C35機(jī)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(jiān)測(cè)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(jī)制砂為人工骨料，存在粒徑粗、級(jí)配差、細(xì)度模數(shù)高、石粉含量高等缺陷。使用機(jī)制砂配制的混凝土其性能較差，存在黏度高、流動(dòng)性差、易泌水、和易性差等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了機(jī)制砂混凝土在路橋工程中的應(yīng)用。但機(jī)制砂作為機(jī)械加工形成的骨料，其材料性能可通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，其性能指標(biāo)也可調(diào)可控。相關(guān)研究表明，通過(guò)合理的工藝控制可降低機(jī)制砂顆粒的表面粗糙度，優(yōu)化機(jī)制砂的顆粒級(jí)配，合理控制機(jī)制砂的石粉含量和含泥量，盡可能彌補(bǔ)機(jī)制砂的天然缺陷。同時(shí)在配制機(jī)制砂混凝土的過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化配合比和外加劑摻量，可大大降低機(jī)制砂混凝土的黏度，改善混凝土的和易性，提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性。經(jīng)技術(shù)優(yōu)化后，機(jī)制砂混凝土的綜合性能可以與普通天然河砂混凝土相當(dāng)。該文主要研究C35機(jī)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(duì)C35機(jī)制砂路面混凝土和易性、力學(xué)性能及電通量、干燥收縮、早期抗裂性能等的影響，研究C35機(jī)制砂路面混凝土的最佳配合比參數(shù)。

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(chǎn)地與基本性能

2 試驗(yàn)方法

2.1 性能要求

參照J(rèn)TG/T 3310—2019《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》及現(xiàn)有研究成果和經(jīng)驗(yàn)，從提高機(jī)制砂混凝土質(zhì)量的角度，從混凝土電通量方面提出配合比指標(biāo)要求(見表2)。

表2 C35混凝土的性能要求

2.2 配合比

結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證，初步估算試驗(yàn)配合比參數(shù)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(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水膠比的影響

根據(jù)參考配合比，研究水膠比變化對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響?？紤]到膠凝材料總量對(duì)混凝土的收縮和開裂性能有較大影響，在調(diào)整水膠比時(shí)保持用水量不變，水膠比的變化通過(guò)調(diào)整膠凝材料用量來(lái)控制，減水劑用量隨水膠比的變化適當(dāng)增減，以保證各試驗(yàn)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(yàn)配合比見表3。不同水膠比混凝土的工作性能試驗(yàn)結(jié)果見表4，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2，耐久性試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度與彈性模量

表3 試驗(yàn)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(qiáng)度

由表4可知：不同水膠比混凝土的坍落度和擴(kuò)展度大致相同，但流動(dòng)阻力的黏度不同。隨著水膠比的增大，混凝土的澆筑時(shí)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(guān)?？偟膩?lái)說(shuō)，各試驗(yàn)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(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量均隨著水膠比的增大而減小。水膠比為0.39時(shí)，混凝土的力學(xué)性能接近極限值?？紤]到施工過(guò)程中各種潛在波動(dòng)，為保證現(xiàn)場(chǎng)混凝土的施工質(zhì)量，實(shí)際施工中應(yīng)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(shí)最低；隨著水膠比的增加，混凝土漿骨比降低，二者的協(xié)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(shí)最小。為防止混凝土早期開裂，應(yīng)選擇水膠比為0.37。3)水膠比為0.35時(shí)，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(shì)。

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(jìn)而影響混凝土混合料的和易性與混凝土中水化產(chǎn)物的組成，從而影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。根據(jù)參考配合比，分析粉煤灰摻量變化對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響。粉煤灰摻量是一個(gè)單變量，在配合比調(diào)整過(guò)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(yàn)結(jié)果見表6，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見圖3、圖4，耐久性試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)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(qiáng)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(kuò)展度增加，和易性改善，混凝土澆筑時(shí)間縮短，黏度降低。這主要是由于粉煤灰的“形態(tài)效應(yīng)”和“微集料效應(yīng)”減少了混凝土的內(nèi)部空隙，并在骨料之間發(fā)揮潤(rùn)滑作用，從而顯著提高混凝土的流動(dòng)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(dāng)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(qiáng)度保持不變，然后降低；28 d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量均先升高后降低。粉煤灰摻量為15%時(shí)，混凝土的力學(xué)性能最好。粉煤灰提高了混凝土的密實(shí)度，優(yōu)化了泥漿和骨料之間界面的微觀形態(tài)，提高了混凝土的強(qiáng)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(qiáng)度。粉煤灰摻量對(duì)混凝土的多重影響導(dǎo)致混凝土強(qiáng)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(shí)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(shí)最小。為防止混凝土早期開裂，應(yīng)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(shí)電通量最小?？傊?，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土含氣量增大，導(dǎo)致混凝土中氣孔數(shù)量增加，混凝土的電流量增加。粉煤灰摻量對(duì)混凝土的多重影響導(dǎo)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(shù)對(duì)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(jié)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(duì)混凝土和易性、力學(xué)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(duì)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(duì)混凝土和易性、力學(xué)性能與耐久性的影響，得出粉煤灰最佳摻量為15%。

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