混合砂配制 C60泵送混凝土的應用研究

姜興彥，修曉明，殷艷春，韓宇，劉洪江

（中建商品混凝土沈陽有限公司，遼寧　沈陽　110000）

混合砂配制 C60泵送混凝土的應用研究

姜興彥，修曉明，殷艷春，韓宇，劉洪江

（中建商品混凝土沈陽有限公司，遼寧沈陽110000）

我國細砂、人工砂資源豐富，通過將不同比例的細砂、人工砂進行混合使用配制 C60高強混凝土，并研究其可泵性。結果表明：最佳比例的細砂、人工砂摻和的混合砂可以替代天然中砂配制 C60泵送混凝土。通過優選原材料，合理配置粗細骨料比例、細砂和人工砂比例，達到骨料的最緊密堆積。通過調整混凝土外加劑，可顯著降低混凝土粘滯阻力，提高混凝土可泵性。通過對評價混凝土可泵性的各項性能指標進行試驗測試，最終配制出和易性良好、可泵性高的混凝土。

混合砂；緊密堆積；泵送混凝土；可泵性

0　引言

混凝土是土木工程中用途最廣、用量最大的一種建筑材料，砂是混凝土中占比較大的重要原材料。但近些年來，隨著建筑業發展要求的日益增長，混凝土的使用量急劇增大，導致我國大部分地區中砂資源匱乏，阻礙了混凝土技術的發展。隨著現代技術的發展，細砂和人工砂被越來越多的人所關注。細砂是細度模數為2.2～1.6、平均粒徑為0.35～0.25mm 的細骨料。人工砂是軋制并篩分碎石所得的粒徑為2～10mm 的粒料，其表面比中砂粗糙，有尖銳棱角，不僅含有大顆粒且含有較多的粒徑小于0.16mm 的石粉，這種級配拌合物的強度較高，與水泥的粘結性好。人們已經開始對細砂、人工砂的性能以及其在商品混凝土中的應用進行相關研究。然而通過將細砂、人工砂按適當比例進行復合制成混合砂并系統研究其各項性能，使用混合砂配制 C60高強泵送混凝土可泵性的研究，并未得到人們足夠的重視。

將細砂和人工砂進行復合使用可發揮各自的優勢，有效克服單獨使用時存在的各種問題。在充分研究混合砂各項性能的基礎上，使用混合砂配制 C60泵送混凝土并對比中砂配制 C60混凝土各項性能指標，研究其可泵性，為混合砂在高強泵送混凝土中的應用提供理論依據。

1　試驗

1.1原材料

1.1.1水泥與礦物摻合料

試驗所用的水泥（C）為亞泰 P·O42.5水泥，粉煤灰（FA）為佳實 I 級粉煤灰，礦粉（SL）為浩海贏 S95級礦粉，其化學組成及物理性能見表1～表4。

表1　水泥和礦物摻合料的化學成分分析　wt%

表2　水泥的物理性能

表3　粉煤灰的物理性能

表4　礦粉的物理性能

1.1.2粗細集料

細集料和粗集料的指標參數分別見表5～表8。

表5　中砂性能指標

表6　細砂性能指標

表7　人工砂性能指標

表8　碎石性能指標

1.1.3外加劑

高效減水劑選用科隆高效聚羧酸減水劑，固含量20%，減水率25%。

1.2試驗方法

按照 GB/T50080－2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法》進行測試。

混凝土強度試驗按照 GB/T50081－2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。

采用中建西部建設北方公司發明的混凝土流空時間檢測裝置對混凝土進行粘度分析。

2　結果與討論

2.1中砂配制 C60混凝土的工作性能和力學性能

2.1.1C60混凝土配合比的確定

根據工程應用經驗，采用 C-FA-SL 膠材體系進行 C60混凝土的配制。利用 I 級 FA 所具有的良好的顆粒形態達到“滾珠潤滑減水”和“微集料填充密實”效果，配制可泵性高的C60高強混凝土。

混凝土配合比（見表9）所用膠材總量為580kg/m3，容重為2420kg/m3；通過調整膠材體系中水泥及摻合料比例，固定用水量155kg/m3, 固定高效減水劑摻量不變為2.0%。I 級FA、SL 的單方總摻量分別為15%、20%、25%、30%、35%及40%，其余膠凝材料摻量為水泥。依據緊密堆積理論和試驗所得，確定砂率為39%，FA∶SL=4∶6。隨著水泥用量的降低，摻合料用量的提高，比對混凝土的各項性能指標（見表10）。

表9　中砂配制 C60混凝土配合比　kg/m3

2.1.2混凝土工作性能與力學性能

表10　中砂配制 C60混凝土工作性能和力學性能

從表10中可以看出，膠凝材料為580kg/m3、摻合料總量不超過40% 的條件下，混凝土試件抗壓強度隨齡期的增長而增強。

從抗壓強度和配比經濟性來看：SP-1、SP-2、SP-3、SP-4和 SP-5的28d 抗壓強度均在設計值的1.1～1.3倍之間，其中滿足強度要求的配合比中 SP-5最經濟。

從坍落擴展度和 T50來看：混凝土坍落擴展度的大小直接影響混凝土的可泵性，在混凝土不發生漿骨分離的前提下，擴展度越大，泵送越容易，反之則泵送困難。T50則直接表征混凝土的流速，T50越小，混凝土流速越快，混凝土越容易施工。從表10可以看出 SP-3、SP-4和 SP-5的 T50均在3s 內，擴展度均超過650mm，可泵性較高。

從坍落與 J 環擴展度之差和離析率來看：坍落與 J 環擴展度之差 PA 表征了混凝土的間隙通過性，PA 越小，則混凝土間隙通過性越高，混凝土勻質性越好，可泵性越高。離析率表征了混凝土的勻質性的優良，離析率越低，混凝土勻質性越好，可泵性越高。從表10可以看出，SP-1、SP-2和 SP-3離析率較低，SP-3、SP-4和 SP-5的 PA 值基本一致。

從混凝土的流空時間看：流空時間（倒筒時間）是表征混凝土粘度的重要指標，流空時間越短，混凝土粘度越低，粘滯阻力越小，可泵性越高。從表10可以看出 SP-3、SP-4和 SP-5的流空時間均在10s 內，可泵性較高。

綜上分析，確定 SP-3為可泵性最佳配合比，將其設定為基準配和比，SP-3對應的工作性能及力學性能指標為參照指標。

3.2混合砂配制 C60混凝土工作性能和力學性能

3.2.1混合砂混合比例的確定

根據骨料緊密堆積理論，采取人工砂和細砂混合的方式配制混合砂，表11為不同比例配制混合砂的性能指標（見表13）。

表11　人工砂、細砂配制的混合砂的性能指標

2.2.2混合砂配制 C60混凝土的工作性能及力學性能

采用 C-FA-SL 膠材體系進行混合砂 C60混凝土的配制。膠凝材料用量為 C∶FA∶SL=435∶58∶87，容重為2420kg/m3，用水量根據混凝土拌合物性能進行調整，高效減水劑摻量不變為2.0%。砂率依據骨料緊密堆積理論進行確定并根據混凝土拌合物性能進行微調。將表11中各項數據和天然中砂性能指標進行對比，結合人工砂、細砂的應用實際，選擇編號為 HHS3、HHS4、HHS5三種混合比例（即人工砂：細砂混合比例分別為7∶3，6∶4，5∶5）的混合砂進行C60混凝土的配制，檢測拌合物工作性能及力學性能指標，并與中砂配制 C60混凝土性能指標進行對比分析。

表12　混合砂配制 C60混凝土配合比　kg/m3

表13　混合砂配制 C60混凝土工作性能和力學性能

從表13抗壓強度數據來看：混合砂配制 C60混凝土試件的7d、28d 強度較中砂配制 C60混凝土略高，表明適當比例配置的混合砂可以替代中砂進行 C60高強混凝土的配制。

分析表5、表6、表7的中砂、人工砂、細砂各項性能指標和表13中混凝土工作性能指標可以看出：人工砂在 MB 值低于1.0的前提下，材料中以石粉量為主，泥粉量較低，加上人工砂細度模數較大，比表面積較中砂和細砂低，因此隨著人工砂在混凝土中摻入比例的增加可降低混凝土單方用水量，改善混凝土的粘度。細砂細度模數小、比表面積大，在混凝土中過多的摻加不利于用水量的控制，混凝土粘度也會隨之增大。從表13可看出，在混凝土工作性相近的情況下，人工砂摻加比例越大，混凝土拌合物的流動性和間隙通過性更好，混凝土粘度越小，但離析率較大。

綜合分析，HHSP1配合比拌合物工作性良好，混凝土各項性能指標與中砂配制 C60混凝土接近，且強度滿足設計要求。但因人工砂顆粒粒型較差、表面粗糙、有尖銳棱角且級配不連續，細砂比表面積大，混合砂配制混凝土仍存在保水性較差、粘度偏高、勻質性差等問題，需要通過試驗進一步調整高效聚羧酸外加劑配方和混凝土砂率，以此改善混凝土的可泵性。

2.3高效聚羧酸外加劑配方調整

高效聚羧酸外加劑通常主要由高減水母液、中減水母液、保坍母液以及其它用于改善混凝土工作性的小料組成。減水母液主要調整外加劑的減水率，保坍母液主要調整混凝土保坍時間和解決混凝土泵送損失問題，其它用于改性的小料可有針對性地解決混凝土存在的問題。針對混合砂配制混凝土仍存在保水性較差、粘度高、勻質性差的問題，通過適當提高高減水母液組分比例，降低中減水母液組分比例，從而提高外加劑的初始減水率，降低混凝土單方用水量，提高混凝土強度保證率；通過在減水劑中添加粘度改性劑，改善混凝土粘度偏大的問題；通過適當添加引氣劑，改善混凝土保水性差的問題。經過多次試驗調整混凝土砂率及外加劑配方，最終混合砂配制 C60混凝土的工作性能及力學性能如下表14、表15所示。

表14　調整砂率及外加劑配方的 C60混凝土配合比　kg/m3

表15　調整砂率及外加劑配方的 C60混凝土工作性能和力學性能

3　結論

（1）人工砂、細砂在高強泵送混凝土中的成功應用解決了天然中砂資源匱乏問題。經試驗驗證，人工砂與細砂以7∶3的比例搭配的混合砂可完全替代天然中砂進行 C60泵送混凝土的配制，不僅質量符合規范要求，且泵送性能與天然中砂配制混凝土相近。

（2）人工砂與細砂以7∶3的比例配置的混合砂細度模數較中砂大，比表面積較中砂小，配制混凝土的單方用水量小，強度保證率高。

（3）人工砂、細砂的級配均較中砂差，單一使用人工砂或細砂配制混凝土均很難使混凝土骨料達到緊密堆積狀態。通過調整人工砂和細砂的混合比例以及砂率，可使人工砂－細砂－碎石的骨料體系達到緊密堆積的最佳狀態，混合砂－碎石骨料體系配制混凝土的結構也較中砂～碎石骨料體系配制混凝土的結構更致密。

（4）混凝土的可泵性是對混凝土工作性能的綜合評價，其影響因素也是復雜多變的，通過系統的研究人工砂、細砂的性能特點，科學的配合比設計以及有針對性的外加劑配方調整，可成功使用混合砂配制可泵性高的 C60高強混凝土。

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［通訊地址］遼寧省沈陽市蘇家屯區前謨家堡城大街42-1號（110100）

姜興彥（1988－），男，學士，中建商品混凝土沈陽有限公司。主要研究高性能超高泵送混凝土，工業固廢資源綜合利用。