混合砂对C55地铁混凝土耐久性的影响及机理分析

曹亮

（福建东南铁正工程质量检测有限公司，福建 福州 350019）

混合砂对C55地铁混凝土耐久性的影响及机理分析

曹亮

（福建东南铁正工程质量检测有限公司，福建 福州 350019）

本文通过对福州地铁长乐段某标段 C55 混凝土配方设计试验数据，探讨了运用于有氯盐环境机制砂混凝土配合比技术要求及混凝土特性。通过 RCM 法、电通量法、抗硫酸盐侵蚀系数法、静力受压弹性模量试验法及抗压强度法等方式，测试机制砂与天然河砂通过不同掺配比例设计的混凝土配合比，发现机制砂石粉含量在 10%以内时，随着机制砂掺量的增加（石粉含量也相应的增加），电通量、氯离子扩散系数值相应降低，抗硫酸盐侵蚀系数、静力受压弹性模量、抗压强度相应增大。经试验论证后的机制砂混凝土成功运用在有氯盐环境的福州地铁长乐段某标段 C55 混凝土中。

机制砂；石粉；混凝土；耐久性能

1 概述

作为混凝土重要组成部分的细集料——天然河砂资源日益短缺，为避免过度开采、滥采，影响生态以及江河防洪堤、航运和桥梁使用安全，有必要通过推广应用机制砂满足建设工程用砂。

机制砂在粒状、级配等方面与河砂有明显的区别，并且含有大量粒径小于 0.075mm 的“石粉”，其性状与“泥粉（河砂中粒径小于 0.075mm 的颗粒）”几乎完全不同。近年来，随着对混凝土研究的不断深入，严格控制机制砂质量，合理调整配合比，机制砂越来越多地运用于各个重点工程的混凝土中，适量的石粉反而对机制砂混凝土的工作性、强度及耐久性有增强作用。

福州是一个沿海城市，很多重要基础设施，如跨海大桥、堤坝等海工建筑物，以及在建的地铁项目，所用的混凝土都需要有较高的抗氯离子侵蚀能力。因此，开发合格的、具有较好的抗氯离子渗透性能等耐久性能的机制砂混凝土是十分必要的。本文根据对福州地铁长乐段某标段 C55 混凝土配比方案试验，讨论机制砂不同配比在有氯盐环境下混凝土耐久性表现特性。

2 混合砂配比试验

2.1 混凝土耐久性设计方案

TB 10424—2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》对不同环境作用等级和不同使用年限的混凝土最低强度等级、最大水胶比及单方胶凝材料最低用量都做了一系列规定。氯盐环境下重要的配筋混凝土工程，宜在设计中提出混凝土抗氯离子侵入性的指标作为混凝土耐久性质量控制标准之一。可通过 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中：

（1）快速氯离子迁移系数法（或称 RCM 法）测得氯离子扩散系数 DRCM值；

（2）测定通过混凝土试件的电通量，确定混凝土抗氯离子渗透能力。

根据标准及笔者的工作经验，本文所要研究的配合比技术指标要求如下：

（1）氯盐环境下的配筋混凝土应采用大掺量或较大掺量矿物掺合料的低水胶比混凝土。

（2）RCM（56d）≤3.0×10-12m2/s。

（3）电通量（56d）≤1000C。

（4）胶材方面：宜复合使用粉煤灰加矿渣或两种以上的矿物掺合料，尽可能避免使用早强水泥和 C3A含量偏高的水泥，为了提高抗渗性能，宜掺入优质粉煤灰（≥Ⅱ级灰）等超细矿物掺合料，以控制混凝土初期开裂与收缩裂缝，以确保结构混凝土自防水性能。

（5）集料方面：选用坚固耐久、级配合格、粒形良好的洁净骨料，粗骨料最大粒径不宜大于 30mm，且不应大于钢筋骨架最小净间距的 3/4，宜采用 5～25mm粒径。骨料应满足骨料级配和粒形的要求，并应采用单粒级石子两级配，不得采用碱活性骨料，骨料的碱—硅酸盐反应砂浆棒膨胀率或碱—碳酸盐反应岩石柱膨胀率小于 0.10%，细骨料在开采、运输、堆放和使用过程中，应采取防止遭受海水污染或混用海砂的措施。

2.2 试验原材料

（1）水泥：福州台泥水泥有限公司生产的 P·Ⅱ52.5 水泥。

（2）天然砂：产地福州闽江。

（3）人工砂：产地福州长乐。

（4）碎石：产地福州长乐，采用 5～10mm 和10～25mm 混合的二级配反击破碎石。

（5）粉煤灰：三友兄弟（福建）非金属有限公司生产的 F 类 Ⅰ级粉煤灰。

表 1 骨料性能指标检验

表 2 胶凝材料性能指标检验

（6）减水剂：西卡河北建筑材料有限公司生产的型号为 HPWR-A 的高性能减水剂。

（7）矿渣粉：福建源鑫环保科技有限公司生产的S95 型矿粉。

（8）拌合用水为自来水。

原材料检验数据如表 1 和表 2。

表 1 与表 2 检验数据均符合混凝土耐久性指标及TB 10424—2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》要求，可以用于有氯盐环境要求的 C55 地铁混凝土设计。

2.3 试验结果及分析

在其他原材料用量一定的前提下，通过机制砂与河砂不同掺配比例设计配合比，使用 RCM 法、电通量法、抗硫酸盐侵蚀系数法、静力受压弹性模量试验法及抗压强度法等方式检测不同掺配比例混合砂对混凝土耐久性的影响。

各配合比如表 3 所示。

表 3 根据砂的不同掺配比例设计的配合比 kg/m3

根据不同掺配比例的混合砂设计的配合比进行试验，试验数据如表 4。

表 4 不同掺配比例砂的混凝土数据检验指标

（1）不同掺配比例的混合砂对混凝土抗压强度的影响，如图 1。

图 1 不同掺配比例砂的混凝土各龄期强度

根据 GB/T 14684—2011《建设用砂》要求，当机制砂 MB＜1.4 时，用于混凝土中机制砂石粉含量不应大于 10%。因而本次机制砂石粉含量控制在 10% 以内，检验结果为 8.1%。由图 1 可以发现，随着机制砂掺量增多（石粉含量也随之增加），强度也随之提高，因为：1）石粉颗粒较细，对混凝土结构有一定的填充作用，可以有效填充混凝土内部颗粒孔隙，改变了混凝土孔隙结构，使硬化后机制砂混凝土结构更加致密；2）石粉具有活性，在水化过程中可与水泥发生反应，生成使混凝土更加密实的碳铝酸盐，提高了混凝土强度。

（2）不同掺配比例的混合砂对混凝土电通量或氯离子迁移系数的影响，如图 2、图 3。

图 2 不同掺配比例砂的混凝土电通量值

图 3 不同掺配比例砂混凝土的氯离子扩散系数值

从图 2、3 数据可以看出，随着混合砂中机制砂比例不断提高（石粉含量随之提高），电通量与氯离子扩散系数不断减小，因为石粉的填充效应可以增加混凝土密实度，减少毛细孔数量和界面泌水率，同时，由于机制砂表面棱角较多，从而增强了浆体与机制砂表面的粘结力，从而提高了混凝土的密实度，提高了混凝土抗氯离子能力。

（3）不同掺配比例的混合砂对混凝土弹性模量的影响，如图 4。

图 4 不同掺配比例砂混凝土的弹性模量值

从图 4 数据可以看出，随着机制砂比例不断提高，石粉含量也随之增大，弹性模量也随着增大，因为混凝土弹性模量不仅与混凝土强度有关，还与混凝土受压变形量有关，由于机制砂表面比河砂粗糙，从而可以提高浆体与集料表面的粘结力，颗粒之间机械齿合力强，降低变形量，进而增大弹性模量。

（5）不同掺配比例的混合砂对混凝土抗蚀系数的影响，如图 5。

图 5 不同掺配比例砂混凝土的抗蚀系数值

由图 5 数据可以看出，随着混合砂在混凝土中掺配比例不断提高，抗蚀系数呈微弱增大趋势，因为水泥混凝土硫酸盐侵蚀是一个复杂的物理化学过程，混凝土组分因侵蚀而发生变化，一些学者认为，硫酸钠对含有石粉的混凝土的侵蚀破坏，主要是因为钙矾石和石膏的生成及膨胀导致混凝土试件破坏，造成混凝土强度降低，硬化水泥中的水化产物与反应生成钙矾石晶体，这种晶体填充在混凝土试件内部的空隙中，并且不断膨胀体积，随着反应的进行，钙矾石晶体在试件内部的空隙里不断积累，毛细管中的晶体压力不断增大，由此产生的压力发展到一定程度，会使局部发生断裂，开裂处形成新的表面，颗粒脱落，会导致混凝土强度降低，质量降低；而破坏的人工砂中钙矾石晶体明显少于河砂中的晶体，进一步验证了人工砂混凝土抗硫酸盐侵蚀强于河砂混凝土。

3 结论

（1）机制砂石粉量在 10% 以内，在混合砂中，随着机制砂比例不断提高（石粉随着提高），直至提高到完全掺配机制砂，混凝土抗压强度有增大趋势。

（2）机制砂石粉量在 10% 以内，在混合砂中，随着机制砂比例不断提高（石粉随着提高），直至提高到完全掺配机制砂，混凝土氯离子扩散系数和电通量呈降低趋势。

（3）机制砂石粉量在 10% 以内，在混合砂中，随着机制砂比例不断提高（石粉随着提高），直至提高到完全掺配机制砂，混凝土弹性模量有增大趋势。

（4）机制砂石粉量在 10% 以内，在混合砂中，随着机制砂比例不断提高（石粉随着提高），直至提高到完全掺配机制砂，石混凝土抗蚀系数呈微弱增大趋势。

（5）本文通过机制砂与河砂的不同掺配比例，重点研究了对混凝土抗压强度、电通量、氯离子扩散系数、抗蚀系数及弹性模量等性能指标的影响，发现随着机制砂掺配比例不断的提高，混凝土各项性能指标都有显著提升，当达到全部掺配机制砂时，配合比的各项性能指标较各种掺配比例为最优，并且该配合比成功运用于福州地铁六号线长乐段某标段。

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曹亮（1985—），男，工程师，本科，主要从事混凝土配合比设计研究。

［通讯地址］福州市仓山区螺洲镇杜园村 6 号 福建东南铁正工程质量检测有限公司（350019）