不同級配機制砂超高性能水工混凝土性能影響研究

李德豐

（遼寧省黑山縣水利事務服務中心，遼寧 錦州 121400）

隨著科學技術及水利事業的快速發展，工程建設對原材料的要求不斷提高，多功能性、高韌性、強耐腐蝕性和高耐久性建筑材料必將成為未來的發展方向。超高性能混凝土(UHPC)憑借其高抗拉性能和優異的耐久性能被廣泛應用于道路、橋梁及水利等工程領域[1,2]。這種新型高性能水泥基復合材料對養護條件和原材料品質要求較高，加之利用高鋼纖維摻量、高膠材摻量、低水膠比的設計配合比，使得混凝土生產成本高、黏度大、工藝較復雜，大規模應用及現場澆筑受到一定限制[3-7]。為降低工程成本，有學者利用粗骨料及河砂開展了試驗研究，但對超高性能水工混凝土性能受機制砂級配的影響研究還鮮有報道。鑒于此，本文利用常規養護方法，采用機制砂替代石英砂配制超高性能水工混凝土，深入探討了機制砂細度和級配對試樣工作性能、抗折強度、抗壓強度以及微觀形貌的影響，并進一步揭示其高耐久高強的作用機理。

1 試驗方法

1.1 原材料準備

本試驗所用水泥為中國葛洲壩集團生產的P·Ⅱ52.5 級水泥，所用粉煤灰漂珠200 目，硅灰的活性二氧化硅含量不低于90%，比表面積19150m2/kg；將普通工程用機制砂剔除2.36mm以上的顆粒，緊密、松散堆積密度1650kg/m3和1482kg/m3，各級篩余見表1。試驗選用長徑比70 的端鉤鋼纖維，長度12mm，抗拉強度不低于2880MPa；外加劑用蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸高效減水劑，減水率30%，拌合水用當地自來水。

表1 試驗用機制砂各級篩余

1.2 試驗方案

鑒于現有研究較少利用機制砂制備超高性能水工混凝土的實際情況，本研究結合前期的探索性試驗數據初步設計幾組配合比，如表2 所示。

表2 超高性能水工混凝土配合比設計

試驗過程中，先按設計配合比預先精準稱量粉料，把粉料加入攪拌機預拌60s 均勻混合，然后倒入減水劑和水的混合液攪拌120s，再加入稱量好的機制砂攪拌120s，最后向攪拌機內加入端鉤鋼纖維攪拌180s。本試驗選用160mm×40mm×40mm 試模裝入拌和好的混合料，為了保證試樣密實性振動30 次成型，室內靜置24h 后脫模放入標養室養護。儀器采用天辰YAW-300C 全自動抗折抗壓試驗機和賽默飛Axia Chemi SEM 掃描電子顯微鏡測試混凝土的力學性能及微觀結構特征。

2 結果與分析

2.1 不同機制砂細度

一般機制砂主要存在中間粒徑顆粒少、粗顆粒多、級配差和粒型粗的問題，結合表1 中各級篩余，將粒徑大于2.36mm 的顆粒剔除后，0.3～0.15mm(50～100 目) 顆粒占比較小，而0.3～0.6mm(30～50 目)、0.6～1.18mm(16～30 目)顆粒占比較大，所以需要較多次篩分才能獲取50～100目顆粒機制砂。為了保證混凝土施工效率，本試驗選用粒徑0.3～0.6mm(30～50 目)和0.6～1.18mm(16～30目)機制砂進行研究，單一粒徑機制砂試樣的工作性能如圖1 所示，力學性能如圖2 所示。

圖1 單一粒徑水工混凝土工作性能

圖2 單一粒徑水工混凝土力學性能

從圖1 可以看出，超高性能水工混凝土中摻單一粒徑范圍機制砂的工作性能良好，各組試樣的工作性能均不低于215mm，除了3#16～30 目機制砂超高性能水工混凝土外均可實現自流平，膠材相同情況下摻30～50 目機制砂試樣的工作性能優于16～30 目機制砂試樣；摻粒徑范圍相同的機制砂，超高性能水工混凝土工作性能隨粉煤灰漂珠摻量的提高而增大，隨硅灰摻量的提高而降低，并且降幅較為明顯。

從圖2(a)可以看出，各組水工混凝土28d 抗折強度整體較高，3#試樣28d 抗折強度最低也達到28.5MPa。從圖2(b)可以看出，各組試樣的抗壓性能比較優異，除3#16～30 目機制砂超高性能水工混凝土28d 抗壓強度較低為132.5MPa，其它各組試樣均達到150MPa 以上?？傮w而言，超高性能水工混凝土力學性能最優的是2#摻16～30 目機制砂組，其28d 抗折、抗壓強度達到了36.0MPa 和160.6MPa，故選用單一粒徑范圍機制砂能夠滿足超高性能水工混凝土應用要求。超高性能水工混凝土力學性能較差的為3#摻16～30 目機制砂組，這是由于所拌混凝土工作性能較差，水泥基體中的鋼纖維難以均勻分布，在一定程度上削弱了鋼纖維的緊箍搭接作用。

2.2 不同機制砂級配

對50～10 目、30～50 目和16～30 目粒徑范圍機制砂按照最緊密堆積原理進行試驗，從而探討剔除2.36mm 以上顆粒和緊密狀態下機制砂對超高性能水工混凝土性能的影響。首先，通過二級配處理30～50 目和16～30 目機制砂，合理確定最緊密狀態下兩者的質量比例，然后在最緊密狀態的混合砂中摻入50～100 目機制砂，計算確定三者的質量比，如表3 所示。

表3 二級配和三級配機制砂堆積密度 kg/m3

結果表明，16～30 目、30～50 目機制砂按照3：7 混合時緊密堆積密度達到最大1550kg/m3，其次是按5∶5 混合時的1545kg/m3，故二級配混合比例取3∶7 達到最佳。然后將50～100 目機制砂與二級配最佳混合比例機制砂按5∶5 混合，測定16～30 目、30～50 目、50～100 目三級配機制砂緊密堆積密度，結果顯示2∶5∶3 時三級配機制砂緊密堆積密度達到最大1660kg/m3。

結果顯示，當摻入較多的50～100 目機制砂時，16～30 目、30～50 目機制砂按1∶1 或者3∶7 混合時三級配混合砂緊密堆積密度均較高，但配置超高性能水工混凝土的工作性能較低（見圖3），與單一粒徑范圍機制砂試樣相比復配機制砂所制備的水工混凝土工作性能稍差。這是因為在復配機制砂時，較細顆粒受外力作用易出現微裂紋，并且顆粒越細表面出現的微裂紋越多，從而導致細顆粒存在一定的水分吸附作用，所以摻入50～100 目機制砂特別是在低水膠比情況下，細顆粒對水分的吸附作用大于緊密堆積的“密實填充效應”，致使新拌混凝土工作性能有所下降[9-10]。

圖3 復配機制砂水工混凝土工作性能

通過對比圖2、圖4 可知，與摻單一粒徑范圍機制砂試樣相比復配機制砂配制的水工混凝土力學性能增長并不明顯，究其原因是微細顆粒具有一定的水分吸附作用，在一定程度上降低了水泥水化生成的C-S-H 凝膠含量，但這部分負面作用被“緊密堆積密實填充效應”所抵消。因此，在保證水工混凝土工作性能的情況下可以適當摻入50～100 目機制砂，不宜引入更小粒徑機制砂。

圖4 復配機制砂水工混凝土力學性能

從圖3、4 可以看出，與直接摻剔除2.36mm以上顆粒機制砂試樣相比復配機制砂制備的水工混凝土工作性能及力學性能更優，究其原因是剔除2.36mm 以上顆粒的機制砂含有較多的微細顆粒，并且其級配較差。復配機制砂配制的水工混凝土28d 抗折強度均不低于35MPa，28d 抗壓強度不低于150MPa。總體而言，按4∶4∶2 混合16～30目、30～50 目、50～100 目機制砂配制的混凝土工作性能及力學性能最優，28d 抗折、抗壓強度達到40.0MPa 和168.6MPa。

2.3 SEM 掃描電鏡

為進一步探討不同齡期水化產物微觀形貌以及水泥石與集料、基體與纖維的結合情況，采用賽默飛Axia Chemi SEM 掃描電子顯微鏡測試4∶4∶2三級配機制砂試樣的微觀結構,可以看出在水泥基體中鋼纖維能夠連續錯向搭接分布，對于微裂紋的形成及擴展產生有效的抑制作用，并且纖維的環箍搭接效應有利于降低混凝土干縮。齡期3d 時水泥石與端鉤鋼纖維就可以緊密結合，在鋼纖維表面黏附的C-S-H 凝膠可以減少水泥石基體中的微裂縫及原始孔，早期水化生成的基體結構比較致密；隨著齡期的延長大量的C-S-H 凝膠附著于鋼纖維表面，水泥石基體與鋼纖維之間未發現明顯的微細裂縫，足夠的水化產物可以非常緊密地包裹兩者，所以鋼纖維的錯向搭接分布可以有效提升混凝土的力學性能[11-12]。

水泥石—集料的界面過渡區是混凝土結構的最薄弱區域，兩者的結合程度在很大程度上決定了混凝土的整體耐久性及力學性能。研究發現，在標準養護條件下漿體的早期水化產物以CH 晶體和C-S-H 凝膠為主，齡期3d 時水泥石—集料界面過渡區存在微裂縫，水化產物還無法緊密包裹住集料；齡期達到28d 時水泥石—集料界面過渡區未出現明顯微裂縫，水化產物能夠非常緊密地包裹集料，這種致密結構明顯提高了混凝土的力學性能，漿體內的水化產物以AFT 與CH 晶體、C-S-H 凝膠為主。

通過市場調研及對比分析可知，采用機制砂替代石英砂可降低超高性能水工混凝土成本約500元/m3，并且試樣的工作性能及力學性能良好，能夠達到工程使用要求，所以其應用前景非常廣闊。

3 結論

1）一般養護條件下，采用機制砂配制的超高性能水工混凝土工作性能及力學性能能夠達到工程設計要求，并且用機制砂替代石英砂有利于降低工程成本。

2）復配機制砂較單摻剔除2.36mm 以上粒徑機制砂配制的混凝土工作性能及力學性能有所提升，結合力學性能及工作性能，按4 ∶4∶2 混合16～30 目、30～50 目、50～100 目機制砂配制的混凝土綜合性能最優，與單一粒徑機制砂相比復配機制砂配制的混凝土強度提高作用并不明顯，并且工作性能出現變差的情況，在保證水工混凝土工作性能的情況下可以適當摻入50～100 目機制砂，不宜引入更小粒徑機制砂。

3）經微觀分析，基體中的鋼纖維連續錯向搭接分布，水化產緊密物附著于鋼纖維表面；水泥石—集料的界面過渡區未發現裂縫，水化產物可以緊密地包裹集料，這種致密結構明顯提高了混凝土的力學性能。