机制砂高性能桥梁混凝土的设计与性能研究*

周 望 张高展 杨 军 丁庆军

(1.南京市公共工程建设中心 南京 210008；2.安徽建筑大学材料与化学工程学院 合肥 230601；3.安徽省先进建筑材料工程实验室 合肥 230022; 4.武汉理工大学材料科学与工程学院 武汉 430070)

近年来，伴随我国基础设施建设的大力推进，混凝土用砂量日益增加。同时，基于生态环境保护的要求，大部分地区出台了天然砂禁采的法令，使得施工用砂的缺口越来越大，施工成本也越来越高。因此，全面推广机制砂的应用也成为了建筑行业的共识。

机制砂是指通过制砂机和其他附属设备将碎石或卵石加工而成的人工砂，成品质量更加可控、原材料来源更加广泛，符合建筑行业可持续发展的需要[1-5]。然而，机制砂颗粒尖锐、多棱角、表面粗糙，且通常石粉含量较高，其外加剂吸附量大，颗粒易团聚，导致混凝土和易性差，泵送困难、收缩开裂风险增大。基于上述原因，机制砂通常用于低标号的普通混凝土中。另一方面，用作桥梁结构材料的混凝土，通常要求其必须具备易泵、高强、高耐久等特性。因此，机制砂在桥梁结构等高性能混凝土中应用较少。

针对以上问题，本文通过探究胶凝材料组成、砂率、功能组分、石粉含量对机制砂高性能混凝土工作性能和力学性能的影响，设计制备一种C60机制砂高性能桥梁混凝土，并研究其体积稳定性能和耐久性能。研究成果已成功应用于泸州叙古高速桥梁工程。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥为某公司产P·O 42.5，粉煤灰为武汉某电厂产I级粉煤灰，比表面积为454 m2/kg，矿粉为某公司产S95级高炉矿渣粉，比表面积为414 m2/kg；水泥、粉煤灰和矿粉的化学组成见表1；膨胀剂采用高效复合型膨胀剂，0.08 mm筛余6.2%，实测活性160 s；粗集料为市售5～25 mm连续级配碎石，压碎值8.3%；细集料为泸州产机制砂，细度模数为2.63，石粉含量为11%；减水剂为江苏博特产聚羧酸型高效减水剂，减水率27%；水为自来水。

表1 原材料化学组成

1.2 试验方法

混凝土工作性能试验依据GB/T 50080-2016 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行；混凝土力学性能试验依据GB/T 50081-2019 《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行；混凝土耐久性能试验依据GB/T 50082-2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行。

2 试验结果与讨论

2.1 C60机制砂高性能桥梁混凝土的设计与制备

基于富余浆体理论及密实骨架堆积原理，设定水胶比0.29，并结合桥梁工程实践经验，设定C60机制砂高性能桥梁混凝土的基准配合比为：水泥458 kg/m3，粉煤灰62 kg/m3，机制砂665 kg/m3，碎石1 105 kg/m3，聚羧酸减水剂掺量为1.4%，其工作和力学性能见表2。

表2 基准配合比C60机制砂高性能桥梁混凝土的工作和力学性能

由表2可知，基准配合比混凝土拌合物的初始工作性能及力学性能均满足桥梁结构混凝土的施工要求。但是，静置2 h后，坍落度/扩展度经时损失较大，混凝土保塑性能较差，这主要是由于机制砂中石粉含量较高(11%)，对聚羧酸减水剂的吸附量大导致的。同时，由表2还可看出，采用基准配合比的混凝土早期强度增长正常，但后期强度增长不足，28 d抗压强度刚好满足C60混凝土的要求，这可能是由于机制砂石粉含量较高，导致拌合物中浆体相对含量增多，使得拌合物中存在部分较大气泡，影响了混凝土后期强度。

2.1.1功能组分外加剂对机制砂高性能桥梁混凝土性能的优化

针对机制砂高性能混凝土拌合物黏度大、坍落度/扩展度经时损失大，后期强度增长不足的问题，本试验采用保塑功能的醚类基团含量较高的聚羧酸减水剂母液，解决拌合物黏度大的问题；掺入具有缓凝作用的葡萄糖酸钠，解决拌合物坍落度/扩展度经时损失大的问题；引入有机硅类消泡剂及松香热聚物型引气剂，采用“先消后引”的方式，消除大气泡，引入大量均匀的微小气泡，解决混凝土的工作性能较差和后期强度增长不足的问题。以HPC1配合比为基准，利用上述复配功能组分的专用外加剂制备了机制砂高性能混凝土，其工作和力学性能见表3。

表3 专用外加剂C60机制砂高性能桥梁混凝土的工作和力学性能

由表3可知，利用复配了功能组分的专用外加剂制备的机制砂高性能桥梁混凝土具有优异的工作性能和力学性能，其坍落度/扩展度经时损失较小，含气量降低，28 d抗压强度增加明显，达到了桥梁结构混凝土易泵送和高强度的要求。这主要是缓凝、保塑功能组分延缓了混凝土早期水化进程，使拌合物在较长时间内均保持良好的和易性。同时，采用“先消后引”的方式，消除混凝土拌合物中不规则的大气泡，引入了大量均匀的微小气泡，其“滚珠分散”效应减小了物料颗粒间的相互位移阻力，降低了混凝土拌合物的黏度，提升了混凝土拌合物的流动性，并分散了胶凝材料，促进其水化[4-5]。

2.1.2胶凝材料组成对机制砂高性能桥梁混凝土性能的影响

桥梁工程中的混凝土结构多属大体积混凝土，若水泥用量过高易造成早期水化温升过快，增大混凝土开裂风险。因此，用于桥梁工程的混凝土中常加入矿粉、粉煤灰等矿物掺合料，以改善混凝土的水化进程，延缓水化放热，提升混凝土的和易性和后期强度。本试验基于HPC2配合比，通过复掺矿粉和粉煤灰改变胶凝材料的组成，其配合比及对应的性能参数见表4。

表4 不同胶凝材料组成机制砂高性能桥梁混凝土的配合比及性能参数

由表4可知，单掺粉煤灰和单掺矿粉的混凝土工作性能和力学性能均较二者复掺差，这主要是由于掺合料的复掺使得胶凝材料的颗粒级配更好，利于发挥掺合料的形态效应、活性效应和微集料效应。而随矿粉掺量减少，粉煤灰掺量增加，混凝土初始坍落度/扩展度呈先增后减的趋势，这是由于粉煤灰相比矿粉具有更好的“滚珠效应”，可提高拌合物工作性能。然而，随粉煤灰掺量增至16%时，混凝土工作性能反而降低，这是由于粉煤灰掺量过多会导致部分粉煤灰颗粒游离，造成拌合物需水量上升，进而影响其工作性能。随矿粉掺量减少，粉煤灰掺量增加，混凝土各龄期抗压强度增高，当粉煤灰掺量增至16%，而矿粉掺量降至0%时，混凝土强度明显降低。因此，综合考虑混凝土工作性能及力学性能，确定复掺12%矿粉及4%粉煤灰。

2.1.3胶凝材料用量对机制砂高性能桥梁混凝土性能的影响

本试验基于HPC6组配合比，分别将胶凝材料总量由520 kg/m3调整为500，540和560 kg/m3，探讨不同胶凝材料总量对混凝土工作和力学性能的影响规律，具体结果见表5。

表5 胶凝材料用量对混凝土性能的影响

由表5可知，随胶凝材料用量增加，混凝土的坍落度/扩展度增大，而力学性能先增加后降低。这是由于随胶凝材料用量的增加，混凝土拌合物中的浆体量显著增加，对骨料的包裹性和润滑效应更强，显著提升了混凝土的工作性能。然而，当混凝土拌合物含浆率过高时，不仅增大混凝土的成本，还会削弱集料对混凝土的骨架支撑作用，力学性能降低，且会增大混凝土后期收缩开裂的风险。因此，混凝土的胶凝材料用量存在一个最佳区间。本文综合考虑混凝土工作和力学性能，确定其最佳胶凝材料用量为540 kg/m3。

2.1.4砂率对机制砂高性能桥梁混凝土性能的影响

混凝土良好的粗、细骨料比例不仅有利于拌合物的工作性能，也可提高混凝土密实堆积程度，促进其后期强度增长和耐久性能的提升。本试验基于HPC9配比，分别将砂率(质量分数)由38%调整为36%，40%和42%，探讨砂率质量分数对混凝土工作和力学性能的影响规律，具体结果见表6。

表6 砂率对混凝土性能的影响

由表6可知，砂率由36%增大至40%时，混凝土坍落度/扩展度及各龄期抗压强度均呈递增趋势。然而，当砂率增至42%后，其坍落度/扩展度及各龄期强度均降低。这主要是由于当砂率为42%时，粗、细骨料间处于最优颗粒级配状态，此时砂浆充分包裹、润滑粗骨料，拌合物工作性能优异，而最优颗粒级配也使得混凝土密实堆积程度较高，力学性能较好。当砂率过高时，拌合物黏度增大，工作性能降低，且易导致混凝土徐变收缩增大，不利于后期强度的发展。综上考虑，确定其最优砂率为40%。

2.1.5石粉含量对机制砂高性能桥梁混凝土性能的影响

机制砂是由碎石或卵石轧制而成的人工砂，其石粉含量较高，会增大混凝土拌合物的黏度，不利于施工泵送[6]。本试验基于HPC12配比，分别将机制砂石粉质量分数由11%调整为8%，4%和0%，探讨石粉含量对混凝土工作和力学性能的影响规律，具体结果见表7。

表7 石粉含量对混凝土性能的影响

由表7可知，当石粉含量由11%降至8%时，混凝土的工作性能和力学性能变化不大。然而当石粉含量降至4%和0%时，混凝土的工作性能显著变差，力学性能也有所降低。这主要是因为一定量石粉的存在，可发挥其微集料效应及滚珠效应，润滑包裹骨料，提高拌合物的工作性能，且可填充集料间空隙，增大混凝土结构的致密程度。因此，机制砂的石粉含量以8%～11%为宜。

2.2 C60机制砂高性能桥梁混凝土的体积稳定性

机制砂高性能混凝土由于胶凝材料用量多、机制砂石粉含量高，易导致其收缩变形大，收缩开裂的风险高，严重影响其体积稳定性，工程中一般通过添加膨胀剂解决这一问题。目前，常用的膨胀剂包括钙矾石类、氧化钙和氧化镁类。钙矾石耗水量大，会在早期同胶凝材料产生“争水效应”，不利于其水化反应进行，降低混凝土力学性能；而氧化钙和氧化镁类的膨胀剂可通过煅烧制度和粉磨细度的控制调节其活性。因此，本试验选用CaO和MgO双膨胀源复合型膨胀剂，以HPC14为基准配合比，分别添加0%,3%,5%,8%质量分数的膨胀剂，探究其对混凝土工作性能、力学性能和体积稳定性的影响，具体结果见表8和图1。

表8 膨胀剂掺量对混凝土工作和力学性能的影响

由表8可知，随膨胀剂掺量增加，混凝土的工作性能和各龄期抗压强度均呈现一定程度的下降。这主要是由于本试验中采用膨胀剂内掺法取代胶凝材料，随膨胀剂掺量增高粉料内水泥含量降低导致。此外，膨胀剂内的CaO组分主要在水化早期发挥作用，当掺量过高时，也会和水泥产生一定的“争水效应”[7]。

图1 混凝土自收缩曲线

由图1可知，混凝土自收缩率随复合膨胀剂掺量增大而显著降低，当膨胀剂掺量为8%时，混凝土180 d收缩率为315×10-6，仅为不掺膨胀剂组的57.3%。同时，采用混凝土平板开裂试验检测了膨胀剂掺量对其抗裂性能的影响，其结果见表9。

表9 膨胀剂掺量对混凝土开裂性能的影响

由表9可知，随膨胀剂掺量增大，混凝土抗裂性能显著提升。这主要是由于试验所用复合型膨胀剂采用双膨胀源连续膨胀，补偿收缩开裂，且随掺量增加可对胶凝组分内水泥起“稀释”作用，降低其早期水化温升，抑制开裂。综合考虑混凝土工作、力学、收缩和抗裂性能，其膨胀剂掺量宜选择5%。

2.3 C60机制砂高性能桥梁混凝土的耐久性能

通过上述试验结果，制备出了具有优异工作性能、力学性能和体积稳定性的C60机制砂高性能桥梁混凝土。本试验选取HPC3、HPC7、HPC14、HPC18 4组，探究不同配比对混凝土抗碳化和抗氯离子渗透性能的影响，结果见表10。

表10 C60机制砂高性能桥梁混凝土的抗碳化和抗氯离子渗透性能

由表10可知，制备的C60机制砂高性能桥梁混凝土耐久性能优异，28 d碳化深度低至5.1 mm，56 d电通量低至1 130 C，满足桥梁结构混凝土高耐久性能的要求。

3 工程应用

叙永至古蔺高速公路(简称叙古高速)，是泸州“一环七射一横”交通骨架网络的最后一条高速通道，项目全线长65.739 km，概算总投资82.38亿元，桥隧比56%(全线总长65.739 km，桥梁共计23 225 m/82座)。叙古高速项目沿线缺少天然砂，而沿线多山，岩石分布广，采用干法工艺生产机制砂极为方便。结合当地实际情况，将本文研究内容应用在叙古高速桥梁预制T梁生产中，具体施工配合比见表11，经试验检测，预制T梁混凝土性能指标见表12。叙古高速部分桥梁结构工程见图3。

表11 叙古高速桥梁预制T梁施工配合比

表12 叙古高速桥梁预制T梁混凝土性能

由表12可知，采用施工配合比配制的C60机制砂高性能混凝土具有良好的和易性与自密实性，T500小于18 s，可泵送性能优异，28 d抗压强度为73.3 MPa，体积稳定性和耐久性能优良，满足桥梁结构混凝土施工和设计的要求。解决了利用高石粉含量机制砂制备的混凝土易离析泌水、过度黏稠、泵送性能差和硬化混凝土易收缩开裂等问题。

图3 叙古高速C60机制砂高性能混凝土预制桥梁结构

4 结语

本研究设计制备出了一种具有优异的工作性能、力学性能、体积稳定性和耐久性能的C60机制砂高性能桥梁混凝土，并成功应用于叙古高速桥梁结构工程，该混凝土具有以下特点。

1) 该C60机制砂高性能桥梁混凝土初始坍落度和扩展度分别可达到250 mm和615 mm，且经时损失小，可实现自密实，28 d抗压强度超过70 MPa，180 d收缩率为315×10-6，力学性能和体积稳定性优异。

2) 通过复掺矿物掺合料和复合型膨胀剂，可显著提升混凝土结构致密度和耐久性，其28 d碳化深度仅为5.1 mm，56 d电通量为1 130 C。