机制砂在北方海港抗冻混凝土中的应用

娄汉柱，王向宇，魏文强

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116083）

0 引言

大洋厂区1号船坞改造项目位于大连经济技术开发区大孤山半岛西南部大孤山湾内，原规划为修船厂，已经建成投产。为更好满足工厂的生产需求，对1号船坞进行加深改造。本工程为典型北方水运工程，所需大部分混凝土处在浪溅区，对混凝土的工作性能及耐久性能要求较高[1]。然而在大连地区及周边地区很难找到各项指标均符合要求的河砂，并且河砂价格不菲，产源不固定，质量不稳定，难以满足本工程大规模使用需要。故本工程采用机制砂代替河砂进行混凝土配制。

机制砂与天然河砂相比，具有产源丰富、颗粒坚固、日产量高、价格低等优点。机制砂级配可根据实际需要进行调整、基本属于Ⅱ区的中粗砂范围；但以往机制砂与河砂的对比试验中，机制砂配制的混凝土的强度及耐久性未得到验证，同时施工中极易产生离析泌水现象，因此机制砂一直未大规模应用到北方海港抗冻混凝土中。针对上述特点，利用机制砂与河砂分别配制设计强度C35F300P6混凝土，对比其工作性能、物理力学性能、耐久性能进行试验研究，并通过严格规范的施工过程控制，证明机制砂可完全代替河砂应用到大洋厂区1号船坞改造项目的混凝土中。

1 机制砂混凝土配合比设计

1.1 原材料的各项性能指标

1）细骨料

试验用细骨料分为两种，一种为机制砂，一种为普兰店机场附近的天然河砂，试验数据和级配情况如表1和图1所示。试验方法及结果均符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂石质量标准及检验方法》[2]要求。

表1 细骨料试验数据Table 1 Test data of fine aggregate

图1 细骨料级配曲线Fig.1 Fine aggregate gradation curve

2）粗骨料

试验用粗骨料采自七顶山石矿，粒径为5～25 mm，属水成岩石灰石碎石。试验方法及结果均符合《普通混凝土用砂石质量标准及检验方法》要求。

3） 水泥

试验用水泥为大连水泥集团有限公司生产的海鸥牌普通硅酸盐水泥42.5级，其各项试验结果均符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的技术标准。

4）粉煤灰

试验用粉煤灰为大连中科赢歌环保材料研究院股份有限公司生产的II级粉煤灰。其各项试验结果均符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中的Ⅱ级粉煤灰标准要求。

5）减水剂

试验用减水剂为HTY-1型聚羧酸高性能减水剂。其各项试验结果均符合GB 8076—2008《混凝土外加剂规范》要求。

1.2 试验用混凝土配合比设计

配合比设计的基本原则[3]：

1）满足工作性的前提下，选用最小用水量。

2）满足强度、耐久性及其它要求的前提下，选用最合适的水胶比。

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3）保证混凝土拌合物具有良好的黏聚性并达到要求的工作性时，用水量最小的砂率。

通过一系列的试验，选择0.39为最佳水胶比，能够保证混凝土28 d抗压强度符合要求；机制砂和河砂分别选择45%和42%的砂率，能保证混凝土的和易性良好，无泌水及离析现象。确定最终试验用配合比如表2所示。

表2 对比试验用配合比Table 2 Mix ratio for comparison test

2 机制砂混凝土的性能试验及分析

2.1 拌合物工作性

通过试拌表2中试验配合比，发现机制砂混凝土的和易性与河砂混凝土相差不大，在保水性、黏聚性、坍落度和捣实难易程度上基本相同，均无泌水、离析等现象。2 h的坍落度损失及含气量损失情况如表3，均能满足混凝土运距时间1.5 h、到达现场后其工作性能符合施工设计要求[4]。

表3 试拌混凝土的坍落度、含气量在出机及2 h后的数据对比结果Table 3 Comparison results of the slump and air content of trial mixing concrete between the output and 2 h later

2.2 物理力学性能试验分析

分别用机制砂和河砂按照表2的配合比成型150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块，每个配合比成型6组。分别放在4月份的室外（6～25℃），模拟施工现场的养护方法与频率和（20±2）℃标准养护室养护。具体强度情况如表4所示。

表4 各龄期强度结果Table 4 Strength results at various agesMPa

从表4中可以看出相同强度等级、相同水胶比的机制砂混凝土试块在3 d、7 d、28 d室外养护和标养的强度均高于河砂混凝土。主要原因在于机制砂的母材为石灰岩，具有较高的强度和坚固性[5]；机制砂中的石粉含量符合要求时其粒径多在0.016～0.075 mm之间，可以起到微集料效应[6]，能够有效填补混凝土中胶凝材料与骨料之间的空隙，使混凝土更密实，需水量更少。

2.3 耐久性能试验分析

1）抗氯离子渗透性能

根据JTS 202-2—2011《水运工程混凝土质量控制标准》[7]及JTT 275—2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》对海港工程浪溅区混凝土的要求，其抗氯离子渗透性指标不应大于2 000 C。对表2中的C35F300P6配合比成型直径95 mm、厚度51 mm的试块各3组，检测其电通量。试验结果表明机制砂混凝土的抗氯离子渗透性能要好于河砂混凝土。混凝土28 d抗氯离子渗透性能试验数据如图2所示。

图2 混凝土28 d抗氯离子渗透性能Fig.2 Chloride penetration resistance of concrete for 28 d

2）抗冻性能

图3 重量损失率试验数据Fig.3 Weight loss rate test data

图4 相对动弹性模量试验数据Fig.4 Experimental data of relative dynamic elasticmodulus

3）实际施工所表现出的工作性

采用机制砂配制坞墙混凝土施工前，拌合站进行计量校核，校核合格后按照配合比进行称量，保证称量误差符合JTS 202—2011《水运工程混凝土施工规范》的要求，搅拌时间为90 s，搅拌完毕对其出机坍落度和含气量进行试验，分别为210 mm和8%，1.5 h后罐车到达施工现场，浇筑之前，试验员进行取样，测其坍落度和含气量，分别为190 mm和6.5%，成型同条件抗压试块。现场泵送距离最远达40 m，该混凝土的可泵性良好，泵送到指定位置时其和易性依然良好。现场回弹14 d、28 d实体强度，以及同条件试块抗压强度均与设计配合比时的试验强度相符。这表明机制砂混凝土具备与河砂相同的可泵性，且泵送后状态稳定。

同时机制砂混凝土具备更好的抗氯离子渗透性能和抗冻性能，主要原因有以下几点：1）机制砂在生产过程中经过除土环节其含泥量几乎为0%，而其所含的石粉含量在7%～10%时，大大丰富了混凝土的浆量，使硬化后的混凝土中的空隙减少，提高了混凝土的密实性[8]。2）机制砂由石灰岩破碎筛分除土处理后生产出来，其成分多由质地坚硬、表面比河砂粗糙的颗粒组成，机制砂不同粒径的颗粒与粗骨料及胶凝材料之间的摩擦系数较大，这能够保证其与胶凝材料很好的黏结，增加了混凝土的黏聚性。3）机制砂中石粉可以与水泥中的C3A和C4AF发生反应，生成水化碳铝酸钙，而碳铝酸钙可以与其他水化产物相互搭接，使水泥石结构更加密实，从而提高了混凝土的抗氯离子渗透性能和良好的抗冻性能。

3 结语

1）采用机制砂配制的混凝土完全可以代替河砂运用在运距长、施工条件复杂的北方海港抗冻混凝土工程中。

2）根据目前的市场行情，相同运距情况下，机制砂价格至少低于河砂价格的20%，随着河砂资源的枯竭及机制砂制作工艺的不断成熟，此价差将进一步扩大，选用机制砂进行配制混凝土，产生的经济效益还是非常可观的。

3）C35F300P6机制砂混凝土相比河砂混凝土其力学性能，抗氯离子渗透性能及抗冻性能更优。