機制砂在制樁用耐久性混凝土的應用研究

張 強 孫振平

1.同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室；2.上海盛庭科技發展有限公司

1 研究目的

根據機制砂混凝土和河砂混凝土性能對比試驗，構建機制砂配制離心樁混凝土的理論基礎。在此基礎之上，系統分析高效減水劑、礦物摻合料、水膠比和膠凝材料總量等因素對機制砂混凝土的蒸養強度和電通量的影響規律。提出滿足工作性能、力學性能和耐久性能要求的離心樁混凝土采用機制砂生產時的應用技術。

2 試驗結果及分析

2.1 機制砂和河砂對比試驗

2.1.1 標準養護混凝土試驗

對比試驗所用混凝土配合比如表1 所示。

根據表1 所示混凝土配合比，分別測試混凝土坍落度及1h經時損失、擴展度、凝結時間、抗壓強度、軸壓強度、彈性模量、劈裂抗拉強度、電通量、早期抗裂和收縮等項目，具體試驗結果如下所述。

表1 混凝土性能對比試驗配合比（kg∕m3）

（1）拌和物性能（見表2）。

從表2可知，機制砂混凝土與河砂混凝土的拌和物性能基本一致，坍落度、擴展度及經時損失均能夠滿足混凝土施工要求。從施工角度而言，機制砂完全可以替代天然砂來配制混凝土。

表2 拌和物性能試驗結果

（2）力學性能（見表3）。

表3 力學性能試驗結果

從表3 可知，機制砂混凝土的各種力學性能均優于河砂混凝土：①不同齡期的機制砂混凝土的抗壓強度和軸壓強度均高于河砂混凝土，且軸壓比規律相同。②機制砂混凝土的彈性模量、劈裂抗拉強度也高于河砂混凝土。③從力學性能角度而言，機制砂配制混凝土比天然砂有更多優勢。

（3）耐久性能-抗氯離子滲透（電通量法）（見表4）。

表4 氯離子滲透試驗結果

從表4 可知，機制砂混凝土抗氯離子滲透性能具有如下規律：①機制砂混凝土電通量均低于2000C，具有良好的抗氯離子滲透性能；②聚羧酸系減水劑配制機制砂混凝土的電通量值略低于萘系減水劑配制的機制砂混凝土，即采用聚羧酸系減水劑生產機制砂混凝土有利于提高混凝土抗氯離子滲透性能。

2.1.2 蒸養混凝土試驗（見表5、表6）

從上面試驗可知，機制砂完全可以替代河砂生產高性能混凝土，并宜采用聚羧酸系減水劑來獲得更好的混凝土性能。在此基礎上，本研究針對機制砂與天然砂蒸養混凝土進行對比試驗。

從表5和表6 可知，天然砂混凝土和機制砂混凝土的蒸養強度和電通量相差較小，標準養護試件的抗壓強度也表現相同規律。試驗結果表明，機制砂能夠替代天然砂生產相同性能要求的離心樁混凝土。

表5 機制砂與天然混凝土對比試驗配合比（kg∕m3）

表6 機制砂與天然混凝土對比試驗結果

2.2 其他原材料的影響

2.2.1 高效減水劑（見表7、表8）

從本研究可知，在標準養護條件下，采用聚羧酸系減水劑生產普通機制砂混凝土時，其性能優于萘系減水劑配制的機制砂混凝土。本研究針對蒸養混凝土進行了兩種減水劑地對比試驗。

從表7 和表8 可知，在蒸養條件下，聚羧酸系減水劑配制機制砂混凝土的拌和物性能、強度和電通量等均優于萘系減水劑配制的機制砂混凝土。因此，建議實際生產時采用聚羧酸系減水劑配制高性能蒸養混凝土。

表7 聚羧酸系和萘系減水劑對比試驗配合比（kg∕m3）

表8 聚羧酸系和萘系減水劑對比試驗結果

2.2.2 礦物摻合料（見表9、表10）

從上表9 和表10 可知，混凝土強度和電通量規律如下。

表9 礦物摻合料對機制砂混凝土性能影響的對比試驗配合比（kg∕m3）

表10 礦物摻合料對機制砂混凝土性能影響的試驗結果

（1）當采用標準養護時，摻加礦渣粉或粉煤灰對混凝土7d或28d 抗壓強度值影響不大，復摻比例達到30%（粉煤灰：礦渣粉=1：1）時抗壓強度略有降低；摻加硅灰則可顯著提高各齡期抗壓強度值。

（2）當采用蒸汽養護時，單獨摻加礦渣粉的混凝土強度和電通量，低于粉煤灰和礦渣粉復合摻加，更低于硅灰、粉煤灰和礦渣粉三者復合摻加。

（3）宜摻加礦物摻合料來改善蒸養機制砂混凝土的抗壓強度和電通量。

2.3 配合比參數的影響

2.3.1 水膠比（見表11、表12）

表11 不同水膠比對機制砂混凝土性能影響的對比試驗配合比（kg∕m3）

表12 不同水膠比對機制砂混凝土性能影響的對比試驗結果

從表11 和表12 可以看出，水膠比仍然是決定混凝土強度的最重要因素。

（1）當采用P.O52.5R 水泥配制水膠比0.28 混凝土時，采用各種優化措施可獲得的最高蒸養強度為83.2MPa，而最低強度則為60.9 MPa。

（2）當采用水膠比0.25 和0.26 時，蒸養強度可分別達到86.1∕89.9MPa 和85.7MPa。

（3）配制高耐久性C80 離心樁機制砂混凝土宜采用0.25 的水膠比。

2.3.2 膠凝材料總量（見表13、表14）

表13 膠凝材料總量對混凝土性能影響的對比試驗配合比（kg∕m3）

表14 膠凝材料總量對混凝土性能影響的對比試驗結果

從表13和表14 可知，在水膠比相同條件下，膠凝材料總量與混凝土性能關系如下：（1）增加膠凝材料總量可以提高混凝土拌和物性能，易于澆筑成型。（2）膠凝材料總量從530kg∕m3提高到580kg∕m3，機制砂混凝土的蒸養抗壓強度和電通量基本保持不變。（3）在不影響混凝土性能的情況下，可以通過調整膠凝材料用量來改善混凝土拌和物性能。

2.3.3 砂率

本研究采用36%～37%砂率，原因如下：（1）現行行業標準《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2000）規定高強混凝土砂率可取35%～42%。（2）對于C60～C80 預應力離心樁混凝土，一般樁廠進行配合比設計時會選用 450kg∕m3～550kg∕m3的膠凝材料總量，并采用36%～37%的砂率。（3）本研究經過大量試拌驗證試驗后，方采用36%～37%砂率，試驗結果良好。（4）進行現場工藝試驗時，可根據原材料情況進行調整。

3 研究結論

3.1 根據試驗結果分析，提出機制質量控制要求

（1）技術標準。機制砂宜滿足《普通混凝土用砂石質量及檢驗方法標準》（JGJ 52—2006）的質量要求。

（2）主控指標。①宜選用質地堅硬和粒形方正的機制砂，配制C80 高強混凝土時，機制砂的母巖強度不宜低于100MPa。②為非堿活性骨料。

（3）細度模數宜在2.6～3.0 之間，顆粒分布滿足II 區要求。

（4）堅固性指標不大于8%。

（5）石粉含量不宜大于7%（較標準略寬）。

（6）不允許含有泥塊。

在標準養護條件下，優質機制砂能夠替代天然砂生產高性能混凝土，并具有優異的拌和物性能、力學性能、耐久性能和長期性能，機制砂替代河砂具有堅實的科學依據。

在蒸養條件下，試驗證明優質機制砂能夠替代天然砂生產相同性能要求的預應力離心樁混凝土。

宜采用聚羧酸系減水劑，并摻用硅灰、粉煤灰和礦渣粉等礦物摻合料來提高機制砂混凝土的各種性能。

水膠比不變而增大膠凝材料總量可以改善蒸養混凝土的工作性能，同時對抗壓強度和電通量等其他性能影響較小，水膠比仍然是決定蒸養混凝土抗壓強度的重要因素，砂率可選用36%～37%。