮，這有助于自密實混凝土與鋼管內壁之間的緊密結合。因此，在自密實混凝土應用中使用富含石灰石細粉的機制砂將為混凝土生產商帶來技術和經濟效益。