數(shù)字量化混凝土配合比設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)制砂水工混凝土性能的影響

周明海

(朝陽市喀左縣東哨水利服務(wù)站，遼寧 朝陽 122300)

目前，將機(jī)制砂用于水工混凝土配制的越來越多，而行業(yè)內(nèi)仍以河砂為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定機(jī)制砂的特性[1-2]。機(jī)制砂與天然砂相比具有明顯不同，具體如下：①機(jī)制砂粒形受機(jī)械破碎作用多呈方矩體或三角體，其針片狀含量多，顆粒有棱角且表面較粗糙；②機(jī)制砂具有較大孔隙率，使得用水量和膠凝材料用量偏高，其石粉吸附性好且石粉含量往往較高；③機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)大且級(jí)配不良，中間顆粒等有利于大流態(tài)混凝土和易性的砂粒含量低。因此，為了適應(yīng)砂源的改變必須形成科學(xué)的配合比設(shè)計(jì)方法[3]。

近年來，朱效榮等[4]提出了一種數(shù)字量化配合比的設(shè)計(jì)方法即混凝土數(shù)字化制備技術(shù)，其關(guān)鍵內(nèi)容主要有2點(diǎn)：①混凝土單位體積用水量包括膠凝材料標(biāo)準(zhǔn)稠度含水、粗骨料飽和面干含水和機(jī)制砂壓實(shí)含水；②確定用水量后，通過控制膠凝材料用量及其活性來保證強(qiáng)度要求。因此，文章利用規(guī)范法和數(shù)字量化法設(shè)計(jì)配合比，并對(duì)比了兩種方法配制的水工混凝土耐久性、力學(xué)性能以及和易性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用水泥為大連山水工源生產(chǎn)的P·O 42.5通用硅酸鹽水泥，經(jīng)檢測(cè)水泥樣品的初凝、終凝時(shí)間為195min、300min，標(biāo)稠用水量24.0%，比表面積367.1m2/kg，28d抗折和抗壓強(qiáng)度8.9MPa、50.4MPa。

試驗(yàn)所用粉煤灰為大連恒翔生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，經(jīng)檢測(cè)粉煤灰樣品的細(xì)度模數(shù)22%，需水量比98.0%，28d活性75%，燒失量2.15%。

試驗(yàn)所用礦粉為大石橋市鑫宇生產(chǎn)的S95礦粉，經(jīng)檢測(cè)礦粉樣品的主要技術(shù)指標(biāo)均符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

試驗(yàn)所用機(jī)制砂有劣質(zhì)和優(yōu)質(zhì)兩種類型，經(jīng)檢測(cè)機(jī)制砂樣品的主要技術(shù)指標(biāo)均符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，機(jī)制砂主要技術(shù)指標(biāo)和級(jí)配，見表1。

表1 機(jī)制砂主要技術(shù)指標(biāo)和級(jí)配

試驗(yàn)所用粗骨料為凌海盈信生產(chǎn)的石灰?guī)r人工碎石，骨料粒徑為5～10mm和10～20mm二級(jí)配，混合比例3：7，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《水工混凝土施工規(guī)范》(DLT 5144-2018)要求。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)利用劣質(zhì)和優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂以及兩種配合比設(shè)計(jì)方法配制C30、C45強(qiáng)度等級(jí)的水工混凝土，試驗(yàn)配合比，試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)，見表2。其中，“SZ”、“GF”代表數(shù)字量化法和《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(DL-T 5330-2015)用方法。

表2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì) kg/m3

續(xù)表2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì) kg/m3

試驗(yàn)過程中，水工混凝土擴(kuò)展度、坍落度、抗壓強(qiáng)度以及耐久性能試驗(yàn)嚴(yán)格按照相應(yīng)的國(guó)家規(guī)范執(zhí)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)配合比的影響

水工混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，數(shù)字量化法將水泥用量與強(qiáng)度相結(jié)合確定單位強(qiáng)度所需水泥用量，并以單位強(qiáng)度所需的水泥用量與混凝土的配制強(qiáng)度的乘積計(jì)算所需要的水泥用量[5]。此外，對(duì)于摻合料的取代量利用其活性系數(shù)計(jì)算確定。

對(duì)于單位體積用水量的計(jì)算，數(shù)字量化法將其劃分成骨料和膠凝材料的用水量，前者又細(xì)分成粗骨料和細(xì)骨料用水量，后者是達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度時(shí)膠凝材料的所需用水量。采用機(jī)制砂壓實(shí)含水量計(jì)算細(xì)骨料的用水量，以此解決機(jī)制砂高吸水率問題[6]。理論上混凝土強(qiáng)度不會(huì)受吸在砂開口孔隙中水的影響，而實(shí)測(cè)壓力吸水值涵蓋填充于砂子空隙內(nèi)的水，混凝土強(qiáng)度會(huì)受到這一部分水的影響，所以粗骨料飽和面干含水量就是粗骨料的用水量。

針對(duì)骨料用量的確定，數(shù)字量化法以細(xì)骨料的壓實(shí)密度與1m3粗骨料的空隙體積成績(jī)作為細(xì)骨料用量，利用體積法計(jì)算粗骨料的用量。若粗骨料級(jí)配不合理會(huì)導(dǎo)致混凝土配合比中的粗骨料用量隨強(qiáng)度等級(jí)的增高而減小，膠凝材料用量隨強(qiáng)度等級(jí)的增高而增大，以及混凝土中砂率過大和粗骨料空隙率偏高[7-8]。

2.2 對(duì)混凝土和易性的影響

1)劣質(zhì)機(jī)制砂。通過試配確定兩種配合比的劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土和易性，C30劣質(zhì)機(jī)制砂拌合物和易性，見表3。由表3可知，采用數(shù)字量化法計(jì)算的配合比能夠更快速地配制出符合要求的混凝土，該方法與原材料適應(yīng)性更好。應(yīng)用規(guī)范法設(shè)計(jì)的配合比，需要經(jīng)過多次調(diào)整才能保證拌合物流動(dòng)性，配制的混凝土存在扒底現(xiàn)象，由于吸水率較大用劣質(zhì)機(jī)制砂配制的拌合物具有較大的拌合物經(jīng)時(shí)損失。

表3 C30劣質(zhì)機(jī)制砂拌合物和易性

通過試配確定兩種配合比的C45劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土和易性，C45劣質(zhì)機(jī)制砂拌合物和易性，見表4。結(jié)果顯示，其包裹性和流動(dòng)性較好，但黏度過大。經(jīng)多次調(diào)整，兩種配合比試配出的拌合物均具有一定的流動(dòng)性，但規(guī)范法配制的混凝土存在扒底現(xiàn)象。

表4 C45劣質(zhì)機(jī)制砂拌合物和易性

2)優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂。采用數(shù)字量化配制的C30優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土和易性，C30優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂拌合物和易性，見表5。由表5可知，選用數(shù)字量化法一次性配制的C30優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土工作性良好，無需調(diào)節(jié)就可以達(dá)到要求的拌合狀態(tài)。因此，數(shù)字量化法優(yōu)于規(guī)范法配制的拌合物和易性，但規(guī)范法也達(dá)到了所需的擴(kuò)展度和坍落度要求[9]。

表5 C30優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂拌合物和易性

采用數(shù)字量化配制的C45優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土和易性，C45優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂拌合物和易性，見表6。結(jié)果顯示，選用兩種方法配制的C45優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土和易性良好，狀態(tài)也很好，無需額外調(diào)整就可以達(dá)到所要求的流動(dòng)性。

表6 C45優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂拌合物和易性

綜上分析，采用數(shù)字量化法設(shè)計(jì)的配合比水膠比高、砂率大、機(jī)制砂用量和單位用水量較高，粗骨料用量少。從和易性角度上，數(shù)字量化法配制的水工混凝土具有良好的和易性，特別是對(duì)劣質(zhì)機(jī)制砂具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)；規(guī)范法配制的水工混凝土和易性較差，極易出現(xiàn)泌水和拔底現(xiàn)象。對(duì)于優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂，兩種方法配制的水工混凝土均具有較好的和易性，但用數(shù)字量化法配制的C30優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土和易性更優(yōu)。

2.3 對(duì)力學(xué)性能的影響

1)劣質(zhì)機(jī)制砂。劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土配合比與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，兩種方法配制的劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土強(qiáng)度，見圖1。結(jié)果表明，規(guī)范法配制的水工混凝土3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度高于數(shù)字量化法。用數(shù)字量化法配制的C30、C45水工混凝土28d強(qiáng)度雖然>30MPa、45MPa，但依然小于配制強(qiáng)度，規(guī)范法配制的水工混凝土28d強(qiáng)度明顯大于配制強(qiáng)度。

(a)C30抗壓強(qiáng)度 (b)C45抗壓強(qiáng)度

究其原因，測(cè)定的機(jī)制砂吸水率高于其實(shí)際吸水率是導(dǎo)致規(guī)范法配制的混凝土強(qiáng)度大于數(shù)字量化法的關(guān)鍵原因。對(duì)于砂子攪拌骨料預(yù)濕環(huán)節(jié)，在壓實(shí)過程中不可能排除砂空隙中的所有水分，加之石粉含量高及其吸水作用，特別是劣質(zhì)機(jī)制砂在壓實(shí)時(shí)仍具有較高的空隙率，這些因素都會(huì)提高單位體積用水量，從而降低水工混凝土的強(qiáng)度[10]。

2)優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂。優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土配合比與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，兩種方法配制的優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土強(qiáng)度，見圖2。結(jié)果表明，規(guī)范法配制的水工混凝土3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度高于數(shù)字量化法。用數(shù)字量化法配制的C30、C45水工混凝土28d強(qiáng)度雖然>30MPa、45MPa，但依然小于配制強(qiáng)度，規(guī)范法配制的水工混凝土28d強(qiáng)度明顯大于配制強(qiáng)度。

(a)C30抗壓強(qiáng)度 (b)C45抗壓強(qiáng)度

采用兩種方法配置的優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律與劣質(zhì)機(jī)制砂基本一致，規(guī)范法配制的水工混凝土3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度高于數(shù)字量化法。雖然利用數(shù)字量化法計(jì)算的優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土的水膠比低于劣質(zhì)機(jī)制砂，但由于石粉含量低，優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂的實(shí)際水膠比并不低，用水量雖然少了，但其28d抗壓強(qiáng)度依然能夠達(dá)到配置強(qiáng)度要求[11-12]。

2.4 對(duì)體積穩(wěn)定性的影響

1)劣質(zhì)機(jī)制砂。采用兩種方法配制的C30、C45劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土收縮率，劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土收縮率，見圖3。結(jié)果表明，兩種設(shè)計(jì)方法配制的C30劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土收縮差異不大，究其原因在于拌合物早期失水量和致密性相差較小，雖然數(shù)字量化法設(shè)計(jì)的用水量大，但石粉含量和砂率也較高，實(shí)際水膠比相差不明顯。由于劣質(zhì)機(jī)制砂具有較高的MB值，利用規(guī)范法配制的混凝土和易性較差，很難達(dá)到施工要求。若增大水膠比將顯著降低強(qiáng)度，并引起干縮值較大等突出問題。

(a)C30收縮率 (b)C45收縮率

兩種設(shè)計(jì)方法配制的C45劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土收縮差異較大，規(guī)范法設(shè)計(jì)的混凝土收縮明顯低于數(shù)字量化法，究其原因是數(shù)字量化法的粗骨料用量少而砂率較高，漿骨比明顯偏大，這大大降低了骨料抑制收縮的效應(yīng)，導(dǎo)致規(guī)范法配制的C45混凝土收縮遠(yuǎn)小于數(shù)字量化法。

2)優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂。采用兩種方法配制的C30優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土收縮率，C45優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土收縮率，見圖4。結(jié)果顯示，兩種方法配制的C30優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土收縮基本一致，但其收縮率相較于劣質(zhì)機(jī)制砂混凝土明顯減小，究其原因是拌合物均質(zhì)性及和易性良好，水泥石體積減小，優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖4 C45優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土收縮率

2.5 對(duì)耐久性的影響

1)抗裂性能。采用兩種方法配制的C30、C45劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土抗裂性能，C30、C45劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土裂縫，見表7。從表7可以看出，兩種設(shè)計(jì)方法配制的C30劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土抗裂性能相差不大，數(shù)字量化法配制的混凝土雖然有兩條裂縫，但另一條裂縫較細(xì)，這種結(jié)果與收縮性試驗(yàn)結(jié)果相同。

表7 C30、C45劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土裂縫

此外，規(guī)范法配制的C45劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土首劣時(shí)間晚于數(shù)字量化法。高強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，水工混凝土既受干燥收縮和自生收縮作用產(chǎn)生裂縫，由于試驗(yàn)過程中處于干燥炎熱的環(huán)境下，從而加劇了干燥收縮，由于導(dǎo)熱性較差水工混凝土還會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫，并且雷雨天氣也會(huì)在一定程度上影響開裂性檢測(cè)數(shù)據(jù)[13]。水工混凝土開裂敏感性隨強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大，試驗(yàn)結(jié)果受不可控的試驗(yàn)環(huán)境影響，數(shù)據(jù)分析比較復(fù)雜，未來仍需進(jìn)一步研究環(huán)境條件的控制。

2)抗碳化性能。采用兩種方法配制的C30、C45劣質(zhì)機(jī)制砂和優(yōu)質(zhì)水工混凝土碳化深度，C30、C45劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土碳化值，見表8；C30、C45優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土碳化值，見表9。從表8可以看出，規(guī)范法配制的C30、C45劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土碳化深度明顯小于數(shù)字量化法，雖然兩者的礦渣、粉煤灰摻入比例接近，但石粉含量存在明顯差異，這使得膠凝材料組成明顯不同。所以，可能是由于摻合料的加入降低了混凝土內(nèi)部的堿性，從而使得碳化加速，但數(shù)字量化法配制的水工混凝土強(qiáng)度低于規(guī)范法，這也是其抗碳化能力低于規(guī)范法的另一原因。

表8 C30、C45劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土碳化值

表9 C30、C45優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土碳化值

從表9可以看出，采用劣質(zhì)機(jī)制砂配制的水工混凝土碳化深度要高于優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂，表明使用優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂時(shí)具有更好的致密度?？傮w而言，使用數(shù)字量化法配制的水工混凝土抗碳化性能低于規(guī)范法。

3 結(jié) 論

1)采用數(shù)字量化法配制的水工混凝土包裹性好，不扒底、不泌水、不離析，該技術(shù)對(duì)于配制大流態(tài)低強(qiáng)度等級(jí)劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2)采用規(guī)范法配制的水工混凝土強(qiáng)度明顯高于數(shù)字量化法，利用數(shù)字量化法配制的混凝土28d強(qiáng)度保證率低，而利用規(guī)范法配制的各組試樣抗壓強(qiáng)度具有過大的富裕度。

3)兩種設(shè)計(jì)方法配制的C30水工混凝土抗裂性、收縮性相差不大，但規(guī)范法配制的C45混凝土收縮性小于數(shù)字量化法，規(guī)范法配制的混凝土抗碳化性優(yōu)于數(shù)字量化法?？傮w而言，對(duì)于中低強(qiáng)度劣質(zhì)機(jī)制砂水工混凝土的配制比較適合選用數(shù)字量化法；對(duì)于較高強(qiáng)度混凝土，數(shù)字量化法的抗碳化性能、抗收縮性能較差應(yīng)謹(jǐn)慎選用。