南水北調(diào)某標(biāo)段全機(jī)制砂混凝土配合比試驗

張會芝，劉紀(jì)峰

(三明學(xué)院建筑工程學(xué)院，福建三明365004)

0 引言

基于工程實際的迫切現(xiàn)實需要，機(jī)制砂取代天然河砂配制混凝土已經(jīng)引起了不少學(xué)者和施工單位的重視，并進(jìn)行了一些卓有成效的研究。文獻(xiàn)[1］研究了機(jī)制砂對混凝土各方面性能的影響、石粉的活性效應(yīng)、含泥量對混凝土的影響，認(rèn)為機(jī)制砂混凝土具有廣闊的應(yīng)用前景;文獻(xiàn)[2］研究了水灰比、砂率、膠凝材料用量、機(jī)制砂的級配與細(xì)度模數(shù)及含粉量等參數(shù)對全機(jī)制砂混凝土性能的影響;文獻(xiàn)[3］研究了重慶地區(qū)全機(jī)制砂混凝土的性能，研究結(jié)果表明:機(jī)制砂混凝土的收縮率與天然中砂混凝土相差不大，但力學(xué)性能、抗?jié)B性和抗碳化性能均優(yōu)于后者;文獻(xiàn)[4］的研究表明:隨著機(jī)制砂比表面積的增大，混凝土拌合物的坍落度減小，但機(jī)制砂比表面積對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響較小;文獻(xiàn)[5］對機(jī)制砂自密實混凝土的各項性能進(jìn)行了試驗研究;文獻(xiàn)[6］對人工砂及人工砂混凝土的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

南水北調(diào)中線某標(biāo)段長度5.75 km，標(biāo)段內(nèi)共有各種建筑物14座，其中包括河渠交叉建筑物2座，左岸排水建筑物2座，渠渠交叉建筑物2座，節(jié)制閘、退水閘各1座，分水口門1座，公路橋4座，生產(chǎn)橋1座。該工程混凝土工程冬季施工部位包括:排水溝倒虹吸管身、排水溝倒虹吸墊層、公路橋樁基、公路橋橋墩橋臺等。由于該標(biāo)段位于兩地市交界處，位置較為偏僻，一般攪拌混凝土所用的天然河砂不易得到，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸價格較高，不經(jīng)濟(jì)，同時考慮到開采天然河砂對環(huán)境的不利影響，業(yè)主也要求使用機(jī)制砂配制高流動性混凝土。全機(jī)制砂混凝土配合比試驗的內(nèi)容包括:CFG樁C10，渡槽槽身C40W8F150，常溫和冬季施工，組合梁、箱梁C50F200泵送和非泵送，空心板、鋪裝層C40F200泵送和非泵送。共計7個配合比，除CFG樁C10配合比使用普通硅酸鹽P.O 42.5水泥，其余配合比均使用普通硅酸鹽P.O 52.5水泥。本文結(jié)合該標(biāo)段全機(jī)制砂混凝土配合比試驗的實測數(shù)據(jù)，研究各參數(shù)對機(jī)制砂混凝土性能的影響。

1 原材料及配合比設(shè)計

1.1 原材料檢測

砂為鶴壁市通達(dá)石料有限公司生產(chǎn)的機(jī)制砂，中砂，細(xì)度模數(shù)2.98，表觀密度2 700 kg/m3，堆積密度1 570 kg/m3，石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.2%，無泥塊含量，飽和面干吸水率1.2%，空隙率42%。砂的顆粒級配曲線見圖1。碎石為鶴壁市通達(dá)石料有限公司生產(chǎn)，粒徑范圍為5～20 mm、20～40 mm兩級，表觀密度2 700 kg/m3，含泥量0.5%(質(zhì)量比，下同)，壓碎值10.5%，針片狀含量2% ～5%，吸水率0.8%(質(zhì)量比)。粗骨料分5～20 mm和20～40 mm兩級，根據(jù)每級骨料所占的不同比例進(jìn)行振實，選擇振實密度最大的比例為最佳搭配，采用最大密度法配置后的兩級粗骨料分別占45%和55%。

水泥為河南同力水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5、P.O 52.5普通硅酸鹽水泥;密度為2.94～2.98 g/cm3，細(xì)度分別為305 m2/kg和308 m2/kg，其他各項指標(biāo)符合GB175—1999 標(biāo)準(zhǔn)[7］要求。

圖1 砂的顆粒級配曲線

粉煤灰為安陽電廠生產(chǎn)的F-Ⅰ級粉煤灰，經(jīng)檢測符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[8］中Ⅰ級粉煤灰相應(yīng)的質(zhì)量要求，粉煤灰檢測結(jié)果見表1。外加劑為北京世紀(jì)洪雨科技有限公司生產(chǎn)的高效減水劑、復(fù)合防凍劑、引氣劑。外加劑的檢驗項目符合GB 8076—1997《混凝土外加劑》[9］指標(biāo)要求。

混凝土中的總堿含量按照《南水北調(diào)中線工程工程標(biāo)準(zhǔn)-預(yù)防混凝土工程堿骨料反應(yīng)技術(shù)條例-試行中的規(guī)定》執(zhí)行，混凝土中的總堿含量不大于2.5 kg/m3。

表1 粉煤灰物理性能檢測結(jié)果 %

1.2 配合比設(shè)計

為了使混凝土的各項性能達(dá)到設(shè)計和施工的要求，在設(shè)計混凝土配合比時，綜合考慮混凝土的和易性、強(qiáng)度、耐久性、經(jīng)濟(jì)性等方面，按質(zhì)量法設(shè)計混凝土配合比。要求混凝土含氣量控制在4.0% ～6.0%。泵送混凝土的坍落度控制在140～160 mm，C50混凝土的坍落度控制在180～220 mm。粉煤灰等量取代為20%，粉煤灰的超量因數(shù)選1.1～1.2?；炷撩芏仍? 380～2 440 kg/m3，實測值與設(shè)計密度值之差控制在設(shè)計密度值的±2%之內(nèi)。

依據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(DL/T 5330—2005)[10］、《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5144—2001)[11］，混凝土的配制強(qiáng)度按下式進(jìn)行計算

式中，fcu，0為混凝土的配制強(qiáng)度，MPa;fcu，k為混凝土的設(shè)計齡期的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa;t為概率度因數(shù)，依據(jù)保證率P選定，見表2;σ為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，見表3?？紤]到本工程的重要性和復(fù)雜性，C40和C50實際強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ的取值均比表3值增加0.5 MPa。

表2 混凝土配制強(qiáng)度

表3 混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差 MPa

由于該工程近期的同種混凝土強(qiáng)度無統(tǒng)計資料，根據(jù)工程現(xiàn)場的混凝土原材料、混凝土生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)質(zhì)量控制水平等實際情況，其混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ參照《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5144—2001)、《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5052—1996)[12］、《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》[13］等標(biāo)準(zhǔn)取用，見表3，混凝土配制強(qiáng)度列于表4?；炷翉?qiáng)度保證率P選為95.0%，則概率度因數(shù)為1.645。

表4 混凝土配合比及各項性能指標(biāo)

2 試驗結(jié)果分析

全機(jī)制砂混凝土的坍落度和密度、抗壓強(qiáng)度試驗分別依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2002)、《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行?？?jié)B和抗凍試驗依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)進(jìn)行，分別對抗?jié)B試件施加相應(yīng)級別的滲水壓力，測試其滲透情況;對抗凍試件凍融循環(huán)至規(guī)定次數(shù)，測試其相對動彈性模量和質(zhì)量損失率。

經(jīng)測試，混凝土的各項性能指標(biāo)見表4和表5，由表4和表5可知:(1)全機(jī)制砂混凝土的坍落度、密度及抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求;(2)有抗凍和抗?jié)B要求的全機(jī)制砂混凝土的抗凍抗?jié)B性能均達(dá)到了設(shè)計要求。下面依據(jù)試驗結(jié)果分析配合比參數(shù)等因素對混凝土強(qiáng)度的影響。

表5 混凝土抗凍抗?jié)B性能試驗結(jié)果

2.1 灰水比與28 d抗壓強(qiáng)度關(guān)系

不同標(biāo)號機(jī)制砂混凝土灰水比和28 d立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系見表6，由表6可知:各種配合比全機(jī)制砂混凝土的灰水比與28 d抗壓強(qiáng)度基本為線性關(guān)系，28 d抗壓強(qiáng)度隨灰水比的增大而增大。

2.2 砂率與各齡期抗壓強(qiáng)度關(guān)系

砂率對混凝土7 d和28 d立方體抗壓強(qiáng)度的影響分別見圖2和圖3，由表4及圖2和圖3可知:全機(jī)制砂混凝土砂率與各齡期立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式可擬合為一階指數(shù)衰減型曲線，7 d和28 d立方體抗壓強(qiáng)度均隨砂率的增加而降低，其中，7 d的立方體抗壓強(qiáng)度和砂率的一階指數(shù)衰減型關(guān)系式為

式中，y為7 d的立方體抗壓強(qiáng)度，MPa;x為砂率，%。

表6 不同標(biāo)號混凝土灰水比和28 d抗壓強(qiáng)度關(guān)系

28 d的立方體抗壓強(qiáng)度和砂率的一階指數(shù)衰減型關(guān)系式為

式中，y為7 d的立方體抗壓強(qiáng)度，MPa;x為砂率，%。

在表4所示的配合比參數(shù)狀況下，全機(jī)制砂混凝土7 d和28 d均隨砂率增大而降低。這個規(guī)律和文獻(xiàn)[2-3］的研究結(jié)論并不相同，原因在于本次試驗所用配合比各參數(shù)均是變化的，而文獻(xiàn)[2-3］使用的是基準(zhǔn)配合比，只變動單個參數(shù)，研究其對全機(jī)制砂混凝土性能的影響，試驗配合比不同是導(dǎo)致兩者試驗結(jié)果不同的原因。

圖2 砂率和7 d抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

圖3 砂率和28 d抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

2.3 齡期與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

各配合比混凝土強(qiáng)度隨齡期的增長曲線如圖4所示，圖4中的序號與表4中序號一致。由圖4可知:在表4所示配合比條件下，7 d齡期全機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度可以達(dá)到28 d立方體抗壓強(qiáng)度的55% ～84%，其中，C10混凝土的7 d強(qiáng)度增長較慢，為28 d強(qiáng)度的55% ～56%;6組、9組、13～15組的強(qiáng)度增長較快，7 d強(qiáng)度為28 d強(qiáng)度的81% ～84%，其余各組7 d強(qiáng)度為28 d強(qiáng)度的76% ～79%，增長相對較快。

3 結(jié)論與建議

圖4 齡期和抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

3.1 結(jié)論

(1)各種配合比全機(jī)制砂混凝土的灰水比與28 d抗壓強(qiáng)度基本為線性關(guān)系，28 d抗壓強(qiáng)度隨灰水比的增大而增大。(2)全機(jī)制砂混凝土砂率與各齡期立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式可擬合為一階指數(shù)衰減型曲線，在試驗所用配合比條件下，7 d和28 d立方體抗壓強(qiáng)度均隨砂率的增加而降低。但砂率單參數(shù)對全機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響有待于進(jìn)一步試驗研究。(3)C10混凝土的7 d強(qiáng)度為28 d強(qiáng)度的55% ～56%，其余各配合比的混凝土7 d強(qiáng)度為28 d強(qiáng)度的76% ～84%。(4)全機(jī)制砂混凝土的坍落度、密度、抗壓強(qiáng)度、抗凍和抗?jié)B等指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求，能滿足工程應(yīng)用。

3.2 建議

在前期試驗基礎(chǔ)上，建議各設(shè)計指標(biāo)的全機(jī)制砂混凝土配合比按表7選取。

表7 全機(jī)制砂混凝土配合比建議表

(1)所選CFG樁C10混凝土配合比，主要考慮混凝土的和易性、泵送性及滿足配制強(qiáng)度15.8 MPa要求。(2)所選渡槽槽身C40W8F150混凝土配合比，滿足配制強(qiáng)度49.0 MPa要求，滿足GB 50119—2003《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[14］規(guī)定水膠比不大于0.50，滿足抗凍、抗?jié)B性能要求，滿足混凝土拌合物性能要求。(3)所選空心板、鋪裝層C40F200混凝土配合比，滿足配制強(qiáng)度49.0 MPa要求，滿足抗凍性能要求，滿足混凝土拌合物性能要求。(4)所選組合梁、箱梁C50F200混凝土配合比，滿足配制強(qiáng)度59.9 MPa要求，滿足抗凍性能要求，滿足混凝土拌合物性能要求。

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