基于不同機(jī)制砂級(jí)配的水工混凝土性能研究

胥德豐

（北票市哈爾腦鄉(xiāng)水利服務(wù)站，遼寧 朝陽(yáng) 122100）

近年來(lái)，我國(guó)水利工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，砂石作為工程用量最多的一種建筑材料，對(duì)其需求日趨增大。受限于生態(tài)環(huán)境和資源壓力，天然砂石越來(lái)越少，機(jī)制砂替代天然砂逐漸成為支撐水利事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主力砂石源[1-4]。機(jī)制砂相較于河砂，經(jīng)不同生產(chǎn)工藝整形、篩分、破碎生產(chǎn)出的品質(zhì)也具有明顯差異。目前，機(jī)制砂主要存在石粉含量超標(biāo)、超出級(jí)配范圍、級(jí)配不良等質(zhì)量問(wèn)題，機(jī)制砂混凝土通常存在和易性不良的情況[5]。拌合物工作性能受機(jī)制砂級(jí)配的影響顯著，一般利用細(xì)度模數(shù)和累計(jì)篩余來(lái)反映機(jī)制砂的級(jí)配問(wèn)題，在一定程度上常出現(xiàn)石粉含量多、中間顆粒少、粗顆粒多的“啞鈴型”級(jí)配，機(jī)制砂級(jí)配符合標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ區(qū)要求時(shí)，也可能對(duì)水工混凝土性能帶來(lái)負(fù)面影響[6-8]。鑒于此，本文結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求，試驗(yàn)探討了不同級(jí)配石灰?guī)r機(jī)制砂對(duì)水工混凝土性能的影響，并提出適宜的機(jī)制砂級(jí)配控制范圍。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：海螺P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，標(biāo)稠用水量26.1%，安定性合格，細(xì)度(80μm)0.5%，初凝、終凝時(shí)間160min和245min，3d、28d抗折強(qiáng)度為4.6MPa和7.1MPa，抗壓強(qiáng)度為22.4MPa和43.6MPa。

粉煤灰：鞍山成達(dá)電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，需水量比95%，28d活性指數(shù)，細(xì)度20.4%，密度2.26g/cm3，燒失量3.0。

礦粉：鐵嶺金泰S95級(jí)礦渣粉，流動(dòng)度比102%，28d活性指數(shù)95%，密度2.85g/cm3，比表面積450m2/kg。

細(xì)骨料：石灰?guī)r人工機(jī)制砂，亞甲藍(lán)值0.5g/kg，表觀密度2720kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.6，石粉含量4.5%，單級(jí)壓碎值17.0%，飽和面干吸水率1.6%，片狀顆粒含量8.2%，級(jí)配如表1所示，經(jīng)顆粒級(jí)配調(diào)整試驗(yàn)用機(jī)制砂符合試驗(yàn)要求。

表1 機(jī)制砂級(jí)配

將機(jī)制砂砂顆粒視為球形，定義比表面積指數(shù)為質(zhì)量相同情況下每一粒級(jí)砂比相鄰粒級(jí)砂的粒徑相差1/2，比粒度就是各粒級(jí)比較面積指數(shù)與相應(yīng)分級(jí)篩余的乘積之和，依據(jù)表2計(jì)算砂子比粒度，即（1/2）α1+α2+2α3+4α4+8α5+16α6=砂子比粒度。機(jī)制砂細(xì)度可以用比粒度來(lái)表征，因與顆粒表面積高度相關(guān)，故比粒度比細(xì)度模數(shù)能夠更加精準(zhǔn)地反映機(jī)制砂細(xì)度。

表2 比例度計(jì)算方法

粗骨料：天然花崗巖碎石，兩個(gè)粒級(jí)5～10mm:10～25mm=1:2，混 合 后 的 碎 石 堆 積 密 度1580kg/m3，空隙率40.5%，壓碎指標(biāo)6%，吸水率0.5%。

減水劑：科諾QW-4聚羧酸高效減水劑，摻量取膠凝材料用量的2.0%，摻減水劑水泥凈漿流動(dòng)度240mm，1h坍落度損失10mm，含固量16.8%，減水率30%。

拌合水：當(dāng)?shù)刈詠?lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)《建設(shè)用砂》、《高性能混凝土用骨料》等相關(guān)規(guī)范，遵循以下原則合理設(shè)計(jì)石灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配：首先，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求合理調(diào)整粗、中、細(xì)砂級(jí)配，并標(biāo)注不同級(jí)配的所屬來(lái)源，確保配制出的機(jī)制砂符合Ⅰ級(jí)區(qū)、Ⅱ級(jí)區(qū)的級(jí)配范圍，如表3所示；其次，對(duì)特定粒徑進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)分計(jì)篩余保證被調(diào)整的粒級(jí)超出現(xiàn)行規(guī)范所要求，即每個(gè)粒級(jí)設(shè)置兩種情況，低于和高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的分計(jì)篩余范圍，在此基礎(chǔ)上調(diào)整機(jī)制砂細(xì)度，如表4所示。其中，X、Y代表標(biāo)準(zhǔn)以?xún)?nèi)和標(biāo)準(zhǔn)以外分組。

表3 規(guī)范規(guī)定級(jí)配范圍

表4 標(biāo)準(zhǔn)以?xún)?nèi)和以外的級(jí)配設(shè)計(jì)

依據(jù)《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，合理設(shè)計(jì)C30、C50強(qiáng)度水工混凝土配合比，如表5所示。

表5 水工混凝土配合比設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 C30水工混凝土性能

2.1.1 對(duì)拌合物和易性的影響

通過(guò)調(diào)整減水劑摻量，控制C30水工混凝土坍落度≥240mm，擴(kuò)展度不低于550mm，從而保證大流態(tài)試配要求，如表6所示。

表6 C30新拌混凝土和易性

從表6可以看出，機(jī)制砂細(xì)度越小則新拌混凝土整體性越好，相應(yīng)的外加劑用量也較少。比粒度＜5.0，細(xì)度模數(shù)＞2.7即可符合現(xiàn)行規(guī)范分計(jì)篩余要求，外加劑摻量提高并且拌合物性能變差。

通過(guò)調(diào)整水工混凝土單個(gè)粒級(jí)分計(jì)篩余，在使其它粒徑符合規(guī)范要求級(jí)配區(qū)的情況下，0.3mm這一粒徑對(duì)拌合物保水性、粘聚性作用明顯且不宜超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)范圍；0.6mm這一粒徑對(duì)拌合物保水性、粘聚性也非常重要，分計(jì)篩余不應(yīng)低于規(guī)定下限值；若0.6mm粒徑的分計(jì)篩余超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)40%，則0.3mm粒徑宜取下限；0.15mm粒徑的分計(jì)篩余超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)上限，則0.3、0.6mm粒徑的分計(jì)篩余處于15%～20%范圍，并不會(huì)嚴(yán)重影響拌合物和易性；1.18mm粒徑也在一定程度上影響著拌合物黏聚性，但作用不明顯，這一粒徑不宜低于標(biāo)準(zhǔn)的下限或斷檔。0.15mm、0.3mm、0.6mm粒徑的分計(jì)篩余總量≥50%，若低于該值應(yīng)保證2.36mm及以上粒徑和2.36以下粒徑總量之比＜1/3，故機(jī)制砂比粒度的最佳取值區(qū)間4.0～7.5。

2.1.2 對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

不同機(jī)制砂級(jí)配的C30水工混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表7所示。結(jié)果表明，符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的分計(jì)篩余不會(huì)對(duì)C30水工混凝土強(qiáng)度造成較大影響。總體而言，X組強(qiáng)度略高于Y組，表明良好的級(jí)配能夠有效改善混凝土強(qiáng)度。比粒度能夠用于描述機(jī)制砂級(jí)配，對(duì)于超出正常范圍的機(jī)制砂比粒度，其級(jí)配不良，不符合現(xiàn)行規(guī)范要求，特別是0.15mm、0.3mm、0.6mm分計(jì)篩余過(guò)低時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響拌合物和易性以及混凝土強(qiáng)度[9]。

表7 C30水工混凝土抗壓強(qiáng)度

2.1.3 對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響

標(biāo)養(yǎng)56d時(shí)，試驗(yàn)測(cè)定不同比粒度機(jī)制砂C30水工混凝土的電通量如表8所示。

表8 C30水工混凝土電通量

從表8可以看出，C30水工混凝土電通量和抗氯離子滲透性受機(jī)制砂級(jí)配的影響不明顯，電通量總體處于1200～1600C范圍，級(jí)配不良組的電通量較高，各組試樣的氯離子滲透性較低。

2.2 C50水工混凝土性能

2.2.1 對(duì)拌合物和易性的影響

通過(guò)調(diào)整減水劑摻量，控制C50水工混凝土坍落度不低于240mm，擴(kuò)展度不低于550mm，從而保證大流態(tài)試配要求，如表9所示。

表9 C50新拌混凝土和易性

試驗(yàn)表明，石灰?guī)r機(jī)制砂過(guò)細(xì)或過(guò)粗都會(huì)引起C50大流態(tài)水工混凝土狀態(tài)不良，此時(shí)宜選用Ⅰ級(jí)區(qū)級(jí)配，機(jī)制砂比粒度的最佳取值區(qū)間5.0～6.0。

2.2.2 對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

不同機(jī)制砂級(jí)配的C50水工混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表10所示。結(jié)果表明，C50水工混凝土強(qiáng)度受機(jī)制砂級(jí)配的影響未表現(xiàn)出明顯規(guī)律性，各組試樣均符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求[10-12]。總體而言，機(jī)制砂過(guò)細(xì)度組的強(qiáng)度稍低，較粗組的水工混凝土強(qiáng)度較高。

表10 C50水工混凝土抗壓強(qiáng)度

2.2.3 對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響

標(biāo)養(yǎng)56d時(shí)，試驗(yàn)測(cè)定不同比粒度機(jī)制砂C50水工混凝土的電通量如表11所示。

表11 C50水工混凝土電通量

從表11可以看出，C50水工混凝土電通量和抗氯離子滲透性受機(jī)制砂級(jí)配的影響不顯著，電通量總體處于400～800C范圍，機(jī)制砂級(jí)較優(yōu)的X組水工混凝土電通量相對(duì)較低。

3 結(jié) 論

1）現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的石灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配區(qū)分計(jì)篩余范圍科學(xué)合理，總體上新拌混凝土和易性符合標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是0.3mm、0.6mm粒徑的分計(jì)篩余不應(yīng)低于規(guī)定下限值，0.15mm、0.3mm、0.6mm粒徑的分計(jì)篩余總量≥50%。

2）相對(duì)于細(xì)度模數(shù)，比粒度是能夠更加精確地表征機(jī)制砂細(xì)度和級(jí)配的一個(gè)重要指標(biāo)，機(jī)制砂比粒度的最佳取值區(qū)間4.0～7.5。C30水工混凝土宜選用細(xì)度較小的石灰?guī)r機(jī)制砂，可以適當(dāng)提高石粉和細(xì)顆粒含量；機(jī)制砂級(jí)配過(guò)細(xì)或過(guò)粗，都會(huì)導(dǎo)致C50水工混凝土拌合物狀態(tài)不良，

3）C50水工混凝土級(jí)配過(guò)細(xì)或過(guò)粗，都會(huì)導(dǎo)致拌合物狀態(tài)不良，此時(shí)宜選用Ⅰ級(jí)區(qū)級(jí)配，機(jī)制砂比粒度的最佳取值區(qū)間5.0～6.0。

4）C30水工混凝土強(qiáng)度受機(jī)制砂級(jí)配影響不顯著，但良好的級(jí)配能夠有效改善混凝土強(qiáng)度；對(duì)于C50水工混凝土，機(jī)制砂過(guò)細(xì)度組的強(qiáng)度稍低，較粗組的強(qiáng)度稍高。水工混凝土電通量受機(jī)制砂級(jí)配的影響不明顯，但機(jī)制砂級(jí)較優(yōu)組的混凝土電通量相對(duì)較低，其抗氯離子滲透性較好。