楊海成，葉小林，盛余飛，駱云建

（1.水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230；2.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；3.中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引言

蒙內(nèi)標(biāo)軌鐵路為肯尼亞近百年來新建的第1條鐵路，對完善東非鐵路網(wǎng)，推進(jìn)東非地區(qū)的互聯(lián)互通和一體化建設(shè)，促進(jìn)各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。蒙內(nèi)鐵路全部采用“中國標(biāo)準(zhǔn)”制造，工程建造質(zhì)量對中國標(biāo)準(zhǔn)走出去具有重要意義，可為中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)在東非乃至整個(gè)非洲的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?？夏醽啴?dāng)?shù)睾由百Y源異常匱乏，不能滿足工程需要，采用當(dāng)?shù)貦C(jī)制砂用于本工程項(xiàng)目的建設(shè)，可有效解決天然河砂不足的現(xiàn)實(shí)問題。國內(nèi)外學(xué)者對機(jī)制砂對混凝土性能的影響開展了大量的研究工作[1-3]，認(rèn)為適量的機(jī)制砂石粉含量可有效改善中低強(qiáng)度等級混凝土的工作性，提高混凝土的力學(xué)性能和長期耐久性；在機(jī)制砂制備高強(qiáng)高性能混凝土方面，目前已有部分研究成果，張永革等[4]、徐文冰等[5]結(jié)合工程實(shí)際情況，開展了C50強(qiáng)度等級機(jī)制砂混凝土配制及現(xiàn)場應(yīng)用研究。總體而言，有關(guān)機(jī)制砂對高強(qiáng)高性能混凝土性能的研究還不是很多，且研究多為石灰?guī)r機(jī)制砂，不同母巖生產(chǎn)的機(jī)制砂在顆粒級配、顆粒形貌、石粉含量、母巖化學(xué)成分等均有一定的差異，進(jìn)而影響了機(jī)制砂混凝土的配制及性能發(fā)展[6－8]。另外，由于本項(xiàng)目所在地的水泥、粉煤灰等可選的原材料廠家較少，需國際招標(biāo)采購，不同地區(qū)的原材料性能與國內(nèi)具有一定差異，如何利用現(xiàn)場原材料配制C55高強(qiáng)高性能混凝土是施工單位面臨的主要技術(shù)難題。為此，本文結(jié)合肯尼亞蒙內(nèi)標(biāo)軌鐵路工程，利用當(dāng)?shù)厣皫r母巖制備機(jī)制砂和現(xiàn)場材料，系統(tǒng)分析水膠比、膠凝材料總用量、砂率、粉煤灰摻量及機(jī)制砂石粉含量等因素對C55高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土工作性、力學(xué)性能及抗氯離子侵蝕性能的影響，明確C55砂巖機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)原則，為蒙內(nèi)標(biāo)軌鐵路工程箱梁中的應(yīng)用提供技術(shù)參考，同時(shí)也為我國企業(yè)在非洲地區(qū)的工程建設(shè)積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：肯尼亞Bamburi水泥廠生產(chǎn)的CEM I42.5水泥，密度3.1 g/cm3，比表面積369 m2/kg，初、終凝時(shí)間分別為135、203 min，3 d、28 d 標(biāo)準(zhǔn)膠砂抗壓強(qiáng)度分別為 26.5、51.0 MPa。

（2）粉煤灰：印度JAYCEE RESOURCES生產(chǎn)，符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》對Ⅰ級粉煤灰的要求。

（3）骨料：采用肯尼亞某石場生產(chǎn)的機(jī)制砂和碎石，母巖為砂巖，母巖抗壓強(qiáng)度為87 MPa，骨料化學(xué)成分見表1。其中砂巖機(jī)制砂細(xì)骨料的表觀密度為2.66 g/cm3，細(xì)度模數(shù)為2.7，吸水率為0.89%，石粉含量為5.0%，MB值為1.25；砂巖粗骨料采用5～10 mm及10～20 mm二級配碎石，比例為3∶7，粗骨料表觀密度為2.62 g/cm3，松散和緊密堆積密度分別為1.49、1.66 g/cm3，壓碎值為8.9%。

表1 骨料的主要化學(xué)成分 %

（4）減水劑：廣州四航材料科技有限公司生產(chǎn)的HSP－V型聚羧酸高效減水劑。

1.2 試驗(yàn)配合比方案

本文探索了膠凝材料用量、水膠比、粉煤灰摻量（按膠凝材料總質(zhì)量計(jì)）、砂率等配合比參數(shù)以及機(jī)制砂中石粉含量對C55機(jī)制砂混凝土性能的影響，試驗(yàn)配合比見表2。

表2 試驗(yàn)配合比

1.3 性能測試方法

混凝土拌合物工作性參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試；抗壓強(qiáng)度和靜壓彈性模量參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試；干燥收縮和抗氯離子侵蝕性能參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

膠凝材料總量、水膠比、粉煤灰摻量、砂率及機(jī)制砂中石粉含量對C55機(jī)制砂混凝土性能的影響見表3。

表3 膠凝材料總量、水膠比、粉煤灰摻量、砂率及機(jī)制砂中石粉含量對C55機(jī)制砂混凝土性能的影響

2.1 C55砂巖機(jī)制砂混凝土工作性影響因素分析

采用調(diào)整減水劑的方式控制新拌混凝土工作性，坍落度和坍落擴(kuò)展度分別控制在（210±20）mm 及（530±20）mm，在工作性基本一致的前提下，分析配合比參數(shù)對混凝土所需減水劑用量以及混凝土和易性的影響。

由表2、表3可以看出：

（1）對比C6、C2、C7試樣可知，增大混凝土水膠比，可減少減水劑的用量，水膠比由0.30降為0.34時(shí)，減水劑用量由1.50%降至1.15%；適當(dāng)增大混凝土水膠比，可顯著降低新拌混凝土的粘聚性，有效避免“結(jié)板抓底”現(xiàn)象，提高新拌混凝土的施工性能。

（2）對比C4、C2、C5試樣可知，提高粉煤灰的摻量可有效降低新拌混凝土減水劑用量，當(dāng)粉煤灰摻量由20%增加到40%時(shí)，減水劑用量由1.50%降至1.30%，說明粉煤灰具有顯著的減水效果；可提高混凝土的包裹性和流動(dòng)性，有效降低混凝土“結(jié)板抓底”。

（3）對比C1、C2、C3試樣可知，在水膠比一致的前提下，隨膠凝材料用量的增加，所需減水劑用量不斷增大；另外，在膠凝材料用量為510 kg/m3時(shí)，新拌混凝土黏度增加，易“結(jié)板抓底”，不能滿足施工要求。

（4）對比C8、C2、C9試樣可知，隨砂率的增大，混凝土減水劑用量有所增加，當(dāng)砂率由39%增加到43%時(shí)，為獲得滿足施工需要的工作性，新拌混凝土減水劑用量需由1.35%提高到1.50%，盡管增加減水劑后新拌混凝土的流動(dòng)性得到提高，但混凝土仍然較黏，流動(dòng)性差。這主要由于隨砂率的提高，骨料比表面積增大，石粉及漿體量增多，造成表面吸水量增多所致。

（5）對比 S1、C2、S2、S3 試樣可知，隨機(jī)制砂中石粉含量增大，混凝土中減水劑用量不斷增加；當(dāng)石粉含量為3%時(shí)，新拌混凝土的包裹性稍差，有輕微泌水現(xiàn)象；石粉含量為5%～7%時(shí)，混凝土的和易性較好，無離析、泌水等情況發(fā)生；當(dāng)石粉含量增大到9%時(shí)，混凝土拌合物的流動(dòng)性較差，易“結(jié)板抓底”，不利于現(xiàn)場澆筑。

2.2 C55砂巖機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能影響因素分析

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

由表3可以看出：

（1）對比C1、C2、C3試樣可知，隨膠凝材料用量的增加，混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度均有所提高。

（2）對比C4、C2、C5試樣可知，隨粉煤灰摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度顯著降低，尤其對混凝土7 d強(qiáng)度的影響較為顯著，但對28 d強(qiáng)度的影響程度降低，當(dāng)粉煤灰摻量由20%提高到40%時(shí)，混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度降低了約13 MPa。

（3）對比C6、C2、C7試樣可知，水膠比對機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度有較大影響，當(dāng)水膠比由0.34降低到0.30時(shí)，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度提高了近10 MPa。

（4）對比C8、C2、C9試樣可知，砂率對機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響并不顯著。

（5）對比 S1、C2、S2、S3 試樣可知，隨砂巖機(jī)制砂石粉含量的增加，機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，砂巖機(jī)制砂石粉含量為5%時(shí)，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，當(dāng)石粉含量進(jìn)一步提高到9%時(shí)，混凝土的7d和28d抗壓強(qiáng)度均降低。砂巖機(jī)制砂石粉對混凝土性能的影響主要體現(xiàn)2個(gè)方面：一方面，適量的石粉含量可改善新拌混凝土的和易性，減少泌水、離析等現(xiàn)象，同時(shí)可優(yōu)化硬化水泥基漿體孔結(jié)構(gòu)分布[9]，提高混凝土的密實(shí)性，另外，砂巖機(jī)制砂石粉中的CaCO3還可與水泥中C3A反應(yīng)[7]，改善界面過渡區(qū)性能，進(jìn)而提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性；另一方面，過多的石粉含量對新拌混凝土施工性能和硬化混凝土的孔結(jié)構(gòu)有不利的影響，進(jìn)而造成力學(xué)性能和耐久性的降低。

（6）對比 H、S1、C2、S2、S3 試樣可知，在機(jī)制砂石粉含量不大于7%時(shí)，機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著高于普通河砂混凝土。

2.2.2 彈性模量

由表3可以看出：

（1）對比C1、C2、C3試樣可知，在水膠比一定的前提下，隨膠凝材料用量的增加，混凝土彈性模量先提高后降低，分析原因是由于增加膠凝材料用量，相應(yīng)的提高了混凝土強(qiáng)度，進(jìn)而提高了混凝土的彈性模量；但如果進(jìn)一步增加膠凝材料用量，相應(yīng)地增大了混凝土中漿體含量，從而造成混凝土彈性模量的降低[10]。

（2）對比 C4、C2、C5試樣可知，隨粉煤灰摻量的增加，混凝土的彈性模量先提高后降低。

（3）機(jī)制砂混凝土彈性模量隨水膠比的減小而提高，隨砂率的增大而降低，尤其當(dāng)砂率增大至43%時(shí)，混凝土的彈性模量顯著降低。

（4）對比 S1、C2、S2、S3 試樣可知，隨石粉含量的增加，機(jī)制砂混凝土彈性模量先提高后降低，在石粉含量為5%時(shí)，彈性模量最大；當(dāng)石粉含量大于7%時(shí)，彈性模量顯著降低?；炷恋膹椥阅Ａ颗c材料組成密切相關(guān)，粗骨料的質(zhì)量及體積含量對混凝土彈性模量影響尤為顯著。適量的機(jī)制砂可有效發(fā)揮石粉的微集料顆粒填充效應(yīng)，提高機(jī)制砂混凝土的整體密實(shí)性，進(jìn)而提高混凝土彈性模量。當(dāng)機(jī)制砂石粉含量進(jìn)一步增加時(shí)，相應(yīng)提高了混凝土中漿體的含量，相比粗骨料，水泥基漿體的彈性模量通常較低，因此造成隨石粉含量的增大，機(jī)制砂混凝土彈性模量有降低的趨勢[6]。

（5）對比 H、S1、C2、S2、S3試樣可知，相比普通河砂，當(dāng)石粉含量不大于7%時(shí)，機(jī)制砂混凝土的彈性模量高于普通河砂混凝土，但進(jìn)一步提高石粉含量，混凝土的彈性模量呈降低的趨勢。一方面，石粉含量對混凝土彈性模量的影響原理與對抗壓強(qiáng)度的影響基本一致；另一方面，石粉含量過多，會(huì)造成混凝土中漿體量增加，過多的漿體含量會(huì)降低混凝土骨料骨架作用效果，從而降低混凝土的彈性模量，使得石粉含量對混凝土彈性模量和抗壓強(qiáng)度影響還是有一定的差異。

2.3 C55機(jī)制砂混凝土干燥收縮影響因素分析

不同配合比混凝土的干燥收縮見圖1。

圖1 各因素對混凝土干燥收縮的影響

由圖1可知：提高粉煤灰的摻量，對機(jī)制砂混凝土的收縮有較好的抑制作用；降低混凝土水膠比，混凝土的收縮率有增大的趨勢；砂率顯著影響混凝土的干燥收縮，尤其當(dāng)砂率提高到43%時(shí)，混凝土的干燥收縮顯著增大；適量的石粉含量對混凝土的干燥收縮性能無顯著影響，相比河砂配制的混凝土，當(dāng)機(jī)制砂石粉含量為5%時(shí)，混凝土7 d前的干燥收縮顯著大于普通河砂混凝土，但28 d后機(jī)制砂混凝土的干燥收縮基本與普通河砂混凝土相當(dāng)，但當(dāng)石粉含量增加到7%時(shí)，混凝土不同齡期的干燥收縮率均有顯著的提高，分析其原因主要是由于適量的機(jī)制砂石粉含量可促進(jìn)膠凝材料早期的水化反應(yīng)，從而使得機(jī)制砂混凝土的早期收縮顯著大于河砂混凝土，但后期基本相當(dāng)，但過多的石粉會(huì)增加混凝土中的漿體含量，對混凝土收縮具有不利影響。

2.4 C55砂巖機(jī)制砂混凝土抗氯離子侵蝕影響因素分析

由表3可以看出：（1）不同技術(shù)條件下配制的砂巖機(jī)制砂混凝土均具有優(yōu)良的抗氯離子侵蝕性能，混凝土56 d的電通量小于1000 C，滿足工程設(shè)計(jì)要求；（2）降低水膠比和增大粉煤灰摻量可提高機(jī)制砂混凝土的抗氯離子侵蝕性能；（3）隨機(jī)制砂中石粉含量的增加，混凝土抗氯離子侵蝕性能先提高后降低，即石粉含量為3%～7%時(shí)，隨石粉含量的增加，混凝土電通量不斷降低，但當(dāng)石粉含量提高到9%時(shí)，混凝土電通量有所增大，因此，對于C55強(qiáng)度等級機(jī)制砂混凝土，建議砂巖機(jī)制砂中石粉含量不超過7%；（4）砂率對機(jī)制砂混凝土的抗氯離子侵蝕性能無顯著影響；（5）當(dāng)石粉含量不大于7%時(shí)，機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透性優(yōu)于普通河砂混凝土。

3 現(xiàn)場工程應(yīng)用

通過配合比參數(shù)、機(jī)制砂石粉含量等因素對C55砂巖機(jī)制砂混凝土的室內(nèi)試驗(yàn)研究，明確了影響機(jī)制砂混凝土工作性、力學(xué)性能及耐久性的主要因素，提出了砂巖機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)原則：（1）為保證機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能和抗氯離子侵蝕性能，水膠比不宜大于0.34；（2）綜合考慮混凝土早期力學(xué)性能、抗裂性能及耐久性等要求，建議單摻粉煤灰摻量不大于30%；（3）為保證機(jī)制砂混凝土的和易性、抗氯離子侵蝕性能，應(yīng)嚴(yán)格控制機(jī)制砂中石粉含量，宜控制在5%～7%，且機(jī)制砂MB值不宜大于1.4；（4）為確保機(jī)制砂混凝土的彈性模量，機(jī)制砂混凝土的砂率不宜大于41%。

蒙內(nèi)標(biāo)軌鐵路Ⅰ標(biāo)涵蓋10座鐵路橋，其中3座特大橋，包括蒙巴薩特大橋、馬澤拉斯特大橋（見圖2）等控制性工程，上述特大橋現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)采用C55強(qiáng)度等級混凝土，其早期力學(xué)性能、抗裂性能等指標(biāo)要求高。另外，蒙巴薩特大橋處于嚴(yán)酷的濱海環(huán)境，混凝土56 d的電通量不應(yīng)小于1000 C?；谏鲜雠浜媳仍O(shè)計(jì)原則，選取C2配合比作為現(xiàn)場混凝土配合比，其中機(jī)制砂中石粉含量控制為4.5%，MB值為1.3，上述配合比在蒙巴薩特大橋、馬澤拉斯特大橋等箱梁結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用，澆筑后的梁整體外觀無明顯缺陷，且現(xiàn)場同條件養(yǎng)護(hù)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為69 MPa，56 d電通量為640 C，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 馬澤拉斯特大橋

4 結(jié)論

依托肯尼亞蒙內(nèi)標(biāo)軌鐵路工程，利用砂巖機(jī)制砂制備C55高強(qiáng)混凝土，分析了膠凝材料總量、水膠比、粉煤灰摻量、砂率及機(jī)制砂中石粉含量對C55強(qiáng)度等級砂巖機(jī)制砂混凝土性能的影響。明確了配合比參數(shù)和砂巖機(jī)制砂中石粉含量的合理取值范圍，提出了滿足工程需要的砂巖機(jī)制砂混凝土配合比。通過現(xiàn)場工程檢驗(yàn)，混凝土工作性、力學(xué)性能及耐久性均滿足設(shè)計(jì)要求，研究結(jié)論可為我國企業(yè)在非洲其它類似工程提供技術(shù)參考。