郎貴軍，李軍偉，武劍鋒，袁斌

（中鐵二十四局集團(tuán)南昌鐵路工程有限公司，江西 南昌 330002）

0 引言

橋梁工程施工對(duì)泵送混凝土可泵性的要求隨橋墩高度的增加而增加。良好的流動(dòng)性是確保混凝土可泵性的關(guān)鍵。混凝土的流動(dòng)性與混凝土配料（特別是砂石料）的特性密切相關(guān)?；炷潦褂煤由撑淞嫌蓙?lái)已久，有把握保證混凝土的流動(dòng)性。然而，由于天然砂石料資源量日趨匱乏，采用機(jī)制砂石料替代天然砂石料配制混凝土已經(jīng)成為必然。相對(duì)于天然砂混凝土，機(jī)制砂混凝土使用時(shí)間較短，對(duì)于機(jī)制砂混凝土性能的把握與工程的要求還有很大差距。

不同學(xué)者對(duì)機(jī)制砂輪廓形狀、比表面積、表面粗糙度以及石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土流動(dòng)性及強(qiáng)度的影響進(jìn)行了一定程度的研究[1～7]。研究表明：機(jī)制砂質(zhì)地堅(jiān)硬、棱角突出、表面粗糙，有利于提高混凝土的強(qiáng)度，但同時(shí)也會(huì)增加混凝土的黏度；為達(dá)到與天然砂同樣的流動(dòng)性，機(jī)制砂混凝土配比需要加大水泥的含量和摻水量，以便形成更多的水泥漿包裹；另外，也要掌握好機(jī)制砂中石粉的含量（7%～9%），并適當(dāng)調(diào)節(jié)摻水量，從而獲得滿足泵送混凝土流動(dòng)性要求的混凝土黏性。機(jī)制砂基本上是采用當(dāng)?shù)毓こ滩牧?，機(jī)制砂原巖的性能多種多樣，因此對(duì)機(jī)制砂混凝土的性能，特別是對(duì)機(jī)制砂混凝土流動(dòng)性影響因素及其影響規(guī)律的研究還不夠全面，還不能很好地滿足混凝土施工對(duì)混凝土可泵性的調(diào)控。

本文以鎮(zhèn)赫高速翟底河大橋橋墩施工工程為依托，針對(duì)工程采用的當(dāng)?shù)夭牧蠙C(jī)制砂，研究不同配合比的高性能機(jī)制砂混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)的變化，探討砂率、水灰比、粉煤灰摻量對(duì)混凝土流動(dòng)性標(biāo)識(shí)參數(shù)（混凝土坍落度、擴(kuò)展度）的影響，為制定滿足本項(xiàng)目高橋墩混凝土澆筑要求的當(dāng)?shù)夭牧蠙C(jī)制砂混凝土最佳配合比方案、完善混凝土可泵性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、形成泵送混凝土可泵性成套保障技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

（1）依托翟底河大橋高橋墩工程，實(shí)地考查收集相關(guān)資料，了解當(dāng)?shù)夭牧蠙C(jī)制砂的行情、項(xiàng)目部實(shí)驗(yàn)室條件和現(xiàn)場(chǎng)具備的試驗(yàn)測(cè)試方法，為混凝土試驗(yàn)方案制定提依據(jù)。收集相關(guān)文獻(xiàn)、資料，初步確定試驗(yàn)研究原材料配比用量的區(qū)間。

（2）設(shè)計(jì)制作不同材料、不同配合比試驗(yàn)組的混凝土，以機(jī)制砂混凝土性能優(yōu)化為目標(biāo)開(kāi)展高強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土配合比實(shí)驗(yàn)，測(cè)量獲得每組混凝土的坍落度、擴(kuò)展度指標(biāo)。

（3）將混凝土組分摻量（配合比）視為影響因素，把混凝土流動(dòng)性（以坍落度、擴(kuò)展度參數(shù)為代表）作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)機(jī)制砂混凝土配合比和流動(dòng)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，確定滿足工程強(qiáng)度要求的機(jī)制砂混凝土的優(yōu)化配合比。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料選取

機(jī)制砂混凝土配制原材料主要包括水泥、機(jī)制砂、粗骨料、粉煤灰和高效減水劑。

2.1.1 水泥

試驗(yàn)采用工程中常用的52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，所選品牌水泥的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)采用水泥的物理力學(xué)參數(shù)

2.1.2 機(jī)制砂

機(jī)制砂顆粒棱角較多，常為多面三角形或立方體狀，其質(zhì)地的好壞直接影響混凝土的施工和易性和泵送性能。本文研究采用依托工程實(shí)際使用的當(dāng)?shù)夭牧蠙C(jī)制砂，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》[8]和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[9]要求。所采用的機(jī)制砂性能指標(biāo)見(jiàn)表2，表中所謂的“表觀密度”指的是按包含空隙在內(nèi)的單位外形體積物料的質(zhì)量。

表2 試驗(yàn)采用的機(jī)制砂性能指標(biāo)

2.1.3 粗骨料

粗骨料強(qiáng)度、顆粒形狀、表面特征、級(jí)配、雜質(zhì)含量、吸水率等對(duì)高性能混凝土性能影響較大，因此，粗骨料選取對(duì)配置高性能混凝土十分重要。

本文研究采用依托項(xiàng)目砂石料廠自制的5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石作為試驗(yàn)混凝土的粗骨料，所選用的粗骨料顆粒級(jí)配合理、針片狀少、孔隙率小，根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[10]檢驗(yàn)，所采用的碎石符合JTG/T 3605—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[9]中II類技術(shù)要求。試驗(yàn)采用的粗骨料的性能指標(biāo)列在表3中。

表3 試驗(yàn)采用的粗骨料性能指標(biāo)

2.1.4 粉煤灰

適量的粉煤灰會(huì)改良混凝土顆粒級(jí)配、減小空隙率，有利于降低水膠比，并且會(huì)使混凝土早期強(qiáng)度減小，后期強(qiáng)度明顯提高。試驗(yàn)選用的粉煤灰符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土的粉煤灰》[11]要求。選用的粉煤灰性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)采用的粉煤灰性能指標(biāo)

2.1.5 減水劑

所選用的LZ-R1聚羧酸高性能緩凝型減水劑符合GB8076—2008《混凝土外加劑》[12]要求，所選減水劑的具體性能指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)采用的減水劑性能指標(biāo)

2.2 配合比設(shè)計(jì)

如表6所示，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了15組混凝土配合比，每組制作12個(gè)試塊。其中，水灰比指的是混凝土拌和的用水量（質(zhì)量，kg）與凝膠材料摻量（水泥+粉煤灰摻入質(zhì)量，kg）的比值；砂率指的是混凝土中細(xì)骨料（砂）質(zhì)量（kg）與骨料（細(xì)骨料和粗骨料質(zhì)量之和，kg）的比值。

表6 混凝土配合比正交試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）坍落度、擴(kuò)展度與水灰比的關(guān)系

試驗(yàn)中進(jìn)行了五組混凝土坍落度、擴(kuò)展度與水灰比關(guān)系試驗(yàn)，這五組試驗(yàn)的混凝土配合比以及通過(guò)試驗(yàn)得到的混凝土坍落度和擴(kuò)展度平均值列于表7中。圖1和圖2所示分別為這五組試驗(yàn)得到的坍落度以及擴(kuò)展度隨水灰比變化的關(guān)系曲線（圖中散點(diǎn)為不同試樣的實(shí)測(cè)值）。

表7 混凝土水灰比組配合比及坍落度、擴(kuò)展度測(cè)定結(jié)果

如圖1（a）所示，當(dāng)其他條件（粉煤灰含量、砂率、減水劑）一定時(shí)，隨水灰比的增加，混凝土的初始坍落度先增大后減小，在水灰比為0.32時(shí)初始坍落度最大（202.5mm）；如圖1（b）所示，拌和1h后的混凝土坍落度隨水灰比變化的趨勢(shì)也是隨著水灰比的增加先增大后減小，在水灰比0.34時(shí)的坍落度達(dá)到最大值210mm。

圖1 混凝土坍落度隨水灰比的變化

如圖2（a）所示，當(dāng)其他條件（粉煤灰含量、砂率、減水劑）一定時(shí)，混凝土的初始擴(kuò)展度與水灰比的相關(guān)性不是太好，總的趨勢(shì)是初始擴(kuò)展度隨水灰比的增加，先增大后減小，按統(tǒng)計(jì)關(guān)系，在水灰比為0.34時(shí)擴(kuò)展度達(dá)到最大（587.5mm）。如圖2（b）所示，拌和1h后的混凝土拌和物擴(kuò)展度與水灰比的相關(guān)性較初始擴(kuò)展度好，按統(tǒng)計(jì)關(guān)系，1h后擴(kuò)展度隨水灰比的增加也表現(xiàn)出先增大后減小的特點(diǎn)，在水灰比0.34時(shí)的擴(kuò)展度達(dá)到最大值588.8mm。

圖2 混凝土擴(kuò)展度隨水灰比的變化

（2）塌落度、擴(kuò)展度與砂率的關(guān)系

本文共進(jìn)行了五組混凝土拌和物坍落度、擴(kuò)展度與砂率的關(guān)系試驗(yàn)，各組配合比方案以及試驗(yàn)得到的坍落度和擴(kuò)展度的平均值數(shù)據(jù)列于表8中，混凝土坍落度和擴(kuò)展度隨砂率的變化情況分別示于圖3和圖4中（圖中散點(diǎn)為不同試樣的實(shí)測(cè)值）。

表8 砂率組混凝土配合比及坍落度、擴(kuò)展度測(cè)定結(jié)果

圖3 混凝土坍落度隨砂率的變化

圖4 混凝土擴(kuò)展度隨砂率的變化

如圖3（a）所示，當(dāng)其他條件一定時(shí)，混凝土拌和物砂率與坍落度的關(guān)系較為明顯，初始坍落度隨著砂率的增加，先增大后減小，在砂率為0.38時(shí)，初始坍落度達(dá)到最大值200mm。如圖3（b）所示，與初始擴(kuò)展度相同，拌和1h后的混凝土拌和物坍落度也是在砂率為0.38時(shí)達(dá)到最大值210mm。

如圖4（a）所示，當(dāng)其他條件一定時(shí)，隨著砂率的增加，初始擴(kuò)展度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在砂率為0.4時(shí)，初始擴(kuò)展度達(dá)到最大值597.5mm。由圖4（b）可見(jiàn)，拌和1h后的混凝土拌和物擴(kuò)展度隨著砂率的增加也是先增大后減小，砂率在0.4時(shí)1h后擴(kuò)展度達(dá)到最大值580mm。

（3）坍落度、擴(kuò)展度與粉煤灰摻量的關(guān)系

本文共進(jìn)行了五組混凝土拌和物粉煤灰摻量與坍落度、擴(kuò)展度的關(guān)系試驗(yàn)，試驗(yàn)混凝土配合比及試驗(yàn)測(cè)定的混凝土坍落度和擴(kuò)展度的平均值數(shù)據(jù)如表9所示，試驗(yàn)關(guān)系曲線如圖5、圖6所示（圖中散點(diǎn)為不同試樣的實(shí)測(cè)值）。

圖5 混凝土坍落度隨粉煤灰摻量的變化

圖6 混凝土擴(kuò)展度隨粉煤灰摻量的變化

表9 粉煤灰組混凝土配合比及坍落度、擴(kuò)展度試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

如圖5（a）所示，當(dāng)其他條件一定時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土拌和物初始坍落度先增大后減小，在粉煤灰摻量為60kg·m-3時(shí)，混凝土拌和物初始坍落度達(dá)到最大值197.5mm。由圖5（b）可見(jiàn)，拌和1h后的混凝土拌和物坍落度隨著粉煤灰摻量的增加，先增大后減小，在粉煤灰摻量為80kg·m-3時(shí)，混凝土拌和物1h后坍落度可以達(dá)到210mm。

如圖6所示，當(dāng)其他條件一定時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土拌和物初始擴(kuò)展度和拌和1h后的擴(kuò)展度都隨粉煤灰摻量的增加而先增大后減小，在粉煤灰摻量為60kg·m-3時(shí)，初始擴(kuò)展度達(dá)到最大值573.8mm；在粉煤灰摻量為80kg·m-3時(shí)，拌和1h后擴(kuò)展度達(dá)到最大值545.0mm。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在試驗(yàn)設(shè)定的水灰比變化范圍內(nèi)，混凝土配合比中其它材料的摻入量固定時(shí)，隨著水灰比的增加，混凝土初始和1h后坍落度、擴(kuò)展度呈先增加后減小的趨勢(shì)。

（2）在試驗(yàn)設(shè)定的粉煤灰摻量變化范圍內(nèi)，混凝土配合比中其它材料的摻入量固定時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土坍落度、擴(kuò)展度均先增大后減小。

（3）在試驗(yàn)設(shè)定的砂率變化范圍內(nèi)，混凝土配合比中其它材料摻入量固定時(shí)，隨著砂率的逐漸增大，混凝土初始和1h后坍落度、擴(kuò)展度先增大，后逐漸降低。