程曉來(lái)，劉翌辰，任龍芳

(1.中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 10013)

該文依托金港(金邊-西哈努克港)高速公路工程，公路全長(zhǎng)187.05 km，全線共設(shè)橋梁(含分離立交、通道橋)總長(zhǎng) 6 876.96 m /112 座，混凝土用量大，保證混凝土質(zhì)量對(duì)于整個(gè)工程質(zhì)量的提升意義重大。

砂石骨料是混凝土中不可缺少的原材料。近年來(lái)大規(guī)模的工程建設(shè)使得優(yōu)質(zhì)天然砂石資源日趨匱乏，加之各國(guó)政府加緊了對(duì)天然砂石開采的管理及限制，導(dǎo)致天然砂石出現(xiàn)供應(yīng)困難、質(zhì)量下降、價(jià)格上漲等問(wèn)題[1]。機(jī)制砂部分或全部替代河砂用于混凝土工程成為必然。項(xiàng)目擬建線路周邊存在大量孤石，孤石一般直徑 0.50～2.00 m，可見最大直徑>5 m，亞圓型，堅(jiān)硬，主要礦物為石英和長(zhǎng)石，具備作為機(jī)制砂石骨料的潛力，該孤石主要巖性為凝灰?guī)r，含有SiO2、Al2O3、K2O和Na2O等主要成分，具有一定的化學(xué)活性，對(duì)于提升混凝土強(qiáng)度具有一定作用[2,3]。實(shí)現(xiàn)金港高速沿線廢棄孤石資源在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用，可以達(dá)到節(jié)約資源、提升工程質(zhì)量、降低工程成本的目的。

機(jī)制砂表面粗糙、尖銳多棱角，與水泥、集料等的粘結(jié)性較好，制備的混凝土強(qiáng)度較高，但由于顆粒級(jí)配差，容易對(duì)混凝土的工作性產(chǎn)生負(fù)面影響[4]；天然細(xì)砂表面光滑、棱角較少、粒徑分布較均勻，用于配制混凝土?xí)r可以起到潤(rùn)滑、填充骨料顆?？障兜淖饔?，有利于提高混凝土的流動(dòng)性[5]，但由于細(xì)度模數(shù)太低、比表面積過(guò)大，配制混凝土?xí)r需要更高的用水量及水泥用量才能保證混凝土的工作性能，故特細(xì)砂多用于強(qiáng)度等級(jí)較低的混凝土[6]。因此將機(jī)制砂和細(xì)砂混合使用，可充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，既能彌補(bǔ)顆粒級(jí)配的不足，又能減小細(xì)骨料的比表面積和孔隙率，解決兩種砂單獨(dú)使用時(shí)存在的問(wèn)題。但目前有關(guān)混合砂制備混凝土的工程應(yīng)用研究相對(duì)較少。該文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定出機(jī)制砂和天然細(xì)砂的最佳混合比例，采用混合砂配制出性能優(yōu)異的 C30 混凝土，該成果可為金港高速公路工程和類似工程提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

1)水泥：普通硅酸鹽42.5水泥，初凝161 min，終凝242 min，3 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別為22.3 MPa、49.2 MPa。

2)外加劑：聚羧酸高性能減水劑含固量為16.2%，減水率為18.2%。

3)Ⅱ級(jí)粉煤灰：細(xì)度11%，需水量99%。

4)細(xì)骨料：孤石機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.36，石粉含量9.6%，MB值1.1。

5)細(xì)砂：柬埔寨地區(qū)特細(xì)砂，細(xì)度模數(shù)1.92。

6)粗骨料：5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石，表觀密度2 642 kg/m3，堆積密度1 626 kg/m3，吸水率1.3%，壓碎值6.3%。

1.2 混合砂細(xì)度模數(shù)分析

機(jī)制砂和細(xì)砂按照8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8的比例混合，通過(guò)篩分試驗(yàn)計(jì)算細(xì)度模數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 混合砂的篩分?jǐn)?shù)據(jù)與細(xì)度模數(shù) /%

從表1可以看出，不同比例混合砂的細(xì)度模數(shù)均在2.3～3.0 mm之間，均屬中砂。隨機(jī)制砂摻量增多，混合砂的細(xì)度模數(shù)逐漸增大；所有的混合砂級(jí)配曲線均在Ⅱ區(qū)范圍內(nèi)，符合泵送混凝土對(duì)砂顆粒級(jí)配的要求。

1.3 試驗(yàn)配合比

在膠凝材料用量、用水量、水膠比、砂石用量、減水劑用量固定的前提下，將機(jī)制砂和細(xì)砂按不同比例進(jìn)行混合，制備C30混凝土。配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比

1.4 試驗(yàn)方法

參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50080—2016對(duì)混凝土工作性能進(jìn)行測(cè)試。

參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081—2019對(duì)混凝土力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，混凝土原材料在攪拌機(jī)中攪拌90 s，振動(dòng)成型試塊，放在溫度20 ℃，濕度60%的室內(nèi)放置24 h，然后拆模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，養(yǎng)護(hù)到試驗(yàn)齡期開展試驗(yàn)。

參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082—2009 對(duì)混凝土抗?jié)B性能進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 混合砂混合比例對(duì)混凝土工作性能的影響

混合砂混合比例對(duì)C30混凝土工作性能的影響如表3所示，隨機(jī)制砂比例的增大，混凝土坍落度呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律，和易性變化類似。在機(jī)制砂和細(xì)砂比例5∶5時(shí)，混凝土的和易性最佳、坍落度較大、坍損較小。在機(jī)制砂和細(xì)砂比例8∶2時(shí)，混凝土出現(xiàn)離析現(xiàn)象。主要原因：機(jī)制砂級(jí)配不合理，保水性差、易離析，且顆粒表面粗糙、有許多微裂縫和孔洞，會(huì)吸走拌合物中的水分，導(dǎo)致拌合物流動(dòng)性降低，坍落度減?。欢烊患?xì)砂的比表面積較大，膠凝材料及水膠比一定的情況下，過(guò)多細(xì)砂會(huì)增加混合砂的需水量，導(dǎo)致拌合物流動(dòng)性變差，坍落度降低[7]。

表3 混合砂混合比例對(duì)混凝土工作性的影響

2.2 混合砂混合比例對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

混合砂混合比例對(duì)C30混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖1所示，隨機(jī)制砂比例的增加，混凝土3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)機(jī)制砂摻量50%時(shí)，制備的C30混凝土的3 d、7 d和28 d的強(qiáng)度最高。28 d強(qiáng)度值達(dá)到45.9 MPa。這是因?yàn)闄C(jī)制砂的顆粒尖銳，多棱角，表面粗糙，使其與水泥漿體的粘結(jié)力增大，機(jī)械咬合作用增強(qiáng)，同時(shí)機(jī)制砂含有一定的石粉，可以填補(bǔ)混凝土中的孔洞，改善混凝土孔結(jié)構(gòu)，增加混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，改善早期抗裂性能[8]。但機(jī)制砂摻量過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)離析、泌水現(xiàn)象，拌和物的和易性較差，水分容易蒸發(fā)，導(dǎo)致缺少足夠水分參與水泥水化，混凝土界面的粘結(jié)性變差，混凝土抗壓強(qiáng)度降低，且機(jī)制砂過(guò)多導(dǎo)致石粉含量增多，混凝土拌合物出現(xiàn)干稠現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土開裂、強(qiáng)度降低。

2.3 混合砂混合比例對(duì)混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

混合砂混合比例對(duì)C30混凝工28 d劈裂抗拉強(qiáng)度的影響如圖2所示。隨機(jī)制砂摻量的增加，C30混凝土的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)和抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)相似。當(dāng)機(jī)制砂摻量50%時(shí)，混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度最大，達(dá)到3.29 MPa。機(jī)制砂的摻配比例由20%增加到50%，混凝土28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度增加了15%。機(jī)制砂的摻配比例在50%～80%之間混凝土的彈性模量呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)闄C(jī)制砂粗糙多棱角的粒型特性使其在混凝土中與水泥石及粗骨料的咬合力增加，顆粒堆積更緊密，混凝土各界面的摩擦力變大，進(jìn)而提高了劈裂抗拉強(qiáng)度。但機(jī)制砂摻量超過(guò)50%后，隨機(jī)制砂摻量的增加，石粉含量變多，混凝土拌合物容易變得干稠，進(jìn)而出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度降低。

2.4 混合砂混合比例對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響

混合砂混合比例對(duì)C30混凝工抗?jié)B性能的影響如圖3所示?；炷恋臐B透高度隨機(jī)制砂摻量的增加呈先降低后升高的變化規(guī)律，機(jī)制砂含量較少，導(dǎo)致細(xì)砂含量過(guò)高，在固定用水量和水膠比的條件下，較多的細(xì)砂會(huì)導(dǎo)致拌合物變粘稠，容易產(chǎn)生孔洞及干裂，混凝土抗?jié)B性能變差。當(dāng)機(jī)制砂摻量50%時(shí)，混凝土的抗?jié)B性能最好，滲透高度為21.6 mm。此時(shí)的機(jī)制砂可平衡細(xì)砂的顆粒級(jí)配，提高與水泥漿體的粘結(jié)性，減少混凝土中的水分運(yùn)輸通道，進(jìn)而提升混凝土的抗?jié)B性能。繼續(xù)增大機(jī)制砂比例，混凝土的滲透性能變差，主要因?yàn)闄C(jī)制砂含量過(guò)高導(dǎo)致級(jí)配變差、石粉含量過(guò)高，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土和易性變差、結(jié)構(gòu)密實(shí)度降低，抗?jié)B性能降低。

3 結(jié) 論

a.機(jī)制砂與細(xì)砂以不同的比例混合成混合砂，當(dāng)機(jī)制砂摻量由20%增至80%時(shí)，混合砂的細(xì)度模數(shù)逐漸增大，均處于級(jí)配Ⅱ區(qū)。

b.在膠凝材料用量、用水量、水膠比、砂石用量、減水劑用量固定的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)混合砂中機(jī)制砂與細(xì)砂的比例制備C30混凝土，得出結(jié)論：隨混合砂中機(jī)制砂摻量的增加，混凝土坍落度、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度均先增加后降低，滲透高度先降低后升高。在機(jī)制砂和細(xì)砂摻加比例為5∶5時(shí)，混凝土的工作性最好、抗壓強(qiáng)度最高、劈裂抗拉強(qiáng)度最大、抗?jié)B性能最好。

c.機(jī)制砂和細(xì)砂以5∶5的比例混合成混合砂制備C30凝土，所配制的混凝土坍落度為190 mm，1 h坍損為10 mm，3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別為25.5 MPa、35.8 MPa、45.9 MPa，28 d劈裂抗拉強(qiáng)度為3.29 MPa，滲透高度為21.6 mm。