C50机制砂混凝土工作性试验研究

摘要：为确定不同因素对C50机制砂混凝土工作性能的影响，对机制砂混凝土的工作性进行试验研究。试验依托于湘渝复线（巴彭段）龙川江大桥项目，以石粉含量、水胶比、砂率、粉煤灰掺量、减水剂掺量、粗集料配比为控制因素，以坍落度、经时损失、扩展度与压力泌水率为控制指标。分析不同因素对C50机制砂混凝土工作性的影响，结果表明：当石粉含量为8%时，混凝土的工作性较好，减水剂对机制砂混凝土的坍落度、扩展度影响最显著，砂率和粗集料配比对工作性影响最小，并提出了基于工作性最优的C50机制砂混凝土配合比。

关键词：机制砂混凝土;石粉含量;工作性;配合比

引言

砂作为混凝土的细骨料，主要作用是填充和密实粗集料形成的骨架结构，是混凝土必不可少的组成材料。天然砂是一种地方性资源，分布不均且短时间内不可再生，在巨大需求的推动下，天然砂资源日益匮乏，不少地区出现天然砂资源短缺、超量开采造成严重的环境破坏等现象。因此，各国对机制砂展开了大量研究，机制砂是指经除土处理，由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但不包括软质、风化的颗粒。Cortes、Westerholm等研究了机制砂粒形对砂浆的流变学性能的影响，结果表明粒形影响空隙率，当水泥浆体完全填充空隙时，可以得到较好的流动性。通过研究不同种类机制砂对混凝土流动性的影响，Quiroga、Kim、刘桂凤、谢开仲等发现不同颗粒级配的机制砂配制的混凝土坍落度、流变性能差异显著。夏龙兴、徐建、李波等人通过对机制砂特性与机制砂混凝土工作性、力学性能进行研究，表明机制砂混凝土在技术和经济上都是可行的。机制砂作为混凝土细集料，既可以解决天然砂资源短缺的问题，又可降低建设成本、保护环境，机制砂部分或全部替代天然砂已成为当前混凝土行业的普遍趋势。

为保护环境、推广使用机制砂、降低建设成本，湘渝复线高速公路（巴彭段）龙川江特大桥施工采用泵送C50机制砂混凝土，该桥位于南川区石溪镇，横跨龙川江、县道776，为跨河整体式桥梁。5、6、7、8桥墩的高度均超过了100米，组成了超高墩群，最高桥墩高达179 m。与河砂不同，机制砂颗粒表面粗糙、尖锐多棱角、级配不良且石粉变异性较大，拌制的混凝土存在工作性差、和易性差、易于离析泌水等各种问题。对于超高墩泵送施工，机制砂的变异性与机制砂混凝土的工作性、泌水问题尤其凸显，坍落度不够、扩展度不足、泌水率较大而导致堵管问题较为常见。

目前关于中高强度机制砂混凝土工作性研究不够充分、不夠系统，并且研究结果存在一定差异。因此，为解决由机制砂变异性大、机制砂混凝土工作性差导致的泵送性能差等问题，确定不同影响因子对机制砂混凝土的影响，以石粉含量、水胶比、砂率、粉煤灰掺量、减水剂掺量和粗集料级配为影响因子进行机制砂混凝土拌合物试验，以坍落度、经时损失、扩展度和压力泌水率为控制指标，分析不同控制因素对机制砂混凝土工作性的影响程度，给出基于工作性的C50机制砂混凝土配合比，为机制砂混凝土工作性能研究提供参考。

1原材料特性与试验方法

1.1原材料特性

水泥

水泥采用重庆新嘉南建材公司生产的P·O52.5级水泥，其物理性能指标见表1。

1.1.2粉煤灰

试验采用活性矿物掺合料为华能重庆珞璜发电有限责任公司生产的 Ⅰ级粉煤灰，其物理性质见表2。

1.1.3粗集料

粗集料选用粒径为5mm～10mm及10～20mm两档料，为满足粗集料配比试验要求，通过振实密度等指标确定四种配比：5：5，6：4，7：3，8：2。

1.1.4细集料

试验采用的机制砂为重庆地区不同生产厂家，由于机制砂中石粉变异性较大，对料仓内不同批次机制砂进行取样，共取样13组，进行筛分试验、亚甲蓝试验、密度试验等，试验结果见表3。

由表3可知，机制砂试样细度模数介于2.8至3.2之间，且多数样品的细度模数为3.1，可知不同批次的机制砂的粗细程度整体较为稳定。表观密度大体分布在2.69～2.78g/cm。但是，不同批次机制砂试样的石粉含量和亚甲蓝值存在较大程度的变化，石粉含量变化范围为1.59%～8.52%，亚甲蓝值的变化范围为0.5～3.8。

1.1.5外加剂

外加剂采用重庆科之杰聚羧酸系高性能减水剂。根据规范对减水剂进行检测，该减水剂的减水率为27%，含气率为2.4%，泌水率比为20%，含固量为21.18%，氯离子、硫酸钠、含碱量指标等均满足规范要求。

1.2试验方案

试验依托于湘渝复线（巴彭段）龙川江特大桥项目，分别就石粉含量、水胶比、砂率、粉煤灰掺量、减水剂掺量、粗集料配比对机制砂混凝土的工作性能的影响进行试验研究。试验采用的基准配合比为：8%石粉含量、用水量165 kg/m、0.34水胶比、42%砂率、15%粉煤灰掺量、粗集料配比为6：4。不同影响因素的试验在基准配合比的基础上进行，控制石粉含量为3%、5%、8%、10%、12%;控制水胶比为0.3、0.32、0.34、0.36、0.38;控制砂率为36%、38%、40%、42%、45%;控制粉煤灰掺量为10%、15%、20%、25%、30%;控制减水剂掺量为1.15%、1.2%、1.25%、1.3%、1.35%、1.4%;控制粗集料配比为5：5、6：4、7：3、8：2。试验拌制不同配比的机制砂混凝土，依照规范[13]进行混凝土的坍落度、经时坍落度、扩展度、压力泌水率试验。

2试验结果分析

2.1石粉对混凝土工作性的影响

由试验分析随机制砂中石粉含量增加，混凝土的坍落度先增大后减小，变化范围为198～223mm;混凝土的经时损失随石粉含量线性增大，当石粉含量为12%时，较均值变化率达到最大值7.46%，经时损失率为38.38%，坍落度变化较小，经时损失较大。当石粉含量为10%时，扩展度较前一项变化率和均值变化率达到最大值为25.86%、16.11%，表明扩展度存在较大突变。压力泌水率随石粉含量的增大先升高后降低，石粉含量为3%时，较均值变化量最大为4.62%，变化幅度较小。

相对于河沙，机制砂表面粗糙、粒形不规则、比表面积增大，机制砂颗粒需要更多的水泥浆体包裹，引起混凝土和易性差、泌水性高，因此机制砂混凝土的工作性普遍较低。石粉在混凝土中的作用机理可以概括为晶核效应、填充效应和化学作用，其中填充作用对工作性影响较大，当石粉含量较低时，其在机制砂混凝土中起到的作用较小，对混凝土的改善不明显;随石粉含量增加，石粉能够充分地发挥其填充与润滑作用，混凝土的工作性得到有效改善;但随石粉含量的进一步增加，混凝土的比表面积增大，石粉的阻碍作用占据主导，从而使得混凝土的工作性与泌水率开始降低。

2.2水胶比对混凝土工作性的影响

随着水胶比提高，坍落度先增大后减小，变化范围为215～233 mm，当水胶比为0.34时，较均值变化率最大为4.67%，变化幅度较小。1h经时损失在30 mm左右，经时损失率在13%左右。随水胶比的提高，扩展度先增大后减小，当水胶比为0.34时，较前一项变化率达到最大值32.8%，当水胶比为0.3时，较均值变化率达到最大值24.2%;与扩展度的变化趋势不同，压力泌水率随水胶比升高而增大，变化量最大为4.26%，表明试验范围内水胶比对压力泌水的影响较小而对扩展度影响较大。

机制砂中的片状颗粒粒径增大或含量的增加都会导致机制砂空隙率增大，使机制砂外侧水泥浆包裹层变薄，导致浆体流动度降低。当水胶比较小时，胶凝材料用量较大，此时混凝土较为粘稠，工作性较差，压力泌水率较低，随着水胶比的增大，混凝土内浆体变稀，润滑作用得以发挥，混凝土的工作性得到改善，但当水胶比进一步增大时，混凝土内浆体变少，不能起到分割集料的作用，集料之间相互摩擦、咬合，导致混凝土工作性差、泌水率增大。

2.3砂率对混凝土工作性的影响

坍落度对砂率的敏感性较弱，随砂率的增大，混凝土的坍落度呈现逐渐升高趋势，较均值变化率最大为7.13%，较前一项变化率最大为5.15%。当砂率为36%、38%、40%时，经时损失较为稳定，经时损失率在16%左右，砂率为42%、45%时，经时损失率分别为10.2%、20.79%，此时波动较大。扩展度随着砂率的增大先升高后略微降低，变化范围为515～617 mm，较前一项变化率最大为10.19%，较均值变化率最大为11.59%，表明砂率对扩展度的有一定影响。由试验分析可知，压力泌水率随砂率的增加逐渐降低，当砂率为36%时，压力泌水率最大，较均值变化量最大。

随着砂率的增加，浆体与细集料对粗集料的包裹性更强，在粗集料之间的润滑作用更好，有利于混凝土的坍落与扩展，并且由于砂率的增大，机制砂表面吸附的水增加，混凝土保水性增加，压力泌水率降低。但由于砂率的进一步增加，混凝土的比表面积增大，细集料起到相同效果所需的用水量变大，对混凝土的扩展起到阻碍作用，但是混凝土的保水性升高的趋势没有改变，因此压力泌水率进一步降低。

2.4粉煤灰掺量对混凝土工作性的影响

随着粉煤灰掺量的增大，混凝土的坍落度整体上呈上升趋势，较均值最大变化率为7.56%，较前一项最大变化率为8.89%，表明粉煤灰掺量对坍落度有一定影响。经时损失随粉煤灰掺量改变先下降后升高，粉煤灰掺量为15%、20%时，经时损失率为6%左右，而试验其他掺量粉煤灰经时损失率在23%上下，已经不利于泵送。通过试验分析，随着粉煤灰掺量的增大，混凝土的扩展度先减小后增大，但是研究表明，一定石粉含量下，粉煤灰掺量增大会改善混凝土保水性，拌合物会变黏，工作性降低，泌水率降低。

2.5减水剂掺量对混凝土工作性的影响

随着减水剂用量增大，机制砂混凝土的坍落度、扩展度和压力泌水率均呈现逐渐增大的趋势，坍落度较前一项最大变化率为19.38%、较均值最大变化率为23.62%，扩展度较前一项最大变化率为19.44%、較均值最大变化率为35.47%，表明坍落度与扩展度对减水剂掺量较敏感。压力泌水率随减水剂掺量的增加而增大，变化范围为9.8%～16.3%，当减水剂掺量为1.4%时，压力泌水率达到最大值。

聚羧酸减水剂主链上羧酸根等离子性基团吸附在水泥颗粒表面，而聚醚侧链伸展到溶液中，提供强大的空间位阻，从而实现对水泥粒子的分散。当减水剂掺量较少时，对水泥的分散程度不够，坍落度和扩展度较低、泌水性较小;当加大减水剂的掺量时，空间位阻更大，对水泥粒子的分散的作用更充分，混凝土工作性得到改善。

2.6粗集料配比对混凝土工作性的影响

混凝土坍落度随10～20 mm粗集料的增加呈降低趋势，最大变化率在3%左右，经时损失率在20%上下浮动。随着10～20 mm粗集料的增加，扩展度呈先增加后降低趋势，较前一项最大变化率为12.96%，较均值最大变化率为9.29%，表明粗集料级配对混凝土扩展度有一定影响。压力泌水率随较粗集料的占比变大呈线性增长，当配比为8：2时，泌水率达17%，较均值变化量为4.7%，泌水率与变化量均较大。

与5～10 mm粗集料相比，10～20 mm粗集料粒径更大，棱角更突出、流动性更差、保水性更差，但其比表面积小，被包裹所需浆体少。当10～20 mm粗集料过多时，其棱角性与颗粒形状对混凝土扩展度的阻碍作用占据主导，因此扩展度会迅速降低、泌水率迅速升高，工作性下降，在泵送时更易发生堵管现象。

3结论

以石粉含量、水胶比、砂率、粉煤灰掺量、减水剂掺量和粗集料配比作为影响因子，对机制砂混凝土工作性展开试验研究，通过不同因子对混凝土工作性的影响分析，得出以下结论：

（1）机制砂的石粉含量变异性较大，石粉含量对扩展度和泌水率有一定影响，对经时损失影响较大，故建议应严格控制机制砂的生产流程，石粉含量应保持8%左右。

（2）不同影响因子对机制砂混凝土的工作性影响程度存在较大差异，影响程度由大到小依次是：减水剂用量>水胶比>粉煤灰掺量>砂率>粗集料配比。其中减水剂对坍落度、扩展度影响较显著，但不同减水剂效果不同，应在混凝土试拌前确定不同减水剂的效果。

（3）由不同因子对混凝土工作性的影响分析结果，确定了基于工作性的C50机制砂混凝土的配合比为：机制砂石粉含量8%、水胶比0.34、用水量165kg、砂率42%、粉煤灰掺量15%～20%、减水剂掺量1.3%、粗集料配比为6：4。

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作者简介：李旭东，38岁，男，中国水利水电第七工程局有限公司二分局副总工程师、重庆渝湘复线高速公路三标一分部总工程师，高级工程师。