基于板巖碎石HSCC 配合比試驗研究及應用

陳煥民，閉忠明，夏成勇，喬志超，吳 玉

（1.黔東南州水利投資（集團）有限責任公司,貴州 凱里 556000；2.北京華石納固科技有限公司,北京 100085）

0 引言

貴州黔東南地區地質常見板巖,組分主要為絹云母質、硅質、泥質、砂質等[1]。用板巖軋制的碎石不僅針片狀含量高,且具備堿骨料活性,用于水工建筑材料時需經試驗論證[2]。

高自密實性能混凝土（以下簡稱HSCC）采用絕對體積法進行配合比設計[3],相比常態混凝土其粉體用量高、碎石（一級配）用量少,體積收縮變形大。若采用板巖骨料拌制HSCC,受制于骨料粒型,為保證自密實性能滿足設計指標,在試配時只能減少石子體積用量,實際用量達不到規范建議的0.28 m3～0.33 m3[4],以貴州雷山縣翁養水庫為例,單方石子體積用量僅為0.245 m3。因此,為降低混凝土體積收縮變形,減少配合比中粉體尤其是水泥用量,需要研究如何提高混凝土配合比中板巖碎石的體積用量,從而達到節約材料成本、抑制收縮的目的。

聚羧酸減水劑是繼木質素、萘系等高效減水劑之后的新型高性能減水劑,通過在水泥顆粒或水化物上的吸附產生立體位阻效應,對水泥粒子起分散保持作用[5]。對聚羧酸減水劑進行復配,可將其從高減水、高保坍等單一功能型轉變為抗泥、降粘、緩釋等多功能復合型[6]。

本文通過探索在減水劑中摻加功能小料,以“提漿增包裹、降粘（潤滑）促流動”為技術路徑,獲得板巖碎石更高用量的HSCC 配合比,以及對應減水劑的復配方法。本次HSCC配合比設計中粉煤灰摻量均超60%,當粉煤灰摻量超30%對板巖骨料堿活性抑制效應明顯[7],因此對于板巖碎石的堿活性影響本文不作考慮。

1 試驗原材料

以貴州黔東南州南甲水庫工程HSCC 配合比試驗開展研究,試驗原材料見表1。

表1 混凝土配合比試驗原材料

功能小料的作用機理及種類：

（1）提漿。板巖碎石本身針片狀含量超標,提高骨料用量意味著漿體體積更少,更不利于混凝土流動,本文嘗試采用提漿小料增強包裹,小料分有機鈉鹽S（性狀為晶狀顆粒,無色無味）,摻量為膠凝材料用量的1.3?；無機鈉鹽P（性狀為粉末狀固體,白色無味）摻量為膠凝材料用量的2.0?。

（2）潤滑降粘。在保證混凝土抗壓強度前提下為獲得更低的水泥用量,需降低水粉比設計[8],而低水粉比意味著混凝土更高的粘度,增大混凝土泵送澆筑的難度。外加劑摻入引氣組分可解決此難題。在混凝土內部引入大量微小、獨立氣泡,這些氣泡如滾珠一樣改變混凝土內部骨料之間做相對運動時的摩擦機制,從滑動變為滾動,減少摩擦阻力,從而降低了粘度。

本次采用降粘小料為甙類化合物Y（性狀為粉末狀固體,黃色,有刺激性氣味）,摻量為膠凝材料用量的0.15?。

2 配合比設計

自密實混凝土配合比設計應確定拌合物中碎石體積、砂漿中砂的體積分數、水膠比、膠凝材料中礦物摻合料的用量和膠凝材料用量等參數。

式中：mg為碎石質量；Vg為碎石絕對體積；ρg為碎石表觀密度；ms 為細骨料質量；φs為砂率；ρs為細骨料表觀密度；Vp為漿體體積；Va為空氣體積；W/B 為水膠比；ρb為膠凝材料表觀密度；mb為膠凝材料質量；mca為外加劑質量。

3 試驗成果分析

試驗基于單方石子體積用量、配合比經濟性、HSCC 出機自密實性能、試塊強度指標四個方面進行分析。試驗思路為：

①逐步降低水粉比及水泥摻量,且提高總骨料用量。

②根據自密實性能檢測數據及混凝土狀態,在母料H 基礎上對應加入三種功能小料S、P、Y。試驗相關數據見表2。

表2 貴州南甲水庫HSCC 配合比試驗成果

加小料前：邊緣泌漿、骨料堆積、出料不連續；加小料后（a）：邊緣飽滿、骨料裹漿、出料連續；加小料后（b）：出機狀態良好；坍落度檢測 275 mm；擴展度檢測 730 mm,見圖1。

圖1 配合比試驗照片（部分）

推薦序號“6”為南甲水庫HSCC 設計最優配合比:其滿足HSCC 流動性（SF：650 mm～750 mm）、粘性（VF：7 s～25 s）、保塑性（SF、VF ≥1 h）等指標要求[8]；90 d 抗壓強度18.6 MPa可滿足C9015；抗滲、抗凍等級滿足W6、F50；水泥單方用量132 kg 最低,石子體積用量290 L 最高。

將配合比數據與翁養水庫對比,結果見圖2、表3。采用功能小料后提高碎石用量45 L、降低了水泥用量28 kg、混凝土單方成本降低3.5 元,但粉煤灰用量提高46 kg。

圖2 HSCC 配合比優化前后材料用量（單元：kg/m3）

表3 翁養、南甲水庫HSCC 配合比用量及材料成本

4 結論與展望

（1）通過加入提漿、降粘等功能小料復配聚羧酸高性能減水劑,HSCC 采用板巖碎石可提高45 L,水泥用量降低28 kg,混凝土材料成本降低3.5 元/m3；配合比優化后HSCC 出機自密實性能,以及90 天抗壓、抗滲、抗凍強度指標均可滿足設計要求。

（2）試驗采用小料S、P、Y 以外,是否還有其他類似功能同時價格更為低廉的產品可供替代,還需進一步的開展對比研究試驗。

（3）隨著石子用量提高,混凝土漿體量減少,機制砂用量也減少,折算砂中0.08 mm 以下微粒含量（此部分可等體積替代粉煤灰）相應減少,導致粉煤灰用量提高。調研黔東南地區粉煤灰廠家少且運距遠,這對項目施工組織及成本控制提出更高的要求。

下步可對板巖磨制石粉的性能展開試驗,分別對絹云母質、硅質、泥質、砂質等不同板巖進行取樣磨粉,對比檢測含泥量、壓碎指標、吸水率等指標,研究復合摻入活性球體硅鋁質材料（硅灰、粉煤灰、玻璃微珠等）、活性非球體硅鋁鈣質材料（粒化高爐礦渣粉、磷渣粉、建筑廢渣粉等）,最終實現少用或完全替代粉煤灰,提高對粉煤灰供應不足的風險管理。

（4）配合比優化后水泥用量雖然減少了,但膠凝材料總量提高了,這是因為板巖碎石針片狀含量過高,提高碎石用量后為保證混凝土包裹而不得已的措施。

下步可對板巖粗骨料軋制工藝開展研究,分別對絹云母質、硅質、泥質、砂質等不同板巖取樣,對各自產出碎石粒型分析,尋找粒型優化調整的關鍵工藝點,改善骨料界面與漿體粘結咬合特性,從源頭上降低粉體用量,進一步控制材料成本。

（5）關于自密實混凝土體積收縮變形監測,國內學者做過一些研究,李悅、郭奇建立了新的適合自密實混凝土的雙曲線型干縮預測公式[8],但對板巖材料屬性、堆石料大體積骨架支撐（即堆石混凝土）等約束條件下的參數尚未得知,板巖骨料用量提高對HSCC 收縮變形的抑制參數還需進一步研究。