高石粉機(jī)制砂高性能混凝土的制備與工程應(yīng)用

余尚和，周孝軍，梁遠(yuǎn)博，李勝，趙藝程

（1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610041；2.西華大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039；3.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；4.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130）

0 前言

四川省敘永至古藺高速公路（敘古高速）全長(zhǎng)約65.7 km，橋隧比56%，其中橋梁82座，需要C30以上橋梁高性能混凝土約100萬(wàn)m3，對(duì)砂石集料需求量大。敘古高速項(xiàng)目沿線缺少天然砂，若就近外購(gòu)天然砂，其價(jià)格高達(dá)200～300元/m3，且來(lái)源不穩(wěn)定，質(zhì)量不宜控制。但沿線多山，巖石強(qiáng)度高、分布廣，機(jī)制砂的生產(chǎn)利用較方便?？紤]到山區(qū)水資源短缺，同時(shí)環(huán)保部門(mén)禁止洗砂水排放，機(jī)制砂主要采用干法工藝生產(chǎn)，其石粉含量偏高，在10%左右波動(dòng)。GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》規(guī)定，配制C30以上強(qiáng)度等級(jí)混凝土?xí)r，機(jī)制砂中石粉含量不宜超過(guò)10%，但根據(jù)使用地區(qū)和用途，在試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，允許供需雙方協(xié)商確定機(jī)制砂中的石粉含量。

大量研究表明[1-3]，與天然砂中泥粉具有顯著差異，石粉與機(jī)制砂礦物組成、化學(xué)成分一致，其具有填充效應(yīng)，也可起到晶核作用。石粉含量不超過(guò)10%時(shí)，可改善混凝土工作性能，提高混凝土強(qiáng)度[4-6]。而石粉含量過(guò)高時(shí)，制備混凝土?xí)r粘稠度大、工作性能差、易離析泌水、硬化混凝土易開(kāi)裂[7-9]，但含量不超過(guò)15%時(shí)，采取一定的技術(shù)措施，制備的混凝土仍可滿足工程設(shè)計(jì)與施工要求[10]。因此，本文主要針對(duì)敘古高速橋梁工程用機(jī)制砂石粉含量高的特點(diǎn)，通過(guò)配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)、調(diào)整外加劑性能等措施，以制備高石粉含量機(jī)制砂橋梁高性能混凝土，并探討其工作性能、力學(xué)性能與耐久性能，為工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：拉法基P·O42.5水泥，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1；粉煤灰：習(xí)水Ⅱ級(jí)粉煤灰，燒失量7.3%，需水量比100%；細(xì)集料：瀘州石板灘機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.2，石粉含量10%，亞甲藍(lán)MBV值0.5 g/kg；粗集料：瀘州石板灘碎石，粒徑5～25 mm，壓碎值7.4%，針片狀含量4.5%；外加劑：上海三瑞高分子材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，試驗(yàn)用母液、引氣劑（脂肪醇聚胺類）等均由該公司提供；水：自來(lái)水。

表1 水泥的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

按照四川省地方標(biāo)準(zhǔn)DB51/T 1995—2015《機(jī)制砂橋梁高性能混凝土技術(shù)規(guī)程》的方法進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)與制備?；炷涟韬臀镄阅馨碐B/T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，力學(xué)性能依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，耐久性能依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

2 混凝土制備與性能

2.1 確定基準(zhǔn)配合比

采用密實(shí)骨架堆積法進(jìn)行集料組成設(shè)計(jì)，并根據(jù)額定粉體用量的原則要求，對(duì)粉體材料的用量進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)試配、調(diào)整得到C40、C50機(jī)制砂混凝土的基準(zhǔn)配合比見(jiàn)表2。

表2 C40、C50機(jī)制砂混凝土的基準(zhǔn)配合比 kg/m3

2.2 外加劑組分優(yōu)化

按照DB51/T 1995—2015中的技術(shù)路線，采用7%～15%石粉含量的機(jī)制砂制備C40及以上強(qiáng)度等級(jí)混凝土?xí)r，可調(diào)整外加劑降粘組分與引氣組分，改善混凝土和易性。因此，采用630型（固含量35%）和910型（固含量40%）2種降粘型母液，配制相同減水率（25%）的外加劑進(jìn)行試驗(yàn)，優(yōu)選合適的降粘組分。以C40混凝土為例進(jìn)行結(jié)果分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 降粘母液對(duì)C40混凝土性能的影響

由表3可見(jiàn)，910型母液的降粘效果優(yōu)于630型，混凝土拌合物的包裹性、粘聚性以及流動(dòng)性相對(duì)較好，且抗壓強(qiáng)度更高，故確定采用910型降粘母液。

為達(dá)到橋梁高性能混凝土泵送施工要求，在外加劑中摻入適量引氣劑，進(jìn)一步提高混凝土流動(dòng)性[9]。采用910型降粘母液（摻量為外加劑質(zhì)量的28%），并結(jié)合G型保坍母液（摻量為外加劑質(zhì)量的15%）配制基準(zhǔn)外加劑，研究引氣劑對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能與外觀質(zhì)量的影響，以確定引氣劑合適摻量（占外加劑質(zhì)量比），結(jié)果見(jiàn)表4、圖1。

由表4、圖1可知，隨著引氣劑摻量增加，混凝土含氣量持續(xù)增大，但混凝土拌合物的坍落度、擴(kuò)展度先增大后減小，外觀狀態(tài)先變好后變差：引氣劑摻量為0.03%～0.06%時(shí)，混凝土的流動(dòng)性、粘聚性和強(qiáng)度都有較明顯提高，但摻量達(dá)到0.06%后，混凝土拌合物表面小氣泡較多，硬化混凝土表面有明顯氣孔，外觀質(zhì)量欠佳；引氣劑摻量達(dá)到0.09%時(shí)，混凝土含氣量達(dá)到7.1%，拌合物較松散，流動(dòng)性出現(xiàn)劣化，硬化后強(qiáng)度明顯下降，表面氣孔較多。綜合混凝土工作性能、強(qiáng)度與外觀質(zhì)量，確定引氣劑摻量為0.03%。

表4 引氣劑摻量對(duì)C40混凝土性能的影響

圖1 引氣劑摻量對(duì)C40混凝土外觀效果的影響

綜上所述，本研究確定復(fù)合外加劑組分為：910型降粘母液28%，G型保坍母液15%，引氣劑0.03%，為減小混凝土收縮，還摻入占膠凝材料質(zhì)量1.0%的減縮劑。

2.3 混凝土的物理力學(xué)性能

采用上述多功能外加劑，根據(jù)性能要求調(diào)整其摻量，制備得到了C40、C50機(jī)制砂高性能混凝土，其配合比與物理力學(xué)性能如表5所示。

表5 混凝土配合比與物理力學(xué)性能

由表5可見(jiàn)，混凝土拌合物粘聚性與包裹性較好，坍落度達(dá)220 mm、擴(kuò)展度560～575 mm，具有很好的流動(dòng)性。C40、C50混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別為55.1、64.6 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 耐久性測(cè)試

為分析高含量石粉與復(fù)合外加劑對(duì)混凝土耐久性的影響，對(duì)制備的C40、C50橋梁高性能混凝土的干縮、抗裂、抗?jié)B、抗凍、抗碳化與抗硫酸鹽侵蝕等耐久性指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表6所示。

表6 混凝土耐久性能測(cè)試結(jié)果

由表6可見(jiàn)，混凝土的28 d干燥收縮率均小于3.5×10-4，體積穩(wěn)定性好；抗裂等級(jí)均超過(guò)Ⅲ級(jí)，達(dá)到Ⅳ級(jí)，抗裂性能優(yōu)異；56d電通量分別為 824、756C，符合 JGT/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅳ級(jí)的要求（＜1000 C）；抗凍等級(jí)大于F300，抗硫酸鹽等級(jí)大于KS120，滿足設(shè)計(jì)要求；28 d碳化深度最大為1.1 mm，抗碳化性能好。

3 工程應(yīng)用

制備的高石粉含量機(jī)制砂高性能混凝土不僅工作性能與力學(xué)性能好，同時(shí)具有很好的耐久性，滿足橋梁結(jié)構(gòu)混凝土施工和設(shè)計(jì)要求，在敘古高速橋梁工程的墩柱、箱梁、預(yù)制T梁等構(gòu)件中（見(jiàn)圖2），有效解決了高石粉含量機(jī)制砂制備混凝土易離析泌水、過(guò)度粘稠、泵送性能差和硬化混凝土易收縮開(kāi)裂、外觀質(zhì)量差等問(wèn)題，保證了高石粉含量機(jī)制砂的應(yīng)用，緩解了工程建設(shè)集料供需矛盾，降低了工程成本，提高了橋梁安全性與耐久性。

圖2 高石粉含量機(jī)制砂高性能混凝土在敘古高速橋梁工程應(yīng)用狀況

4 結(jié)論

（1）優(yōu)化外加劑降粘組分和引氣劑摻量可以提高混凝土工作性能與力學(xué)性能：910型降粘母液可以提高混凝土拌合物包裹性與和易性；引氣劑摻量為0.03%時(shí)能有效改善混凝土拌合物工作性能和硬化混凝土外觀效果，同時(shí)也能提高混凝土強(qiáng)度。

（2）針對(duì)敘古高速公路工程機(jī)制砂石粉含量約為10%的現(xiàn)實(shí)狀況，提出了高石粉含量機(jī)制砂混凝土的制備方法，制備出工作性能、力學(xué)性能與耐久性優(yōu)良的C40、C50高性能混凝土，并應(yīng)用于實(shí)際橋梁工程，工程效果良好。