C35機制砂路面混凝土的制備及性能研究*

郭立賢，任彥飛，邱冰，焦元，陳劍剛，馬云龍，曾欠譜

(1.佛山市公路橋梁工程監測站有限公司，廣東 佛山 528300；2.佛山市交通科技有限公司，廣東 佛山 528300)

相較于河砂，機制砂為人工骨料，存在粒徑粗、級配差、細度模數高、石粉含量高等缺陷。使用機制砂配制的混凝土其性能較差，存在黏度高、流動性差、易泌水、和易性差等問題，嚴重制約了機制砂混凝土在路橋工程中的應用。但機制砂作為機械加工形成的骨料，其材料性能可通過調整工藝參數進行調整，其性能指標也可調可控。相關研究表明，通過合理的工藝控制可降低機制砂顆粒的表面粗糙度，優化機制砂的顆粒級配，合理控制機制砂的石粉含量和含泥量，盡可能彌補機制砂的天然缺陷。同時在配制機制砂混凝土的過程中，通過優化配合比和外加劑摻量，可大大降低機制砂混凝土的黏度，改善混凝土的和易性，提高混凝土的強度和耐久性。經技術優化后，機制砂混凝土的綜合性能可以與普通天然河砂混凝土相當。該文主要研究C35機制砂路面混凝土的配合比及其性能，分析水膠比、粉煤灰摻量對C35機制砂路面混凝土和易性、力學性能及電通量、干燥收縮、早期抗裂性能等的影響，研究C35機制砂路面混凝土的最佳配合比參數。

1 原材料

采用的原材料及其基本性能見表1。

表1 原材料產地與基本性能

2 試驗方法

2.1 性能要求

參照JTG/T 3310—2019《公路工程混凝土結構耐久性設計規范》及現有研究成果和經驗，從提高機制砂混凝土質量的角度，從混凝土電通量方面提出配合比指標要求(見表2)。

表2 C35混凝土的性能要求

2.2 配合比

結合以往設計經驗和試驗驗證，初步估算試驗配合比參數范圍為水膠比0.35～0.39、粉煤灰含量10%～20%。固定用水量為142 kg/m3，砂率為37%(見表3)。

3 試驗結果與分析

3.1 水膠比的影響

根據參考配合比，研究水膠比變化對混凝土工作性能和力學性能的影響。考慮到膠凝材料總量對混凝土的收縮和開裂性能有較大影響，在調整水膠比時保持用水量不變，水膠比的變化通過調整膠凝材料用量來控制，減水劑用量隨水膠比的變化適當增減，以保證各試驗組混凝土混合料的和易性基本相同。水膠比分別為0.35、0.37、0.39，試驗配合比見表3。不同水膠比混凝土的工作性能試驗結果見表4，力學性能試驗結果見圖1、圖2，耐久性試驗結果見表5。

表5 不同水膠比混凝土的耐久性

圖2 不同水膠比混凝土的抗折強度與彈性模量

表3 試驗配合比

表4 不同水膠比混凝土的性能

圖1 不同水膠比混凝土的抗壓強度

由表4可知：不同水膠比混凝土的坍落度和擴展度大致相同，但流動阻力的黏度不同。隨著水膠比的增大，混凝土的澆筑時間縮短，黏度降低。表觀密度與混凝土的水膠比成反比，這主要與混凝土組成材料中密度較低的水泥漿比例增加有關?？偟膩碚f，各試驗組混凝土的性能均滿足配制要求，狀況良好，適合于泵送施工。

由圖1、圖2可知：混凝土的抗壓強度、抗折強度、彈性模量均隨著水膠比的增大而減小。水膠比為0.39時，混凝土的力學性能接近極限值?？紤]到施工過程中各種潛在波動，為保證現場混凝土的施工質量，實際施工中應選擇較低的水膠比(0.37)。

由表5可知：1)隨著水膠比的增大，混凝土28 d干縮先減小后增大，水膠比為0.37時最低；隨著水膠比的增加，混凝土漿骨比降低，二者的協同作用使混凝土干縮先減小后增大。2)隨著水膠比的增大，混凝土單位面積總開裂面積先減小后增大，水膠比為0.37時最小。為防止混凝土早期開裂，應選擇水膠比為0.37。3)水膠比為0.35時，混凝土的電通量最低；隨著水膠比的增大，混凝土的電流量呈增加趨勢。

3.2 粉煤灰摻量的影響

粉煤灰摻量影響混凝土中粉體顆粒的堆積和填充，進而影響混凝土混合料的和易性與混凝土中水化產物的組成，從而影響混凝土的強度和耐久性。根據參考配合比，分析粉煤灰摻量變化對混凝土各項性能的影響。粉煤灰摻量是一個單變量，在配合比調整過程中，外加劑用量保持不變。粉煤灰摻量分別為10%、15%、20%，配合比見表3。不同粉煤灰摻量混凝土的性能試驗結果見表6，力學性能試驗結果見圖3、圖4，耐久性試驗結果見表7。

表7 不同粉煤灰摻量混凝土的耐久性

圖4 不同粉煤灰摻量混凝土的抗折強度與彈性模量

表6 不同粉煤灰摻量混凝土的性能

圖3 不同粉煤灰摻量混凝土的抗壓強度

由表6可知：20%粉煤灰摻量混凝土的含氣量不符合制備要求。隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的坍落度和擴展度增加，和易性改善，混凝土澆筑時間縮短，黏度降低。這主要是由于粉煤灰的“形態效應”和“微集料效應”減少了混凝土的內部空隙，并在骨料之間發揮潤滑作用，從而顯著提高混凝土的流動性，降低混凝土的黏度。隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土含氣量增大，濕表觀密度降低。為控制混凝土含氣量，需適當控制粉煤灰摻量。

由圖3、圖4可知：隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的7 d抗壓強度保持不變，然后降低；28 d抗壓強度、抗折強度和彈性模量均先升高后降低。粉煤灰摻量為15%時，混凝土的力學性能最好。粉煤灰提高了混凝土的密實度，優化了泥漿和骨料之間界面的微觀形態，提高了混凝土的強度?？傊?，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土含氣量增大，影響混凝土的強度。粉煤灰摻量對混凝土的多重影響導致混凝土強度在摻入粉煤灰后先增加后降低。

由表7可知：1)隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土28 d干縮先減小后增大，粉煤灰摻量為15%時最小。2)隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土單位面積總開裂面積先減小后增大，粉煤灰摻量為15%時最小。為防止混凝土早期開裂，應選擇15%的粉煤灰摻量。3)隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的電通量先減小后增大，粉煤灰摻量為15%時電通量最小?？傊S著粉煤灰摻量的增加，混凝土含氣量增大，導致混凝土中氣孔數量增加，混凝土的電流量增加。粉煤灰摻量對混凝土的多重影響導致混凝土的電通量在摻入粉煤灰后先減小后增大。

綜上，考慮到各種配合比參數對混凝土性能的影響，配合比A(水膠比0.37，粉煤灰摻量15%，膠凝材料總量382 kg/m3，砂率37%)的性能最好。

4 結論

(1)控制用水量不變，改變膠凝材料用量，分析水膠比變化對混凝土和易性、力學性能與耐久性的影響，確定最佳水膠比為0.37。

(2)分析粉煤灰摻量對粉體顆粒在混凝土中堆積和填充的影響，研究粉煤灰摻量對混凝土和易性、力學性能與耐久性的影響，得出粉煤灰最佳摻量為15%。

(3)采用機制砂配制的混凝土具有黏度高、流動性差、易泌水、和易性差等特點，但通過合理的工藝控制，可優化機制砂的粒度分布。在配制機制砂混凝土的過程中，采用合理的配合比和外加劑摻量，可降低機制砂混凝土的黏度，改善混凝土的和易性，提高混凝土的強度和耐久性，其綜合性能可與普通天然河砂混凝土相當甚至更好。