機制砂混凝土配合比設(shè)計與力學性能研究

韓富慶1， 梁曉東， 曾雄鷹 ， 鄧軍華

(1.廣東云茂高速公路有限公司，廣東 廣州 510000; 2.湖南聯(lián)智科技股份有限公司， 湖南 長沙 410200)

0 引言

混凝土性能與其配合比密切相關(guān)，砂為混凝土的主要原材料之一 ，包括天然砂和機制砂2大類。傳統(tǒng)混凝土用細集料以天然砂為主，但受到以河沙為主的自然資源的限制和過量開采對自然環(huán)境的影響等，機制砂作為一種新的建設(shè)原材料得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。機制砂與天然砂的相比，在粒型、顆粒級配、石粉含量等方面存在著很大的區(qū)別，使得機制砂混凝土的配制和性能與天然砂的相比存在一定的差異。目前，對提高機制砂混凝土工作性能的研究主要集中于改善機制砂的特性和優(yōu)化配合比等方面[4-9]，相關(guān)的研究主要集中于石粉含量[10-13]、外加劑[14]、水膠比[15-16]等對機制砂混凝土性能的影響。

云浮至茂名高速公路是粵西山區(qū)和北部灣北部地區(qū)通往珠三角地區(qū)的一條重要經(jīng)濟干線，由于屬于山區(qū)高速公路，該地區(qū)天然河砂資源匱乏，運距遠，價格高，且質(zhì)量參差不齊。為緩解云茂高速建設(shè)過程中天然砂資源緊張的供應(yīng)關(guān)系，本文對當?shù)厮淼蓝丛蛶r石資源生產(chǎn)的機制砂，開展了一系列混凝土配合比設(shè)計研究工作，為機制砂混凝土在云茂高速公路應(yīng)用提供理論支撐，并為機制砂混凝土配合比的設(shè)計提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 主要原材料

1) 水泥：青州水泥(云浮)有限公司生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥。

2) 細集料：石粉含量為9.6%的花崗巖機制砂，其主要性能指標見表1。

3) 河砂：細度模數(shù)為2.7。

4) 粗集料：花崗巖為5～10 mm、10～20 mm這2種級配，比例為m(5～10 mm)∶m(10～20 mm)=30%∶70%，壓碎值為8.5%。

5) 外加劑：聚羧酸高性能外加劑。

2 試驗方案及配合比

2.1 石粉含量

機制砂混凝土配合比的設(shè)計流程、混凝土配制強度的確定、膠凝材料和砂石骨料用量的計算等，均按照GDJTG /T B01—2017《廣東省公路工程機制砂水泥混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進行[18]。為了探究機制砂不同石粉含量與砂率對強度的影響，本文選取了石粉含量為9.6%和6.0%的2種機制砂，在相同的水泥用量、用水量和外加劑用量的情況下，僅對砂率進行調(diào)整，分別從35%和37%依次增加2%，各配置5組進行對比分析。具體試驗數(shù)值如表2所示。

表2 不同石粉含量對C30機制砂混凝土性能的影響編號石粉含量/%砂率/%材料用量/(kg·m-3)水泥砂碎石水外加劑坍落度/mm擴展度/mm工作狀態(tài)描述強度/MPa7 d28 dA-19.6354166401 1891754.16195450離析、泌水33.838.2A-29.6374166771 1521754.16210510輕微泌水38.845.3A-39.6394167131 1161754.16220530工作性良好40.346.1A-49.6414167501 0791754.16205490稍粘、流動性差40.148.5A-59.6434167881 0411754.16175380粘稠、無流動性39.546.9A-66.0374166771 1521754.16205430離析、泌水31.635.2A-76.0394167131 1161754.16195420石子露出34.242.5A-86.0414167501 0791754.16200460包裹性好、流動度差36.745.1A-96.0434167881 0411754.16210510工作性良好37.546.8A-106.0454168231 0071754.16185430稍粘、無流動性37.144.6

2.2 單位用水量

為了探究單位用水量對機制砂混凝土工作性能和強度的影響，本文分別在C30和C50這2種機制砂混凝土配合比中，均保持水泥用量不變，逐漸提高單位用水量，使水膠比依次增大，各測得5組數(shù)據(jù)進行對比分析。具體試驗數(shù)值如表3所示。

表3 不同單位用水量對機制砂混凝土性能的影響編號強度等級細集料類型水膠比材料用量/ (kg·m-3)水泥砂碎石水外加劑坍落度/mm擴展度/mm工作狀態(tài)描述強度/MPa7 d28 dB-10.404167181 1211654.16165380粘稠、無流動度45.651.7B-20.414167161 1181704.16175410粘稠、流動性差44.853.2B-3C30機制砂0.424167141 1151754.16215510和易性最佳41.348.8B-40.434167111 1131804.16220560流動性好、輕微泌水38.547.2B-50.444167091 1101854.16215520離析、泌水36.644.3B-6河砂0.404167171 1191684.16225580包裹性好、流動性好39.746.9B-70.314976691 1401547.95170350粘稠、無流動度58.266.4B-80.324976671 1371597.95185400粘稠、流動度差60.167.7B-9C50機制砂0.334976651 1341647.95215530稍稠、流動度好57.465.1B-100.344976631 1311697.95220580和易性最佳56.162.0B-110.354976611 1281737.95--離析、泌水,出現(xiàn)抓底現(xiàn)象50.556.6B-12河砂0.314976691 1401546.96210610包裹性好,流動性好57.561.3

2.3 外加劑

外加劑是混凝土中重要的添加材料，對混凝土的性能往往能起到關(guān)鍵性作用，本文針對機制砂高標號混凝土重、稠、粘的特點，在C50機制砂混凝土配合比中，保持水泥用量、砂率、單位用水量及外加劑摻量均不變，只改變外加劑成分，測得4組數(shù)據(jù)進行對比分析，探究不同外加劑配方對C50混凝土性能的影響。具體試驗數(shù)值如表4所示。

表4 外加劑不同成分對C50機制砂混凝土性能的影響編號水泥用量/(kg·m-3)砂率/%用水量/(kg·m-3)外加劑摻量/%坍落度/mm擴展度/mm工作狀態(tài)描述外加劑成分/(kg·t-1)強度/MPa減水母液保坍母液葡萄糖酸鈉消泡劑引氣劑降粘劑纖維素醚7 d28 dC-1497371641.6195530嚴重泌水、粘稠、重、包裹性差、無流動性30015050————58.367.1C-2497371641.6205570輕微泌水、粘度適中、包裹性稍好、流動性良300150500.10.03——56.465.7C-3497371641.6230630粘度適中、包裹性好、流動性好280150500.10.0340—52.360.4C-4497371641.6220610粘度稍稠、包裹性好、流動性好315150500.10.03—0.0258.564.6

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 石粉含量對機制砂混凝土砂率選取的影響

由于機制砂中石粉含量的存在，使機制砂混凝土中的粉體體系演變成了“膠凝材料+石粉”，因此機制砂混凝土中砂率的改變會直接影響到混凝土的需水量和漿體量，會對混凝土的工作性能、強度、耐久性等方面產(chǎn)生影響。表2表示摻加9.6%和6.0%石粉含量的2種機制砂，在保持相同的水泥用量及用水量條件下取不同砂率的混凝土配合比和性能。試驗結(jié)果和分析如下：

1) 從表2可以看出砂率與石粉含量的影響關(guān)系，機制砂最佳砂率的選取與機制砂中石粉含量有關(guān)，隨著石粉含量的增加，砂率的選取應(yīng)適當減小。當機制砂石粉含量為9.6%時，C30混凝土的最佳砂率為39%;當機制砂石粉含量為6.0%時，最佳砂率為43%。另外，當機制砂混凝土的砂率超過最佳砂率后，混凝土拌合物容易變得粘稠，坍落度、擴展度開始下降。主要原因為砂率的提高，增加了混凝土中含粉量，使需水量增加，混凝土塑性黏度增大，對拌合物的流動度產(chǎn)生不利影響。

圖1 砂率和石粉含量對混凝土強度的影響

2) 圖1為不同石粉含量下砂率對強度的影響。從圖1可以看出，隨著砂率的提高，混凝土強度出現(xiàn)了一定的增長，當砂率超過某一限值后開始出現(xiàn)不同程度地下降。主要原因為：機制砂顆粒表面粗糙、多棱角、孔隙率大，與河砂相比配置的混凝土需要更多的砂漿包裹于集料表面。當砂率較低時，集料的總比表面積偏低，漿體水粉比過大，導(dǎo)致混凝土拌合物嚴重離析、泌水，混凝土硬化后內(nèi)部存在較多的缺陷，因此混凝土的強度偏低。隨著砂率的提高，混凝土中石粉含量增大，漿體總量增多，彌補了混凝土中漿體數(shù)量不夠的缺陷，同時石粉顆粒的“微集料效應(yīng)”和“填充效應(yīng)”增加了混凝土界面過渡區(qū)的密實度，從而提高了混凝土的強度。當砂率超過某一限值后混凝土強度出現(xiàn)下降，一方面，雖然增加了拌合物漿體量，但拌合物體系中的粉體含量過多，致使需水量增加，混凝土的工作性能出現(xiàn)下降；另一方面，混凝土體系中過多的漿體量，使得包裹骨料的漿體層厚度增加，骨料間的嚙合作用下降，且由于石粉的活性相對較低，過高的石粉含量減弱了骨料間的黏結(jié)力，因此混凝土強度降低。

由以上分析可以看出，機制砂的石粉含量會影響到混凝土漿體量、拌合物的黏滯性和抗壓強度。因此用機制砂進行混凝土配合比設(shè)計時，最佳砂率的選取除了考慮機制砂細度模數(shù)、顆粒級配的影響外，還應(yīng)充分考慮到石粉含量的影響，不能千篇一律地認為機制砂的砂率應(yīng)該較河砂的高出2%～4%，而應(yīng)根據(jù)機制砂的細度模數(shù)、顆粒級配、石粉含量等特性通過試驗確定。在機制砂的生產(chǎn)過程中，應(yīng)加強對機制砂石粉含量的控制，當石粉含量發(fā)生顯著變化時，應(yīng)及時對砂率進行調(diào)整。

3.2 單位用水量的選取

機制砂顆粒表面粗糙、多棱角，同時又含有一定量的石粉，配置的混凝土在強度方面比天然河砂的高，且往往比設(shè)計強度高出許多，但在工作性能上比天然河砂粘稠許多。因此，可以充分利用這部分富余的強度，適當提升混凝土的單位用水量，雖然強度會有所降低，但可以使拌合物的粘稠度降低、流動度增加，大大改善混凝土的工作性能。表3表示分別在C30、C50機制砂混凝土配合比中，保持水泥用量不變，提高單位用水量，探究水膠比對機制砂混凝土工作性能和強度的影響。圖2為2種機制砂混凝土中不同水膠比對強度的影響。從試驗結(jié)果可以看出：

1) 河砂與機制砂混凝土需水量的關(guān)系。河砂由于顆粒比較光滑，自身的內(nèi)摩擦力小，在混凝土中顆粒間絞合力較??；而機制砂表面粗糙，棱角多，在混凝土中顆粒間絞合力較大，同時又含有一定量的石粉，因此在配置混凝土時河砂對水的需求量相對機制砂要小。這一試驗結(jié)論與表3結(jié)果相吻合，9.6%石粉含量的機制砂配置的混凝土與河砂混凝土坍落度相接近時，C30機制砂混凝土用水量比河砂的高12 kg/m3，C50機制砂混凝土用水量比河砂的高10 kg/m3。

圖2 水膠比對強度的影響

2) 從表3可以看出用水量對機制砂混凝土工作性能的影響，對于C30、C50機制砂混凝土，用水量增加7～15 kg/m3后，混凝土和易性得到明顯改善，粘稠度有所降低,流動性明顯提高。從試驗現(xiàn)場情況來看，混凝土的施工工作性能好，具有較好的泵送性能。但當機制砂混凝土用水量接近最佳用水量后，繼續(xù)增加5～10 kg/m3的用水量，混凝土拌合物狀態(tài)變化急劇，容易離析、泌水，表現(xiàn)出對水的高度敏感性。因此，實際工作中，混凝土攪拌站應(yīng)對機制砂的含水率進行及時檢測，避免由于含水率的不準確而造成機制砂混凝土的離析、泌水，影響施工質(zhì)量。

3) 從表3和圖2可以看出用水量對機制砂混凝土強度的影響，C30、C50機制砂混凝土的抗壓強度都比較高，用水量在河砂的基礎(chǔ)上提高10～15 kg/m3時，水膠比相應(yīng)地提高0.02～0.03，混凝土的28 d抗壓強度僅下降3～5 MPa，仍高于河砂混凝土強度，均滿足設(shè)計要求。

綜上所述，由于機制砂混凝土的強度高于天然河砂混凝土的，同等水膠比條件下強度明顯富余充足，因此進行配合比設(shè)計時，在保持膠凝材料不變的情況下，用水量可以在河砂的基礎(chǔ)上適當提高7～15 kg/m3，其強度仍能滿足設(shè)計要求，并能讓混凝土拌合物達到良好的工作性能。

3.3 外加劑各組分對機制砂混凝土性能的影響

表4表示不同外加劑配方對C50混凝土性能的影響，試驗結(jié)果及分析如下：

1) 聚羧酸減水劑采取減水母液、保坍母液加緩凝劑的復(fù)配形式，拌制的機制砂混凝土和易性差、容易離析、泌水、流動性差，而且混凝土過重，難以滿足施工要求。從經(jīng)驗上來說，減水母液加保坍母液復(fù)配的混凝土外加劑對水比較敏感，實際生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)泌水嚴重的情況。特別是當機制砂采用濕法生產(chǎn)工藝時，一方面由于濕法生產(chǎn)的機制砂粉料顆粒相對較少，混凝土更容易離析、泌水;另一方面，濕法生產(chǎn)的機制砂含水率波動比較大，混凝土離析、泌水的可能性更大。

2) 外加劑中復(fù)配引氣劑，能夠在混凝土中引入大量均勻分布的微氣泡，增加漿體的數(shù)量，改善混凝土的包裹性能。同時這些氣泡能夠在混凝土中起到類似滾珠的作用，降低混凝土的摩擦阻力，改善混凝土的流動性能。但是，過量的含氣量會降低混凝土的抗壓強度。因此，在復(fù)配引氣劑時應(yīng)充分考慮機制砂混凝土強度的富余值，可以通過“犧牲”部分強度富余值來換取混凝土和易性的改善。

3) 機制砂混凝土具有黏度大、屈服應(yīng)力高、可泵性能差的特點，為此市場上出現(xiàn)了許多混凝土降粘劑，用以改善機制砂混凝土的性能。從本文研究結(jié)果來看，降粘劑能夠降低減水母液的用量，從而降低外加劑的固含量，同時能夠有效降低拌合物的粘度，增加混凝土的流動性能，對混凝土7 d和28 d抗壓強度均有一定的負面影響，28 d抗壓強度與基準混凝土相比下降了6.7 MPa，但能滿足設(shè)計要求，因此在實際使用時其用量應(yīng)通過試驗確定。

4) 為改善機制砂混凝土容易離析、泌水的缺點，本文研究了纖維素醚對C50機制砂混凝土性能的影響，結(jié)果表明:纖維素醚能夠有效改善機制砂混凝土泌水的情況，但會對混凝土的流動性造成一定的損失。因此在使用其作為增稠劑時，應(yīng)適當提高減水母液的含量，以彌補纖維素醚的增稠效果對減水率的損失。在對強度影響方面，摻入適量的纖維素醚對機制砂混凝土的早期強度影響不大，但后期強度會有一定程度的降低，不過總體而言影響不大。

4 結(jié)論

本文通過對一系列關(guān)于機制砂混凝土的試驗研究工作，針對機制砂混凝土的工作性能開展試驗分析，并與河砂混凝土進行對比，得出以下結(jié)論：

1) 機制砂的砂率對混凝土的工作性能和強度會造成較大影響，因此砂率的選取，除了需要考慮機制砂的顆粒級配、細度模數(shù)外，還應(yīng)充分考慮石粉含量的影響。對于C30混凝土,石粉含量為9.6%時，最佳砂率為39%；石粉含量為6%時，最佳砂率為43%。

2) 同等條件下，機制砂配置的混凝土強度高于河砂的，且較設(shè)計強度富余較多。因此，在進行機制砂混凝土配合設(shè)計時，用水量可在河砂的基礎(chǔ)上增加7～15 kg/m3，使混凝土達到較好的工作狀態(tài)，強度僅下降3～5 MPa，仍能滿足設(shè)計要求。

3) 機制砂混凝土需設(shè)立專門的外加劑，宜通過消泡劑、引氣劑、降粘劑、保塑劑等小料復(fù)配技術(shù)，對混凝土的性能進行優(yōu)化，使機制砂混凝土滿足實際生產(chǎn)和設(shè)計要求。