贵州地区高速公路机制砂高性能混凝土研究

贵州地区高速公路机制砂高性能混凝土研究

王国青 任毅

中交一航局第四工程有限公司第一项目部

 

摘要：结合贵瓮高速公路特点，通过石粉含量、掺合料掺量两个因素，对贵阳地区机制砂混凝土配合比采用正交试验设计，定量分析粉煤灰掺量和石粉含量对混凝土各项性能的影响，配制出适用于工程实际使用的优良配合比。

关键词：机制砂混凝土；配合比设计；正交试验设计

1 机制砂混凝土现状

1.1 混凝土配合比设计研究

首先，目前机制砂混凝土的设计理念相较于河砂混凝土来说相对匮乏，对影响机制砂混凝土各项性能的关键因素的研究还有待进一步深入。其次，机制砂本身的特点也决定了其工作性能较河砂有所欠缺。如何改善机制砂混凝土工作性，是配制良好的机制砂混凝土的关键技术。

1.2 高性能机制砂混凝土中石粉含量问题

目前我国机制砂生产规模小、技术装备比较落后。生产的机制砂片状较多、粒型较差、含粉量较大，且波动大。而某些比较大型机制砂生产线，采用比较先进的设备，但生产的砂，经过专门设备除粉后，石粉含量仍可达7%~8%。国家标准中对机制砂亚甲蓝及石粉含量的限制较为严格，这对机制砂的生产工艺提出很高的要求，目前国内对低标号混凝土中机制砂石粉含量对混凝土性能的影响有较多的研究，并认为较高的石粉含量（一般为15%）对改善混凝土各项性能是有益的。但就石粉含量对高强高性能混凝土各项性能影响的研究则较少。随着混凝土技术的不断发展，如何最大程度的利用机制砂，在控制好混凝土质量的同时达到一定的经济性，逐渐成为工程技术人员的一种诉求，因此，对机制砂混凝土中石粉含量的研究将显得尤为重要。

2 机制砂混凝土研究目的及意义

贵瓮高速公路是由中国交建集团在贵州省投资的BOT 项目，为典型的山区高速公路。当地天然河砂资源匮乏，采用长距离运输将急剧增加成本，因此采用资源丰富、成本相对较低的机制作为混凝土的细集料成为首选。因此，利用机制砂配制混凝土的试验研究就十分必要，它将为在实际工程中为公司在云贵地区机制砂配制高效混凝土提供经验参考和依据。关于机制混凝土的性能，国内外已有广泛研究。本文利用正交方法设计C50 预制T 梁混凝土配合比，同时对试验结果进行对比分析，找出合理的目标配合比并优化，通过工程应用验证其适用性。

3 机制砂混凝土配合比设计研究

3.1 混凝土配合比设计

① 固定基准配合比，只改变粉煤灰的比列及机制砂石粉含量，利用正交设计分析不同粉煤灰掺量和机制砂石粉含量对机制砂混凝土工作性能、强度及耐久性能的影响，同时结合经济效益，最终确定粉煤灰的最佳掺量及机制砂石粉含量。

② 在确定粉煤灰掺量和最适宜石粉含量后，对不同水胶比的混凝土各项性能进行分析，从而确定满足工程建设需要的质量过关、经济合理的C50 机制砂混凝土。

3.2 原材料选择

机制砂混凝土要达到良好的耐久性和工作性，相对于河砂混凝土而言较困难，因此原材料的质量控制由显重要。

3.2.1 水泥

通过对贵阳海螺和开阳紫江两家P·O42.5 水泥的比对试验，再综合考虑其生产能力和运距、价格，最终确定为贵阳海螺P·O42.5 水泥。

3.2.2 粗集料

优先选择强度高、密度大、粒型好、有害物质少、级配良好的粗集料，本次配合比设计采用龙岗镇兴龙砂石二分厂生产的碎石，由5-10mm 碎石与10-20mm 碎石复掺成5-20mm 连续级配碎石。

3.2.3 细集料

机制砂的质量的好坏对混凝土各项性能的影响较大，本次配合比设计选用粗细适中、含泥量较小的龙岗镇兴龙砂石二分厂生产的机制砂，并制备不同的石粉含量（7%、0%、13%）。

3.2.4 粉煤灰

贵阳地区可选用的优质粉煤灰基本没有，本次选用贵州大方火力发电厂的F 类Ⅱ级粉煤灰。

3.2.5 减水剂

通过对天津飞龙与贵州星恒两个厂家的产品的对比试验以及对胶凝材料、机制砂的适应性试验，再综合考虑其经济性、服务方便性，最终确定采用贵州星恒的聚羧酸系减水剂。

3.2.6 水

采用当地饮用水。

3.3 配合比设计

3.3.1 砂率选择

砂率是否合适对混凝土各项性能有较大的影响，砂率太低将导致混凝土工作性能下降，甚至出现泌水现象；砂率太高，将不同程度的降低混凝土强度及弹性模量。根据试验，本次正交设计基准混凝土配合比砂率确定为43%。

3.3.2 因素水平

影响机制砂混凝土各项性能的原因较多，试配中只考虑原材料方面的原因，即在固定水胶比、胶凝材料总用量、骨料总用量及砂率的情况下，不同粉煤灰掺量和机制砂石粉含量对混凝土工作性能、强度及耐久性能的影响，详见表1。

表1 配合比设计因素水平表

 

3.3.3 试验方案及试验结果

按照因素水平表，考虑各因素及其状态对混凝土强度、工作性能和耐久性的影响，依据具体内容，计算各试验的配合比，并严格按照标准规范进行试验，其配合比及试验结果如表2。

表2 混凝土配合比及试验结果

 

3.3.4 试验结果分析

配合比设计的目的是既要使混凝土具有良好的工作性能，又要保证强度及耐久性满足设计及规范要求，本次试验通过不同因素在不同水平下对混凝土各项性能的极差分析，极差计算结果见表3。

表3 极差计算结果

 

① 影响新拌混凝土坍落度因素的顺序为：B＞A；粉煤灰掺量固定不变，石粉含量超过7%后，石粉含量越大、坍落度越小；石粉含量固定时，随着粉煤灰用量的增加，坍落度随之增大；若要取得最佳试配坍落度，则取各因素水平组合的最接近值，如选用A3B1 组合可得到最大的坍落度。

② 机制砂混凝土扩展度的影响因素顺序为：B＞A，当粉煤灰掺量不变，石粉含量超过7%后，扩展度出现较为明显的降低；石粉含量固定不变时，随着粉煤灰掺量的增加，扩展度出现增大现象。如要取得较好的扩展度，则应组合A3B1。

③ 机制砂混凝土早期7d 强度的影响因素顺序为：A＞B，当粉煤灰掺量不变，石粉含量超过7%的时候，7d 抗压强度随着石粉含量的增加而降低，特别是当石粉含量到13%后；降低较为明显。当机制砂石粉含量不变，粉煤灰掺量的增加导致7d 抗压强度相应降低，若要若要取得较高的早期强度，则应选择粉煤灰掺量较少、机制砂石粉含量适宜的组合，如A1B1 可得到较好的预期效果。

④ 机制砂混凝土28d 强度的影响因素顺序为：B＞A，当粉煤灰掺量不变，石粉含量超过7%时，随着石粉含量的增加28d 抗压强度随之降低；机制砂石粉含量固定不变时，粉煤灰掺量的增加使28d 抗压强度有所降低，组合A1B2 可得到较高的28d 抗压强度。

⑤ 综合考虑粉煤灰掺量、机制砂石粉含量：在固定用水量的情况下，粉煤灰的掺加对改善混凝土的和易性有良好的效果，同时石粉的加入产生了互补和叠加效应，对混凝土起到了一定的增强作用。由上述分析可得10%粉煤灰掺量与7%石粉含量的组合下，机制砂混凝土的和易性和强度均达到了最佳效果。

3.3.5 混凝土耐久性

不同粉煤灰掺量和石粉含量情况下机制砂混凝土耐久性数据如表4 所示。

① 从表4 可以看出，经过300 次冻融循环后，所有配合比的混凝土质量损失率和动弹性模量损失率均较小；抗渗试验结果表明机制砂混凝土抗渗性能较好，满足不同等级的抗渗需要。混凝土中粉煤灰的掺入以及石粉含量的变化对抗冻性和抗渗性均无太大的影响。

表4 混凝土质量损失率和动态性模量实验结果

 

② 从图1 可以看出，不同龄期混凝土的干缩率以7%石粉含量为分界点，小于7%时，干缩率随石粉含量增加而增大，超过7%后，各龄期混凝土干缩率随着石粉含量增加呈现下降趋势。

图1 0%粉煤灰掺量下不同石粉含量时干缩率
 

③ 从图2 可以看出，粉煤灰的掺入有效降低了混凝土的干缩，尤其在掺量为10%的时候效果尤为明显。

图2 7%石粉含量时不同粉煤灰掺量时干缩率
 

3.3.6 验证优化配合比

在确定粉煤灰掺量及最佳机制砂石粉含量后，考虑不同水胶比下混凝土强度、抗压弹性模量、抗渗性，选出适合本工程T 梁预制的最佳C50 混凝土配比。配合比设计目标参数见表5，优化配合比方案及试验结果见表6。

表5 配合比设计目标参数

 

表6 优化配合比方案及试验结果

 

由表6 的试验结果可以得出：①3个方案的坍落度均满足设计要求，但方案1 的扩展度不满足要求；②方案1、2 的抗压强度均满足设计要求，但方案2 更经济合理；③3 个方案的抗压弹性模量、抗渗性相差不大，均满足设计要求；④综合考虑混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能，最终确定方案2 作为本工程T 梁预制的混凝土配合比。

3.3.7 工程实体应用

① 上述方案2 混凝土配合比在工程实际应用中，拌制的混凝土各项工作性能良好，早期5d 强度就能满足张拉要求，28d 强度较高，混凝土构件实体外观质量良好，未出现明显蜂窝、麻面，气泡较少。在有效利用粉煤灰和机制砂的情况下，取得了较好的技术经济效益和社会效应，为公司进取云贵地区建筑市场提供扎实的技术支持。

② 由于贵阳本地区无河砂资源，只能由外地区运输过来，成本较高，价格一般在100～110 元/吨左右，而当地机制砂价格约60 元/吨，价格相差近45 元/吨。根据试验研究机制砂混凝土同样可以达到很好的效果，如上文的C50混凝土配合比计算，使用机制砂后单方混凝土成本可节约35 元左右。

3.4 结论

① 机制砂混凝土中适宜的粉煤灰掺量可以与一定量的石粉产生一定互补、叠加效应，不但可以很好的改善混凝土工作性能，同时强度及耐久性能仍能得到保证。

② 机制砂混凝土中适宜的石粉含量对工作性能和力学性能是有益的。但在实际应用过程中，仍应严格控制其含量，当超过10%后，对混凝土的各项性能均有不同程度的损害。

③ 在适宜的石粉含量和粉煤灰掺量的情况下，机制砂混凝土仍具有较高抗压弹性模量和较好的抗渗性能。

④ 在缺少天然河砂的情况下，通过机制砂混凝土的研究应用，仍能得到良好的经济社会效益。