基于双掺矿物掺合料下机制砂C35桩基混凝土工程应用研究

乔叶伟

为研究双掺粉煤灰、矿粉时机制砂C35桩基混凝土的工程应用性能，本文从新拌混凝土的和易性，混凝土早期强度、早期抗裂性能出发，得出适用于工程的机制砂C35桩基混凝土配比，并进行了配比经济性分析。研究结果表明：（1）粉煤灰和矿粉的掺入，有利于改善新拌混凝土和易性，但二者掺量均不宜过多。粉煤灰掺量较大时混凝土容易泌水和抓底;矿粉掺量过多时混凝土较黏。用水量和减水剂掺量增加，当二者的掺配比例为1∶2.50或1∶1.30时，机制砂混凝土符合桩基混凝土的和易性要求。（2）双掺粉煤灰、矿粉有利于混凝土早期强度增长，保持总掺量35%不变时，粉煤灰、矿粉掺配比例为1∶2.50时，强度发展最优，机制砂混凝土28 d龄期时能达到C35混凝土试配强度的121%。（3）双掺粉煤灰、矿粉有利于混凝土早期抗裂性能，机制砂混凝土抗裂等级均能达到Ⅳ级要求。（4）对粉煤灰、矿粉掺配比例为1∶2.50的机制砂桩基混凝土进行经济性分析，其1 m混凝土直接成本较河砂混凝土降低13.2%。

机制砂;桩基混凝土;矿物掺合料;和易性;强度;抗裂性能;经济性

如今，河沙资源短缺，过度开采河沙会破坏生态环境，在国家禁止河道开采河沙的背景下，采用机制砂代替河沙已成大势所趋。我国幅员辽阔，可用于制备机制砂的岩类众多，但对适用于工程的机制砂还需有针对性的研究。目前我省机制砂制砂工艺较落后，在机制砂石粉含量对混凝土性能的影响研究，以及机制砂在级配、颗粒物理性能及天然砂对混凝土强度、耐久性能的影响研究均较少，使得机制砂在工程应用上具有局限性。矿物掺合料的引入，可弥补机制砂自身缺陷，许多学者已经做了相关研究。刘世星研究了掺入矿粉、膨润土、偏高岭土后对机制砂混凝土和易性及早期强度的影响，朱文涛、孙志强认为双掺粉煤灰、矿粉时使混凝土工作性和施工性得以提高，宋少民等学者也认为双掺粉煤灰、矿粉可以解决高强机制砂混凝土工作性和泵送性不能满足高性能混凝土的问题。因此，进一步研究掺矿物掺合料的机制砂混凝土在工程中的适用性，是节约资源，降低工程成本，提高混凝土性能的有效途径。

（1）水泥：选用祁连山水泥生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥。（2）细集料：粒径为0～5mm的级配花岗岩机制砂，细度模数2.86，MB值0.90。（3）粗集料：5～10mm、10～20mm、16～31.5mm的玄武巖级配碎石。（4）减水剂：上海三瑞生产的聚羧酸型减水剂（减水率≥25%）。（5）粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰。（6）矿粉：S95级矿粉。

矿物掺合料选择粉煤灰与矿粉双掺的方式，胶凝材料总量保持410kg/m不变;矿物掺合料等量代替水泥，代替总量为35%保持不变，粉煤灰与矿粉以5%的掺量增减变化。

分别以河沙和机制砂为细集料，用单卧轴强制式搅拌机拌和不同矿物掺合料掺配比下的混凝土，出锅时观察其和易性和泌水情况，测试初始塌落度和扩展度，保塌1h后继续测试其塌落度和扩展度。测试完毕后立即装模，进行后续标准抗压试验，试块为150mm×150mm×150mm标准试块，共4组，每组3块，测试混凝土在龄期7d、28d、35d、56d时的抗压强度值。

根据不同矿物掺合料配比下混凝土早期抗压强度的差异，选取抗压强度值最好、最差、居中的三种配比，采用平板法测试其抗裂性能差异，抗裂模具为800mm×600mm×100mm的标准试模。

最后，通过混凝土出锅时的拌和性能、早期强度、早期抗裂性能，综合分析得出最优配比，通过调查原材料价格、运输费用，计算1m混凝土的直接成本，分析掺矿物掺合料的机制砂混凝土的经济性。

在控制拌和条件、拌和用水、矿物掺合料出厂、减水剂等原材料不变的情况下，对不同配比的新拌混凝土做初始塌落度、扩展度，1h后塌落度、扩展度的统计与分析，结果表明二者和易性均较好，但机制砂黏性较河砂稍大。

以F表示粉煤灰，K表示矿粉，对不同矿物掺量下新拌混凝土拌和性能整理如表1所示。

从表1减水剂用量可发现，无论细集料为河砂或机制砂，随着粉煤灰掺量的增加，矿粉掺量的减少，减水剂用量呈递减趋势。从粉煤灰角度分析，SiO和AIO是粉煤灰的主要成分，粉煤灰的粒子大部分为表面光滑的球状玻璃，与不定形的水泥粒子相比，表面吸附的水量少，随着粉煤灰掺量增加，相应的需水量降低。但当粉煤灰置换水泥的比率增大时，部分粉煤灰颗粒携带水分浮游于表面，形成泌水现象，故随着粉煤灰掺量的增加，混凝土流动性变好，减水剂掺量降低，但掺量超过30%时，容易出现泌水现象;从矿粉角度分析，矿粉的比表面积是影响混凝土性能的主要指标，当矿粉比表面积较大时，拌和混凝土的黏性也会增大。本试验采用的矿粉比表面积为532m/kg，属于超细矿粉，当掺入量增加时，为降低黏度，获得相同的流动性时，需掺入更多的减水剂。

以F表示粉煤灰，K表示矿粉，对不同矿物掺量下混凝土早期强度做曲线图，分析其强度发展规律。

粉煤灰是抑制混凝土水化热最有效的一种掺合料，其可降低混凝土的绝热升温，减缓混凝土前期水化反应，从而降低混凝土早期强度发展。相反，采用比表面积较大的矿粉，混凝土早期强度可得到改善，但掺量过大时，后期强度会有所降低。

如图1、图2所示，当改变粉煤灰与矿粉的掺配比例时，以河沙为细集料的混凝土与以机制砂为细集料的混凝土早期强度发展规律大致相同。从强度发展曲线图中可得，无论细集料是河沙还是机制砂，以粉煤灰10%、矿粉25%为比例掺配时，强度最高，说明此种掺配方式最优。以粉煤灰30%、矿粉5%为比例掺配时，强度发展较慢，各个龄期对应的强度均小于其他掺配方式，此种掺配方式最差。细集料为河砂的混凝土，矿粉掺量为30%时，后期强度增长出现了明显的下降。因此，粉煤灰和矿粉双掺时，二者掺量均不宜过大，需合理配比，从强度增长曲线可得，二者掺配比例为1：2.5时为最优，细集料为河砂的混凝土28d强度可达C35混凝土试配强度的119%，细集料为机制砂的混凝土28d强度可达C35混凝土试配强度的121%，均满足混凝土强度要求，且在配比合理、机制砂质量符合要求的情况下机制砂混凝土强度增长优于河砂混凝土强度增长。

采用平板试验法，以双掺矿物掺合料时混凝土强度最高、最低、中间值为依据，分析在双掺矿物掺合料下C35混凝土采用河沙和机制砂为细集料时抗裂性能差异。

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082-2009，本试验在温度为20±2℃，相对湿度（60±5）%的室内进行，风扇风速为6m/s，采用裂缝测深测宽仪测量裂缝宽度，钢直尺测量裂缝长度。混凝土早期抗裂性能等级划分，如表2所示。

由表3试验结果可知：各个配比的机制砂与河砂混凝土抗裂性能较为优良，除河砂+F30%+K5%抗裂等级为Ⅲ级外，其余配比均达到了Ⅳ级。粉煤灰与矿粉都是抑制混凝土水化的粉体，二者作为超细矿物掺料，很好的填充了混凝土的空隙，使混凝土更加致密，孔结构分布更加均匀，故抗裂性能较优。从试验结果来看，在双掺粉煤灰矿粉时，二者优势互补，对混凝土的抗裂性能的提高发挥了重要作用。相比于河砂混凝土，细集料为机制砂时反而抗裂性能较好，单位面积上的总开裂面积均小于河砂混凝土，说明在确保机制砂质量及级配符合要求的前提下，矿物掺合料与机制砂的适应性更好，机制砂混凝土抗裂性能更优，满足工程需求。

结合新拌混凝土出锅状态，塌落度损失对比，扩展度损失对比，28d強度对比及抗裂等级，在掺配比例为1∶2.50或1∶1.30的四个配比中F10%+K25%的掺配方式综合性能最优，宜作为C35桩基混凝土施工配比。在不考虑人工费、机械费、水电费、维修费及其他成本分摊的情况下计算以F10%+K25%为掺配方式时1m混凝土的直接成本。

式中C为1m细集料为河砂且不掺矿物掺合料的混凝土含税含运费的直接成本，C为1m细集料为机制砂且不掺矿物掺合料的混凝土含税含运费的直接成本，C为1m细集料为机制砂且掺粉煤灰10%、矿粉25%的混凝土含税含运费的直接成本，C配合比中减水剂掺量为0.6%，C配合比中减水剂掺量为0.7%，C配合比中减水剂掺量为0.95%。

从成本对比图中可看出，在保证混凝土性能的前提下，改用细集料为机制砂且添加矿物掺合料的混凝土成本明显降低。在不掺矿物掺合料时，1m的细集料为机制砂的混凝土比河砂降低成本4.4%;在掺粉煤灰10%、矿物25%时，1m的细集料为机制砂的混凝土比河砂降低成本13.2%。因此，机制砂和矿物掺合料的搭配使用，是提高桩基混凝土性能，降低成本的有效途径，具有良好的经济效益。

细集料为机制砂的混凝土黏性大于河砂混凝土，用水量和减水剂用量增加。当内掺粉煤灰、矿粉时，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土减水剂用量逐渐减少，但泌水的可能性增大。随着矿粉掺量的增加，混凝土黏性增强，减水剂用量增加。当保持总掺量35%不变，粉煤灰、矿粉掺配比为1∶2.50或1∶1.30时，满足C35桩基混凝土和易性要求。

双掺矿物掺合料对混凝土强度增长有利，可改善细集料为机制砂混凝土强度增长较慢的问题。粉煤灰、矿粉掺配比例为1∶2.50时为最优，细集料为河砂的混凝土28d强度可达C35桩基混凝土试配强度的119%，细集料为机制砂的混凝土28d强度可达C35桩基混凝土试配强度的121%，均满足混凝土强度试配要求。

双掺粉煤灰、矿粉有利于提高混凝土抗裂性能，细集料为机制砂的混凝土抗裂等级可达Ⅳ级。

采用机制砂和双掺粉煤灰10%、矿粉25%的混凝土，其拌和性能、强度、抗裂性能综合最优，经济效益显著，相比于细集料为河砂未掺矿物掺合料的混凝土，可降低直接成本13.2%。

[1]刘世星.不同外掺料对机制砂混凝土强度及和易性影响分析[J].新型建筑材料，2019，46（8）：86-88.

[2]朱文涛，孙志强.矿物掺合料对机制砂混凝土性能的影响和研究[J].商品混凝土，2015（1）：45-46+64.

[3]宋少民，程成，楊楠.机制砂岩性对胶砂和混凝土性能影响的研究[J].混凝土，2018（11）：22-25.

[4]冯乃谦.高性能混凝土与超高性能混凝土的发展和应用[J].施工技术，2009，38（4）：1-6.

[5]冯乃谦.高性能混凝土与超高性能混凝土技术[D].北京：中国建筑工业出版社，2015.

In order to study the engineering application performance of machine-made sand C35 pile foundation concrete with fly ash and slag powder， this paper starts from the workability of fresh concrete， the early strength of concrete， and the early anti-cracking performance， and the mechanism suitable for engineering is obtained The proportion of sand C35 pile foundation concrete， and the economic analysis of the proportion. The research results show that： （1） The mixing of fly ash and mineral powder is beneficial to improve the workability of fresh concrete， but the amount of both should not be excessive. When the amount of fly ash is large， the concrete is easy to bleed and scratch the bottom; when the amount of slag is too much， the concrete is sticky. The water consumption and water reducing agent content increase. When the mixing ratio of the two is 1：2.50 or 1：1.30， the machine-made sand concrete meets the workability requirements of pile foundation concrete. （2） The double mixing of fly ash and mineral powder is conducive to the early strength growth of concrete. When the total content of 35% is kept unchanged， when the mixing ratio of fly ash and mineral powder is 1：2.50， the strength development is optimal， and the machine-made sand At 28 d age， the concrete can reach 121% of the trial mix strength of C35 concrete. （3） The double addition of fly ash and mineral powder is beneficial to the early anti-cracking performance of concrete， and the anti-cracking grade of machine-made sand concrete can reach the requirement of grade IV. （4） The economic analysis of the machine-made sand pile concrete with a mixing ratio of fly ash and mineral powder of 1：2.50 shows that the direct cost of 1 m3 concrete is reduced by 13.2% compared with river sand concrete.

machine-made sand; pile foundation concrete; mineral admixture; workability; strength; crack resistance; economy