机制砂制备高流态C30衬砌混凝土的配合比研究*

李建东 李新华 李 信

(1.中铁大桥局集团第六工程有限公司 武汉 432004；2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室 武汉 430034)

砂石骨料是混凝土制备中的重要原材料。随着当前国家大力推进环境友好型社会建设及天然河砂资源的日益匮乏，在工程建设中大规模使用机制砂已成为必然选择。

机制砂由岩石破碎制得，相较天然河砂，其表面粗糙、多棱角且石粉含量较高，对外加剂分子具备较强吸附力，一般认为采用机制砂制备混凝土存在黏度大、易开裂等问题[1-3]。近年来部分研究表明，适量石粉可改善机制砂级配，提高水泥石密实堆积程度，且石粉可改善拌合物离析泌水，提高浆体黏聚性和包裹性[4-5]。且机制砂破碎产生的大量废弃石粉，若不充分利用，必然会造成环境污染，同时也是对资源的浪费，部分学者指出，将废弃石粉视作粉料的一部分，等量替代适量胶凝材料，不仅可以降低混凝土水化放热从而降低其开裂风险，还可同矿物掺合料产生叠加效应[6-7]。衬砌混凝土一般需要具有流动性和保水性，收缩小、抗渗性能优，然而目前衬砌混凝土中掺入机制砂的相研究极少，因此，亟须开展利用机制砂制备高流态衬砌混凝土的研究。

保神高速为湖北省“十三五”重点建设项目，项目途径神农架林区，当地河砂资源匮乏且道路崎岖，外购运输成本高。因此，拟利用林区丰富的机制砂资源及隧道开挖产生的废弃石料，制备一种具备高和易性及高耐久性的机制砂衬砌混凝土，既降低施工成本，又可避免大量废弃石料乱置，减小当地环境压力。

1 原材料及实验方法

1.1 原材料

1) 水泥。采用葛洲坝水泥厂生产的P·O 42.5水泥，其性能指标见表1。

表1 葛洲坝P·O 42.5水泥性能

2) 粉煤灰。采用襄阳华能电力生产的II级粉煤灰。

3) 粗集料。5～31.5 mm连续级配碎石，压碎值16.4%，表观密度2 779 kg/m3。

4) 细集料。马桥镇当地生产石灰石机制砂，主要技术指标见表2。

表2 机制砂技术指标

5) 外加剂。外加剂为江苏奥特莱产高效聚羧酸减水剂，减水率为17%。

1.2 试验方法

依据GB/T 50080-2016 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行拌合物坍落度/扩展度试验；参照GB/T 50081-2019 《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行试块成型、养护及相关力学性能测试，立方体试块边长为150 mm。

2 配合比优化设计

基于密实骨架堆积原理，根据现有原材料状况及JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中质量法的计算，初步确定基准配合比为：m(水泥)∶m(石)∶m(机制砂)∶m(水)=420∶970∶810∶168，固定外加剂用量为1.2%，该基准混凝土性能见表3。

表3 基准混凝土性能

由表3可知，基准混凝土28 d抗压强度达44.1 MPa，满足规范要求，然而其扩展度仅为465 mm，拌合物黏重不利于现场泵送施工，因此需对配比进一步优化。

2.1 粉煤灰对混凝土性能的影响

粉煤灰是一种重要的矿物掺合料，具备火山灰效应，可在碱性环境下同水化产物结合生成C-S-H凝胶，且复掺适量粉煤灰既可形成良好的颗粒级配，提高水泥石密实堆积程度，又可提高拌合物浆体量，润滑骨料，改善混凝土工作性能。本文依据基准配比，复掺不同比例粉煤灰取代水泥，探究其最优掺量，见表4。

由表4可知，固定胶凝材料总量不变，等比例掺入粉煤灰取代水泥，随粉煤灰掺量增加，拌合物包裹性提升，其坍落度和扩展度呈先增后减的趋势。这是因粉煤灰内存在球状玻璃体具备一定减水效应，且适量粉煤灰同水泥颗粒形成良好的颗粒级配，提高混凝土浆体率改善拌合物工作性能[8]。当其掺量超过19%后，胶凝浆体过多，致使拌合物包裹性劣化，易产成离析、泌水等不良现象，且此时混凝土抗压强度降低明显。这是由于粉煤灰需结合Ca(OH)2等水泥水化产物才可发挥其火山灰效应，若粉煤灰掺量过高，拌合物内Ca(OH)2较少，孔溶液碱度降低，难以完全激发其火山灰效应，仅发挥填充作用不利于水泥石后期强度增长。综合考虑混凝土力学性能及和易性，确定粉煤灰掺量为19%。

2.2 水胶比对混凝土性能的影响

基于上述试验确定粉煤灰掺量为19%，试验对比0.36、0.38、0.4 3种不同水胶比下，拌合物工作性能及力学性能，其结果见表5。

表5 不同水胶比下混凝土性能

由表5可见，随水胶比降低，拌合物的和易性出现不同程度的劣化，当水胶比降低至0.36时，其扩展度仅为485 mm，不符合施工要求，因此混凝土水胶比不宜低于0.38。混凝土后期强度随水胶比降低而提高，这是由于低水胶比虽增大拌合物黏度，却提升了骨料密实度，使水泥石形成更紧密堆积结构。然而随水胶比进一步降低，混凝土强度增长趋势明显放缓，此时自由水含量过低，致使大量水泥无法充分水化，对结构抗压强度造成不利影响。

2.3 砂率对混凝土性能的影响

根据上述试验结果，试验组P5工作性能和力学性能均良好，故以试验组P5为基准，调整混凝土砂率为41%、43%、45%、47%探究不同砂率对混凝土性能的影响规律，其结果见表6。

表6 不同砂率下混凝土性能

由表6可见，随砂率增大，混凝土坍落度、扩展度呈先增后减趋势，当砂率为41%时，细集料较少，拌合物浆体含量较低，包裹性差，致使拌合物离析泌水。随砂率增大，混凝土骨料密实堆积程度增大，抗压强度提升。当砂率增至43%后，随砂率增大混凝土力学性能降低，这是由于此时骨料间空隙已被充分填充，若进一步提高细集料比例，将破坏骨料最紧密堆积，增大其内部孔隙率[9]。因此，综合考虑现场施工对和易性的要求，选择砂率45%开展进一步研究。

2.4 石粉含量对混凝土性能的影响

机制砂由岩石经机械破碎制得，因此在生产过程中不可避免会产生大量石粉，石粉粒径较小，比表面积高且表观形貌不规则，虽可发挥一定的填充作用，但若其含量过高将导致拌合物需水比增大，致使其和易性不佳，在泵送施工中易造成堵管等不良现象。本文选用石粉含量为0%，4%，8%，12.9%的机制砂制备混凝土，探究石粉含量对混凝土性能的影响规律，其性能指标见表7。

表7 不同石粉含量下混凝土性能

由表7可见，当石粉含量低于8%时，随机制砂内石粉含量增加，混凝土工作性能及力学性能均有一定程度提高。当石粉含量为8%时，相较无石粉组，混凝土拓展度提高8.3%，28 d抗压强度提升12.3%。若石粉含量进一步增大，混凝土工作性能和力学性能均出现较大劣化。这是因石粉粒径较小，当其掺量较低时可填充胶凝材料间空隙，发挥微集料效应，提高水泥石致密度。同时石粉具备一定的“晶核效应”，适量石粉可在混凝土内部形成成核中心，促进胶凝材料进一步水化，诱导水化产物析晶[10-11]。工作性能方面，适量石粉可增大拌合物中砂浆含量，润滑骨料改善拌合物离析、泌水等不良现象，提高其黏聚性及包裹性。然而当石粉含量超过8%后，因其比表面积较大，吸附大量自由水，不仅致使拌合物工作性能劣化明显，还增大了混凝土内部缺水，导致水泥水化不充分，不利于水泥石后期强度增长。此时除发挥微集料效应外，部分游离石粉黏聚成团，致使浆-骨界面区不密实，易造成应力集中影响混凝土抗压强度。因此现场施工中，机制砂石粉含量宜取8%。

2.5 石粉取代胶凝对混凝土性能的影响

鉴于现场生产中机制砂石粉含量波动较大，经干法除粉至所需标准后，将产生大量废弃石粉，增大当地环保压力，且有研究表明石粉做掺合料对混凝土和易性及强度基本无影响。因此基于上述P10试验组配比，掺加石粉按25%，50%，75%，100%等比例取代粉煤灰做掺合料，结果见表8。

表8 石粉取代粉煤灰对混凝土性能影响

由表8可知，石粉取代粉煤灰对拌合物工作性能几乎无影响，这是由于石粉粒径、细度同II级粉煤灰基本相当，石粉等质量取代粉煤灰不造成拌合物浆体需水量变化，且当石粉取代率为25%时，拌合物坍落度、扩展度均为最大，其黏聚性和保水性存在一定程度提升。然而随石粉取代率提升，混凝土抗压强度呈下降趋势。当石粉完全取代粉煤灰作掺合料时，P16组混凝土28 d抗压强度相较P10组下降了22.6%，已不满足施工规范要求。这是由于石粉无火山灰效应，在混凝土内仅发挥填充效应，无法同Ca(OH)2等水泥水化产物反应，提高水泥石致密度。若石粉取代率高于50%，混凝土抗压强度已经不满足混凝土配制强度的要求，如P15组、P16组。因此，石粉取代率不宜高于50%。

3 结论

1) 调整粉煤灰掺量及水胶比皆可改善拌合物和易性，然而粉煤灰掺量或水胶比过高将致使混凝土离析、泌水，且其后期强度有所降低。

2) 调整混凝土砂率将改变混凝土的密实堆积程度，当砂率为45%时，混凝土性能最佳。机制砂中掺入的适量石粉可发挥晶核效应，促进水泥水化，但若石粉含量超过8%，将造成拌合物和易性劣化。

3) 石粉取代II级粉煤灰对混凝土工作性能基本无影响，但因其无水化活性，对混凝土力学性能产生不利影响，石粉取代粉煤灰不宜超过50%。