混合砂對C55地鐵混凝土耐久性的影響及機理分析

曹亮

（福建東南鐵正工程質量檢測有限公司，福建 福州 350019）

混合砂對C55地鐵混凝土耐久性的影響及機理分析

曹亮

（福建東南鐵正工程質量檢測有限公司，福建 福州 350019）

本文通過對福州地鐵長樂段某標段 C55 混凝土配方設計試驗數據，探討了運用于有氯鹽環境機制砂混凝土配合比技術要求及混凝土特性。通過 RCM 法、電通量法、抗硫酸鹽侵蝕系數法、靜力受壓彈性模量試驗法及抗壓強度法等方式，測試機制砂與天然河砂通過不同摻配比例設計的混凝土配合比，發現機制砂石粉含量在 10%以內時，隨著機制砂摻量的增加（石粉含量也相應的增加），電通量、氯離子擴散系數值相應降低，抗硫酸鹽侵蝕系數、靜力受壓彈性模量、抗壓強度相應增大。經試驗論證后的機制砂混凝土成功運用在有氯鹽環境的福州地鐵長樂段某標段 C55 混凝土中。

機制砂；石粉；混凝土；耐久性能

1 概述

作為混凝土重要組成部分的細集料——天然河砂資源日益短缺，為避免過度開采、濫采，影響生態以及江河防洪堤、航運和橋梁使用安全，有必要通過推廣應用機制砂滿足建設工程用砂。

機制砂在粒狀、級配等方面與河砂有明顯的區別，并且含有大量粒徑小于 0.075mm 的“石粉”，其性狀與“泥粉（河砂中粒徑小于 0.075mm 的顆粒）”幾乎完全不同。近年來，隨著對混凝土研究的不斷深入，嚴格控制機制砂質量，合理調整配合比，機制砂越來越多地運用于各個重點工程的混凝土中，適量的石粉反而對機制砂混凝土的工作性、強度及耐久性有增強作用。

福州是一個沿海城市，很多重要基礎設施，如跨海大橋、堤壩等海工建筑物，以及在建的地鐵項目，所用的混凝土都需要有較高的抗氯離子侵蝕能力。因此，開發合格的、具有較好的抗氯離子滲透性能等耐久性能的機制砂混凝土是十分必要的。本文根據對福州地鐵長樂段某標段 C55 混凝土配比方案試驗，討論機制砂不同配比在有氯鹽環境下混凝土耐久性表現特性。

2 混合砂配比試驗

2.1 混凝土耐久性設計方案

TB 10424—2010《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》對不同環境作用等級和不同使用年限的混凝土最低強度等級、最大水膠比及單方膠凝材料最低用量都做了一系列規定。氯鹽環境下重要的配筋混凝土工程，宜在設計中提出混凝土抗氯離子侵入性的指標作為混凝土耐久性質量控制標準之一。可通過 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中：

（1）快速氯離子遷移系數法（或稱 RCM 法）測得氯離子擴散系數 DRCM值；

（2）測定通過混凝土試件的電通量，確定混凝土抗氯離子滲透能力。

根據標準及筆者的工作經驗，本文所要研究的配合比技術指標要求如下：

（1）氯鹽環境下的配筋混凝土應采用大摻量或較大摻量礦物摻合料的低水膠比混凝土。

（2）RCM（56d）≤3.0×10-12m2/s。

（3）電通量（56d）≤1000C。

（4）膠材方面：宜復合使用粉煤灰加礦渣或兩種以上的礦物摻合料，盡可能避免使用早強水泥和 C3A含量偏高的水泥，為了提高抗滲性能，宜摻入優質粉煤灰（≥Ⅱ級灰）等超細礦物摻合料，以控制混凝土初期開裂與收縮裂縫，以確保結構混凝土自防水性能。

（5）集料方面：選用堅固耐久、級配合格、粒形良好的潔凈骨料，粗骨料最大粒徑不宜大于 30mm，且不應大于鋼筋骨架最小凈間距的 3/4，宜采用 5～25mm粒徑。骨料應滿足骨料級配和粒形的要求，并應采用單粒級石子兩級配，不得采用堿活性骨料，骨料的堿—硅酸鹽反應砂漿棒膨脹率或堿—碳酸鹽反應巖石柱膨脹率小于 0.10%，細骨料在開采、運輸、堆放和使用過程中，應采取防止遭受海水污染或混用海砂的措施。

2.2 試驗原材料

（1）水泥：福州臺泥水泥有限公司生產的 P·Ⅱ52.5 水泥。

（2）天然砂：產地福州閩江。

（3）人工砂：產地福州長樂。

（4）碎石：產地福州長樂，采用 5～10mm 和10～25mm 混合的二級配反擊破碎石。

（5）粉煤灰：三友兄弟（福建）非金屬有限公司生產的 F 類 Ⅰ級粉煤灰。

表 1 骨料性能指標檢驗

表 2 膠凝材料性能指標檢驗

（6）減水劑：西卡河北建筑材料有限公司生產的型號為 HPWR-A 的高性能減水劑。

（7）礦渣粉：福建源鑫環保科技有限公司生產的S95 型礦粉。

（8）拌合用水為自來水。

原材料檢驗數據如表 1 和表 2。

表 1 與表 2 檢驗數據均符合混凝土耐久性指標及TB 10424—2010《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》要求，可以用于有氯鹽環境要求的 C55 地鐵混凝土設計。

2.3 試驗結果及分析

在其他原材料用量一定的前提下，通過機制砂與河砂不同摻配比例設計配合比，使用 RCM 法、電通量法、抗硫酸鹽侵蝕系數法、靜力受壓彈性模量試驗法及抗壓強度法等方式檢測不同摻配比例混合砂對混凝土耐久性的影響。

各配合比如表 3 所示。

表 3 根據砂的不同摻配比例設計的配合比 kg/m3

根據不同摻配比例的混合砂設計的配合比進行試驗，試驗數據如表 4。

表 4 不同摻配比例砂的混凝土數據檢驗指標

（1）不同摻配比例的混合砂對混凝土抗壓強度的影響，如圖 1。

圖 1 不同摻配比例砂的混凝土各齡期強度

根據 GB/T 14684—2011《建設用砂》要求，當機制砂 MB＜1.4 時，用于混凝土中機制砂石粉含量不應大于 10%。因而本次機制砂石粉含量控制在 10% 以內，檢驗結果為 8.1%。由圖 1 可以發現，隨著機制砂摻量增多（石粉含量也隨之增加），強度也隨之提高，因為：1）石粉顆粒較細，對混凝土結構有一定的填充作用，可以有效填充混凝土內部顆粒孔隙，改變了混凝土孔隙結構，使硬化后機制砂混凝土結構更加致密；2）石粉具有活性，在水化過程中可與水泥發生反應，生成使混凝土更加密實的碳鋁酸鹽，提高了混凝土強度。

（2）不同摻配比例的混合砂對混凝土電通量或氯離子遷移系數的影響，如圖 2、圖 3。

圖 2 不同摻配比例砂的混凝土電通量值

圖 3 不同摻配比例砂混凝土的氯離子擴散系數值

從圖 2、3 數據可以看出，隨著混合砂中機制砂比例不斷提高（石粉含量隨之提高），電通量與氯離子擴散系數不斷減小，因為石粉的填充效應可以增加混凝土密實度，減少毛細孔數量和界面泌水率，同時，由于機制砂表面棱角較多，從而增強了漿體與機制砂表面的粘結力，從而提高了混凝土的密實度，提高了混凝土抗氯離子能力。

（3）不同摻配比例的混合砂對混凝土彈性模量的影響，如圖 4。

圖 4 不同摻配比例砂混凝土的彈性模量值

從圖 4 數據可以看出，隨著機制砂比例不斷提高，石粉含量也隨之增大，彈性模量也隨著增大，因為混凝土彈性模量不僅與混凝土強度有關，還與混凝土受壓變形量有關，由于機制砂表面比河砂粗糙，從而可以提高漿體與集料表面的粘結力，顆粒之間機械齒合力強，降低變形量，進而增大彈性模量。

（5）不同摻配比例的混合砂對混凝土抗蝕系數的影響，如圖 5。

圖 5 不同摻配比例砂混凝土的抗蝕系數值

由圖 5 數據可以看出，隨著混合砂在混凝土中摻配比例不斷提高，抗蝕系數呈微弱增大趨勢，因為水泥混凝土硫酸鹽侵蝕是一個復雜的物理化學過程，混凝土組分因侵蝕而發生變化，一些學者認為，硫酸鈉對含有石粉的混凝土的侵蝕破壞，主要是因為鈣礬石和石膏的生成及膨脹導致混凝土試件破壞，造成混凝土強度降低，硬化水泥中的水化產物與反應生成鈣礬石晶體，這種晶體填充在混凝土試件內部的空隙中，并且不斷膨脹體積，隨著反應的進行，鈣礬石晶體在試件內部的空隙里不斷積累，毛細管中的晶體壓力不斷增大，由此產生的壓力發展到一定程度，會使局部發生斷裂，開裂處形成新的表面，顆粒脫落，會導致混凝土強度降低，質量降低；而破壞的人工砂中鈣礬石晶體明顯少于河砂中的晶體，進一步驗證了人工砂混凝土抗硫酸鹽侵蝕強于河砂混凝土。

3 結論

（1）機制砂石粉量在 10% 以內，在混合砂中，隨著機制砂比例不斷提高（石粉隨著提高），直至提高到完全摻配機制砂，混凝土抗壓強度有增大趨勢。

（2）機制砂石粉量在 10% 以內，在混合砂中，隨著機制砂比例不斷提高（石粉隨著提高），直至提高到完全摻配機制砂，混凝土氯離子擴散系數和電通量呈降低趨勢。

（3）機制砂石粉量在 10% 以內，在混合砂中，隨著機制砂比例不斷提高（石粉隨著提高），直至提高到完全摻配機制砂，混凝土彈性模量有增大趨勢。

（4）機制砂石粉量在 10% 以內，在混合砂中，隨著機制砂比例不斷提高（石粉隨著提高），直至提高到完全摻配機制砂，石混凝土抗蝕系數呈微弱增大趨勢。

（5）本文通過機制砂與河砂的不同摻配比例，重點研究了對混凝土抗壓強度、電通量、氯離子擴散系數、抗蝕系數及彈性模量等性能指標的影響，發現隨著機制砂摻配比例不斷的提高，混凝土各項性能指標都有顯著提升，當達到全部摻配機制砂時，配合比的各項性能指標較各種摻配比例為最優，并且該配合比成功運用于福州地鐵六號線長樂段某標段。

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曹亮（1985—），男，工程師，本科，主要從事混凝土配合比設計研究。

［通訊地址］福州市倉山區螺洲鎮杜園村 6 號 福建東南鐵正工程質量檢測有限公司（350019）