機制砂在C50混凝土中的應用研究

呂子龍，李曉旭，劉小強

（1.山西省交通科技研發有限公司，山西太原 030032；2.山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

隨著經濟的高速發展，國家不斷加大對橋梁、道路等基礎設施的投入，對水泥混凝土的需求逐年攀升。作為原材料的天然砂日益短缺，部分地區又無天然砂可用，遠距離運輸無疑會增加工程成本。山西地區山脈眾多，在道路建設中產生大量隧道棄渣，而利用隧道棄渣就近加工成機制砂應用于工程，既可以解決砂資源短缺的問題，又可以降低建設成本。機制砂作為細骨料在廣東、貴州、四川等省份的工程中已經得到大量應用，江豐[1]將機制砂與特細砂復配取代中砂，摻配礦粉配置的C50 混凝土應用在重慶嘉陵江復線橋工程中；南水北調某標段中應用了不同等級的C10、C40、C50 泵送和非泵送的機制砂混凝土[2]。此外，在我國的一些大型工程中也有機制砂的應用案例，例如三峽水利工程、黃河小浪底工程等。山西省內也開展了對機制砂混凝土的應用研究，羅建國等[3]在忻阜高速建設過程中研究了機制砂質量的影響因素，對機制砂在公路工程中的應用提供了實踐參考；吳志俊等[4]將忻阜高速中產生的隧道棄渣制備成機制砂，混凝土每立方節約成本30 元；翟鵬飛[5]采用機制砂取代部分天然砂配制的C50 粉煤灰機制砂混凝土在G208 線夏店互通立交橋成功應用。機制砂在山西省的工程建設多局限于低強度等級混凝土，部分業主對于機制砂應用于高標號混凝土仍心存疑慮。針對上述問題，本文結合工程實際，采用呂梁大萬山隧道棄渣制備機制砂，開展C50 機制砂混凝土性能試驗，探究隧道棄渣機制砂應用于高標號混凝土的可能性，為山西地區隧道棄渣的處理及機制砂的發展應用提供試驗參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

a）水泥 使用P·O 52.5 水泥，購自山西吉港冠宇水泥廠。

b）細集料 大萬山隧道棄渣制備的石灰石機制砂，采用立軸沖擊式破碎機生產，其物理性能指標見表1。

表1 機制砂物理性能指標

c）粗集料 該項目采用的5～10 mm、10～20 mm級配碎石由呂梁嵐縣上會村石料廠提供，其性能指標見表2。

表2 粗集料物理性能指標

d）減水劑 使用聚羧酸高效減水劑，減水率為31%，由中鐵六局公司提供，減水劑摻量為膠凝材料總量的1.4%。

e）水 拌合用水為自來水。

1.2 試驗方法

a）坍落度 按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB∕T 50080—2016）進行測試。

b）抗壓強度 按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB∕T 50081—2019）進行測試?？箟涸嚰叽鐬?50 mm×150 mm×150 mm 立方體，每組配比成型6個試件，養護至規定齡期后分別測試7 d 及28 d 抗壓強度。

對靜興高速全線結構混凝土等級統計分析可知，高標號混凝土主要應用于梁體、端橫梁、現澆接頭、濕接縫、封錨等處，高標號混凝土以C50 為主，故本文的研究對象確定為C50 機制砂混凝土，C50 機制砂混凝土的設計強度為59.9 MPa，坍落度指標為180～220 mm。本文首先研究水灰比和砂率對C50 機制砂混凝土性能的影響，然后固定水灰比和砂率，研究石粉含量對混凝土坍落度和抗壓強度的影響規律，進而為機制砂的生產和推廣應用提供理論指導。

2 結果與分析

2.1 水灰比對C50機制砂混凝土性能的影響

減水劑摻量為1.4%，砂率為43%，水灰比為0.32 時的C50 機制砂混凝土配合比見表3。水灰比是決定混凝土性能的主要因素[6]，固定減水劑和砂率不變，研究水灰比變化對C50 機制砂混凝土性能的影響規律，水灰比對混凝土工作性和抗壓性能的影響分別見表4和圖1。

圖1 水灰比對C50機制砂混凝土抗壓強度的影響

表3 C50機制砂混凝土基準配合比

表4 水灰比對C50機制砂混凝土工作性能的影響

從表4 來看，水灰比增加，坍落度逐漸增大，工作性逐漸得到改善。這是因為水灰比增加會導致水泥漿體增多，流動性改善。機制砂混凝土對水灰比的變化比較敏感，水灰比由0.30 增加到0.36 時，坍落度提高了51 mm，水灰比僅變化了0.06，混凝土的工作狀態由拌合困難發展變化到出現泌水現象，因此C50 機制砂混凝土生產過程中不得隨意增減用水量，調節用水量時需在較小的范圍內變動。從圖1 可知，水灰比的變化對C50 機制砂混凝土早期抗壓強度的影響較大；抗壓強度隨著水灰比的增加而減少。其原因在于水泥水化并不需要過多的水分，隨著水灰比的增大，會導致水化過程產生的孔隙及收縮過程產生的裂紋增多，進而導致混凝土力學性能降低。當水灰比為0.30 時其7 d 和28 d 抗壓強度達到最大，但其工作性不佳，不易振搗密實；水灰比為0.36 時發生泌水現象，但其28 d 強度仍可以達到59.2 MPa。綜合分析建議該項目C50 機制砂混凝土水灰比取值為0.32～0.34。

2.2 砂率對C50機制砂混凝土性能的影響

水灰比保持0.32 不變，僅改變砂率，研究砂率變化對C50 機制砂混凝土性能的影響，砂率對混凝土工作性和抗壓性能的影響分別見表5 和圖2。

圖2 砂率對C50機制砂混凝土抗壓強度的影響

表5 砂率對C50機制砂混凝土工作性能的影響

由表5 可知，當砂率小于41%時，C50 機制砂混凝土容易出現離析泌水現象；砂率在41%～44%之間其工作性能和抗壓強度都能滿足設計要求。當砂率為44%時，機制砂混凝土黏稠性增大，流動性降低，雖仍能滿足使用要求，為保障良好的工作性，建議C50 機制砂混凝土生產過程中砂率不要超過44%。結合圖2 可知，隨著砂率的增大，C50 機制砂混凝土的坍落度和抗壓強度均表現為先增大后減小，其原因在于當砂率較低時，機制砂相對較少，機制砂與水泥膠漿形成的膠凝材料過少，不足以包裹填充粗集料[7]，就容易發生離析泌水現象，工作性能降低，抗壓強度也變差。當砂率偏大時，骨料表面積增加，且機制砂表面粗糙多棱角，粗集料表面的漿體相對減少，造成骨料之間的內磨阻力增大，使得混凝土的和易性變差，影響混凝土的密實性，進而造成抗壓強度降低。

2.3 石粉對C50機制砂混凝土性能的影響

機制砂是由母巖經機械破碎而成，在母巖的破碎過程中會產生一定量的石粉，其礦物組成與母巖相同。我國對機制砂中的石粉含量限值規定比較嚴格，《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》（JGJ 52—2006）中規定：C55～C30 混凝土機制砂或混合砂中石粉含量≤7.0%（MB＜1.4）或≤3.0%（MB≥1.4)[8]；但現實中很少有廠家能嚴格按照此標準生產機制砂。為了更好地指導機制砂產業的發展，進一步限定適應于高標號混凝土的石粉含量范圍，本節固定水灰比0.32，砂率43%，設計了5 種石粉含量的混凝土配合比，研究石粉含量對C50 機制砂混凝土工作性能和抗壓強度的作用規律，其試驗結果見表6 和圖3。

圖3 石粉含量對C50機制砂混凝土抗壓強度的影響

表6 石粉含量對C50機制砂混凝土工作性能的影響

由表6 可知，對于C50 機制砂混凝土而言，并不是石粉含量越低越好。當石粉含量為3%時，混凝土坍落度較大，拌合物出現泌水、石子外漏現象，膠凝材料的包裹性能差；當石粉含量≤9%時，隨著石粉含量的增加，混凝土拌合物的坍落度雖有降低，但仍能滿足泵送要求，黏聚性和保水性逐步得到改善；但當石粉含量＞9%后，石粉含量增加，混凝土黏聚性隨之增大，坍落度逐漸減??；當石粉含量為11%時，混凝土拌合物過于黏稠，流動性較差，拌和困難；石粉含量在5%～9%之間C50 機制砂混凝土具有良好的工作性。原因在于機制砂由機械破碎成型，相比于河砂棱角眾多，內磨阻力增大，需要更多的水泥漿體來包裹，而石粉的細度與水泥相當，隨著石粉含量的增加，石粉不僅可以提高水泥漿體總量，而且還可以填充密實骨料之間的空隙，改善C50 機制砂混凝土的保水性和黏聚性；但當石粉含量超過一定限度后，石粉的需水量急劇增加，會導致拌合物過度黏稠影響泵送性，因此C50 機制砂混凝土的生產過程中必須嚴格控制石粉的含量，不宜超過9%。

由圖3 可知，C50 機制砂混凝土7 d 抗壓強度增長迅速，石粉含量3%～11%時7 d 強度均已超過50 MPa，當石粉含量在5%～9%范圍內變化時，混凝土28 d 抗壓強度均超過了60 MPa，完全滿足C50 混凝土的強度設計要求；C50 機制砂混凝土7 d 與28 d 強度隨著石粉含量的提高均出現了先增長后下降的趨勢，這與任文蓮[9]的研究結果相同，機制砂中的石粉含量存在最佳區間，此時各齡期強度最佳，這是因為石粉的引入可以完善混凝土的孔隙結構，提高水化產物與集料界面區的密實度[10]。另外一部分粒度較小的石灰巖石粉可以作為成核劑，促進水化產物Ca(OH)2和C-S-H 晶體的形成，加速了水化反應過程，因此適量的石粉可以提高混凝土的抗壓強度。當石粉含量超過一定限度后，過多的石粉在混凝土中起了惰性作用，同時減小了混凝土中粗集料的骨架作用[11]，石粉吸收過量的水分導致漿體黏稠度過大，影響了混凝土的密實結構，造成強度降低。

3 結論

本文采用隧道棄渣制備的機制砂來配置C50 混凝土，研究水灰比、砂率和機制砂石粉含量對C50 機制砂混凝土工作性和抗壓強度的影響，通過試驗數據分析得出如下結論：

a）C50 機制砂混凝土對水灰比的變化比較敏感，在混凝土的拌合生產過程中需嚴格控制用水量的變化，建議C50 機制砂混凝土水灰比取值為0.32～0.34之間。

b）砂率控制在41%～44%之間可以配置得到工作性能優良，力學性能符合要求的C50 機制砂混凝土。在配合比設計過程中，應避免砂率低于41%的情況；當砂率高于44%時，應注意調整水灰比或者減水劑的摻量，來保證混凝土具有良好的工作性能。

c）機制砂中的石粉含量并不是越低越好，石粉可以改善機制砂混凝土的保水性和黏聚性，并參與水化過程提高抗壓強度；但石粉含量超過9%后會產生不利影響，因此C50 機制砂混凝土的生產中需嚴格測定每一批次機制砂的石粉含量，控制石粉含量不能超過9%，當石粉含量變化浮動較大時需及時調整配合比。