C50特细砂大吸水率碎石泵送混凝土的配制及其性能研究

C50特细砂大吸水率碎石泵送混凝土的配制及其性能研究

徐俊东 ，孟晓鹏等

 

摘 要：研究了复掺机制砂、碎石预处理及外加剂的优化措施对 C50特细砂大吸水率碎石泵送混凝土拌合物性能、抗压强度的影响。研究结果表明，采用复掺机制砂、碎石预处理及外加剂优化措施，可显著降低混凝土坍落度经时损失，降低混凝土泌水率，提高 28 d抗压强度，从而配制出性能满足要求的 C50泵送混凝土。

关键词：配制技术；特细砂；预处理；大吸水率碎石；外加剂优化措施

0 引言

蒙内铁路是肯尼亚近百年来新建的第一条铁路，是东非铁路网的“喉咙”，也是第一条采用中国标准建造的海外铁路工程，中国总理李克强与肯尼亚总统肯雅塔共同见证了中肯关于蒙-内铁路相关合作协议的签署，具有里程碑式的意义。肯尼亚属典型热带草原气候，干热少雨，河流稀少，几乎无河砂资源，当地天然砂多以细度模数很低的特细砂为主。铁路沿线山体母岩以高火成岩为主，岩体密度较大、孔隙含量大、孔隙率高。特细砂高密度大吸水率碎石配制梁 板混凝土过程中存在以下技术问题：

（1）特细砂细粉量多、级配差，混凝土容易泌水、离析。

（2）碎石密度大、吸水率高，混凝土拌合物坍落度损失快，易泌水、离析。如何利用特细砂、大吸水率碎石配制C50 泵送混凝土是项目研究的重点和难点。

本试验针通过特细砂掺配机制砂、碎石预处理及外加剂优化措施，解决了特细砂、大吸水率碎石的原材料性能缺陷引起的混凝土拌合物坍落度损失快，泌水率高，抗压强度低的问题，配制出性能满足要求的C50泵送混凝土。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥：水泥采用当地水泥生产的 CEM I 42.5 水泥，水泥 28 d抗压强度 53.2 MPa，水泥化学成分分析见表1。

粉煤灰：粉煤灰采用国内某电厂生产的 I级粉煤灰，粉煤灰细度9%，需水量比94%，粉煤灰化学成分分析见表1。
 

表1 水泥和粉煤灰的化学成分（%）

 

硅灰：SiO2 含量 92%，表观密度为 2.7克每立方厘米，比表面积 为 1.9×104 平方厘米每克。

碎石：泵送混凝土采用蒙内铁路沿线 Mtito镇附近项目部自有采石场生产的 5~13、10~19.5 mm 碎石双掺，掺配合比例 4/6，碎石吸水率 2.9%，密度 2970 千克每立方米，高密度、大吸水率碎石。

砂：肯尼亚国内天然特细粉砂，细度模数 1.0，含泥量 1.9%；工程沿线 Mtito 镇附近砂场机制砂，机制砂细度模数 3.2，石粉含量 16%。

减水剂：国内某减水剂厂生产的 KL-3标准型聚羧酸高 性能减水剂，减水率30%，KL-4缓释型聚羧酸减水剂，减水率 26%，无色透明液体。CMC 类增稠剂：白色粉末，分子量 100000。

1.2 试验方法

（1）混凝土拌合物坍落度与1 h 坍落度、含气量、泌水率试验参照 GB/T 50080《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。

（2）混凝土抗压强度试验参照 GB/T 50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

2 试验结果与分析

2.1 C50泵送混凝土性能要求

（1） 7d抗压强度达50MPa，28d抗压强度不小于59MPa。

（2）初期坍落度不小于 200 mm，1h 坍落度损失量不大于 20 mm。

（3）混凝土初期含气量 2%~4%。

2.2 与机制砂复掺

不同特细砂与机制砂掺配合比例的混凝土配合比见表2，混凝土拌合物性能及抗压强度试验结果见表3，随机制砂掺配合比例的增加，砂率相应提高，外加剂掺量略有提高。
 

表2 与机制砂复掺配合比

 

表3 不同机制砂复掺比例混凝土拌合物性能及抗压强度

 

由表3试验结果可知：

（1）随着机制砂掺入比例的增加，混凝土初期坍落度 先增大、后减少，特细砂与机制砂按 5/5比例复掺后混凝土 初期坍落度最大，特细砂与机制砂按5/5和3/7比例掺配时， 混凝土初期坍落度满足设计要求。

（​2）各掺配合比例的混凝土 1 h 坍落度均不满足设计要求。

（3）随机制砂掺入比例的增加，混凝土泌水率降低，机 制砂掺入比例达 50%时，混凝土泌水率最小。

（4）混凝土含气量随机制砂掺入比例的增加增大，特细砂与机制砂按 5/5、3/7比例掺配时，混凝土含气量均能满足设计要求。

（5）混凝土抗压强度随机制砂掺入比例的增加略有提高，机制砂掺入比例达 50%时，混凝土抗压强度最高。

总体而言，特细砂掺配河砂可提高混凝土的初期坍落度、降低泌水、提高含气量和抗压强度，特细砂掺配河砂对混凝土 1 h坍落度影响不大。 机制砂与特细砂掺配，使混凝土用砂级配得到优化，混凝土体系中碎石填充、支撑构架趋于合理，碎石体系整 体孔隙率降低，用于填充孔隙砂浆数量降低，用于包裹、推 动碎石的砂浆数量相对增加，混凝土包裹性和匀质性提高，碎石堆积现象改善，坍落度增加，泌水率降低、含气量提高。但机制砂比例增大到一定程度后，机制砂相对粗糙的颗粒表面形貌使浆体塑性流动的阻力快速增加，混凝土流动度 减小，坍落度降低。机制砂与特细砂混掺，优化了混凝土体系内部骨料填充架构，混凝土更密实，抗压强度提高；机制砂相对粗糙的表面形貌增加了浆骨界面黏结力以及骨料间的“咬合力”，混凝土抗压强度也得到一定程度提高。

2.3 碎石预处理

以碎石预湿，预裹水泥浆的方式改善碎石吸水率。碎石 预湿处理是将碎石提前用水打湿，并在混凝土拌制前扣除碎石含水率的处理方式。碎石预处理方式及其对吸水率试验结果见表4。采用 FEI Quanta250 环境扫描电镜观察对比碎石裹浆前后微观表面质构，未处理碎石微观形貌，经裹浆处理的 F5 组碎石微观表面形貌。混凝土试验配合比采用表2中 S3组配合比，混凝土试验结果见表 5。

表4 不同预处理方式与碎石吸水率

 

由表4试验结果可知：

（1）碎石预湿不能改善碎石本身的吸水率。

（2）随裹浆浆体水胶比的降低，预处理后碎石吸水率先降低后增加，浆体水胶比为 0.8时，预处理后碎石吸水率最低。

（3）裹浆浆体中适量硅灰的掺入可降低预处理碎石的吸水率，10%的硅灰取代粉煤灰后预处理后碎石的吸水率降低 0.7，但当硅灰取代比例达 20%时，预处理后碎石吸水率反而增加 0.1，硅灰掺入比例的进一步增加未能进一步降低预处理后碎石的吸水率。

表5 碎石预处理方式对混凝土拌合物性能及抗压强度

 

由表5试验结果可知：

（1）碎石预湿大幅提高了混凝土 1 h坍落度，减少了1 h 坍落度损失，碎石预裹浆进一步降低了混凝土 1 h 坍落度损失，相比而言裹浆浆体水胶比 0.8时混凝土 1 h坍落度损失最小。

（2）碎石预湿对混凝土泌水率影响不大，碎石预裹浆使混凝土泌水率略有降低。

（3）碎石预湿对混凝土含气量影响不大，碎石预裹浆提高了混凝土含气量，且含气量随裹浆浆体水胶比的降低而提高，碎石预裹浆中硅灰的掺入对混凝土含气量影响不大。

（4）碎石预湿处理后混凝土 7、28d抗压强度略有增加， 碎石预裹浆使混凝土 7、28d 抗压强度增加，相对而言裹浆 浆体水胶比 0.8，裹浆胶凝材料中硅灰掺入 10%时，混凝土抗压强度最高。 预湿后碎石中孔隙提前被水分填充，减少了混凝土加水拌和后因碎石孔隙吸水导致的混凝土坍落度损失。碎石预裹浆后硬化浆体对碎石孔隙的填充和包裹，降低了碎石吸水率，减少了混凝土拌合物坍落度损失。预裹浆后碎石的吸水率与预裹浆硬化浆体的厚度和密实程度有关，预裹浆后碎石的吸水率与混凝土坍落度损失正相关。碎石预湿处理对混凝土泌水率和含气量影响不大，碎石预裹浆使混凝土含气量增加、泌水率略有降低，碎石预湿处理仅改善了碎石的吸水过程，并未改变碎石表面形貌，对混凝土泌水率和含气量影响不大，预裹浆处理后碎石表面形貌改善， 吸水率降低，从而影响了混凝土的泌水率与含气量。碎石 预湿处理对孔隙水的预蓄积形成的“内养护”作用提升了混凝土的抗压强度。预裹浆的填充作用降低了碎石表面的孔隙率，增大了碎石与砂浆间的接触面积，使混凝土抗 压强度提高。

2.4 外加剂优化措施

分别通过优选 KL-4 高缓释型聚羧酸减水剂母液及超掺 KL-3 类标准型减水剂同时复配适量 CMC 类增稠剂的复配措施改善混凝土的坍落度损失。混凝土试验配合比采用表 2 中 S3 组配合比，碎石采用表 4 中 F5 组预裹浆处理碎石，不同外加剂优化措施的混凝土拌合物性能与力学性能试验结果见表6。
 

表6 不同外加剂组分下混凝土拌合物性能与力学性能

 

由表6可以看出：

（1）在外加剂掺量相同的情况下，采用 KL-4取代 KL-3 混凝土 1h坍落度损失由 60mm 减小为 20mm，含气量增 加 0.2%，7d 抗压强度降低 0.3MPa，28 d 抗压强度增加 0.2MPa，混凝土 1h 坍落度损失、含气量及抗压强度均满足要求。

（2）适当的提高外加剂用量，同时加入适量 CMC 类增稠剂可使混凝土 1h 坍落度损失由 60mm 减小为 20mm，含气量增加 0.3%，7d 抗压强度降低 3.8 MPa，28d 抗压强度降低 0.5 MPa，但混凝土1h 坍落度损失、含气量及抗压强度均满足要求。

由于分子结构设计的不同，高缓释型减水剂母液对水泥颗粒和水化产物表面的吸附和分散作用是逐步发挥的， 持续的分散作用可以在较长时间内逐步释放出被固体颗粒包裹的自由水，补充各种原因导致的自由水分的丧失，使混凝土拌合物保持良好的塑性。 CMC 类增稠剂具有增稠、保水、微引气作用。增稠剂溶解后，其分子链上大量的羟基与水分子间形成氢键，在水泥浆体内部形成三维立体网络结构，使拌合物黏度增大，自由水减少，随着氢键结合力的减弱，大量自由水逐步释放，使混凝土拌合物保持良好的塑性，CMC的微引气作用提高了混凝土的包裹性，降低了泌水率。

3 结论

（1）特细砂掺配河砂可提高混凝土的初期坍落度、降 低泌水、提高含气量和抗压强度，特细砂掺配河砂对混凝土 1 h坍落度影响不大。

（2）碎石预湿处理可进一步减少混凝土拌合物坍落度损失，但对混凝土泌水率和含气量影响不大，碎石预湿处理提高了混凝土的抗压强度。

（3）碎石预裹浆处理，可降低碎石吸水率，吸水率与预裹浆浆体水胶比和浆体组成有关，浆体水胶比为 0.8 时，胶凝材料中水泥、粉煤灰与硅灰分别占胶凝材料质量分数的70%、20%、10%时预裹浆后碎石吸水率最低。

（4）碎石预裹浆处理后混凝土坍落度损失减小，含气量增加、泌水率略有降低，抗压强度提高。

（5）缓释型减水剂 KL-4 取代标准型减水剂 KL-3 可大幅降低混凝土 1 h坍落度损失，适当的提高外加剂用量，同时加入适量 CMC 类增稠剂也可大幅降低混凝土坍落 度损失。

（6）通过特细砂掺配机制砂、碎石预处理及外加剂优化措施可解决混凝土坍落度损失快，泌水率高，抗压强度低的问题，能够配制出性能满足要求的 C50泵送混凝土。