王大慶 ，張翼 ，任強(qiáng) ，歐陽(yáng)男 ，蔣正武 ，孫旭軍

（1.貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550004；2.同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；3.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550004；4.中鐵二局集團(tuán)建筑公司，四川 成都 610031）

0 引 言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速推進(jìn)，混凝土的需求量持續(xù)增長(zhǎng)，作為混凝土組分中所占比例最大的砂石需求量也將隨之增加。據(jù)《全球砂石骨料市場(chǎng)分析與預(yù)測(cè)2016-2024》報(bào)告稱，2016～2024年間砂石用量年均增長(zhǎng)率為4.8%，2024年全球?qū)⑾?29億t砂石骨料[1]。為走出天然砂資源即將枯竭的困境，實(shí)現(xiàn)混凝土的可持續(xù)發(fā)展，近年來(lái)機(jī)制砂混凝土的開(kāi)發(fā)應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注[2-5]。目前機(jī)制砂混凝土已在我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)和民用建設(shè)中得到大量應(yīng)用[6-8]。

傳統(tǒng)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法以工程經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，將強(qiáng)度作為最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)于一個(gè)實(shí)際工程，其配合比通常需要經(jīng)過(guò)大量試配工作才能得到。而這些方法主要是針對(duì)天然河砂混凝土的。機(jī)制砂與河砂差異明顯，前者顆粒形狀多樣性顯著、表面形貌更加粗糙、且含有大量的石粉[9-11]，因此機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)若采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，工作性會(huì)較差，表現(xiàn)為需水量增大、流動(dòng)性降低、易離析泌水等，尤其是在膠凝材料用量較低時(shí)，這些現(xiàn)象尤為突出。然而，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，機(jī)制砂混凝土可較河砂混凝土具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)[12-13]。同時(shí)，由于大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)施工環(huán)境復(fù)雜，對(duì)混凝土的性能，尤其是工作性能提出了更高的要求，因此，探索以工作性能為主、力學(xué)性能為輔的機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)方法尤為必要。實(shí)踐表明，影響混凝土工作性能的因素主要有水泥漿和砂漿用量（主要涉及膠凝材料種類及用量、水膠比、砂率）、骨料級(jí)配、外加劑種類及摻量等[14-15]。

在混凝土中，砂漿主要起填充粗骨料堆積空隙并包覆其表面的作用。合理的砂漿含量可以提升混凝土密實(shí)度、工作性能及穩(wěn)定性。砂漿富余系數(shù)（Ff）是指砂漿填充粗骨料堆積空隙后，富余砂漿的體積與粗骨料堆積空隙體積的比值。本文基于華麗高速金安金沙江大橋項(xiàng)目對(duì)機(jī)制砂混凝土的超高泵送施工需求，分析工程現(xiàn)場(chǎng)混凝土原材料特點(diǎn)，基于砂漿富余系數(shù)法，設(shè)計(jì)了C60機(jī)制砂自密實(shí)混凝土（Manufactured Sand Self-Compacting Concrete，MSSCC）。通過(guò)本文提出的配合比優(yōu)劣系數(shù)Qf定量表征配合比的優(yōu)劣以確定待優(yōu)化配合比，并采用砂漿富余系數(shù)法優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了適應(yīng)工程需求的MSSCC，研究了礦物摻合料種類和摻量及砂漿富余系數(shù)等對(duì)MSSCC工作性能及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

水泥：拉法基P·O52.5水泥，28 d抗壓強(qiáng)度為56.9 MPa，表觀密度3120 kg/m3；摻合料：超細(xì)粉煤灰（UFA，比表面積820 m2/kg，表觀密度 2200 kg/m3）及硅灰（SF，比表面積 22 500 m2/kg，表觀密度 2000 kg/m3）；細(xì)骨料：玄武巖機(jī)制砂（MS），細(xì)度模數(shù)3.11，石粉含量為9.2%，MB值0.7，含水率為1.8%，表觀密度2900 kg/m3，級(jí)配如表1所示；粗骨料：5～20 mm連續(xù)級(jí)配玄武巖碎石，表觀密度2900 kg/m3，級(jí)配如表2所示，符合JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定；外加劑：根據(jù)流動(dòng)性及保坍性需求選用江蘇超力建材科技有限公司所產(chǎn)聚羧酸高性能減水劑，減水率25%，固含量24.5%。

表1 機(jī)制砂的級(jí)配

表2 粗骨料的級(jí)配

1.2 配合比設(shè)計(jì)、優(yōu)化方法

1.2.1 技術(shù)路線（見(jiàn)圖1）

圖1 配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化的技術(shù)路線

1.2.2 砂漿富余系數(shù)法設(shè)計(jì)配合比

砂漿富余系數(shù)法配合比設(shè)計(jì)：第1步，確定原材料的種類及相對(duì)比例，包括水膠比、礦物摻合料摻量、膠凝材料與機(jī)制砂的質(zhì)量比，設(shè)計(jì)過(guò)程中保證砂漿組分及相對(duì)比例不變；第2步，假定粗骨料用量和砂漿富余系數(shù)Ff；第3步，通過(guò)式（1）計(jì)算砂漿的體積Vm；第4步，根據(jù)膠凝材料和機(jī)制砂的質(zhì)量比、水膠比及式（2）計(jì)算用水量、機(jī)制砂質(zhì)量及等效水泥質(zhì)量；第5步，通過(guò)摻合料的摻量百分?jǐn)?shù)及式（3）計(jì)算水泥及摻合料質(zhì)量，經(jīng)過(guò)以上5步得到初步配合比；第6步，根據(jù)設(shè)計(jì)的表觀密度對(duì)其進(jìn)行修正。

式中：Vm——砂漿的體積，m3；

Mg——粗骨料的質(zhì)量，kg；

ρa(bǔ)、ρb——分別為粗骨料的堆積密度、表觀密度，kg/m3。

式中：Mc'——等效水泥的質(zhì)量，kg；

Ms、Mw——分別為砂、拌合水的質(zhì)量，kg；

ρc、ρs、ρw——分別為水泥、砂、水的表觀密度，kg/m3。

式中：Mc、Mk——分別為水泥、礦物摻合料的質(zhì)量，kg；

ρk——礦物摻合料的表觀密度，kg/m3。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工作性能測(cè)試及評(píng)價(jià)

坍落度和坍落擴(kuò)展度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。倒坍時(shí)間為混凝土拌和物從倒置的坍落度筒中流空的時(shí)間，是快速評(píng)價(jià)混凝土粘度的有效方法，倒坍時(shí)間越短，則混凝土粘度越小。通過(guò)觀察已坍落的混凝土拌合物判斷其粘聚性，并分為較差、一般和良好3個(gè)等級(jí)：“較差”指的是砂漿對(duì)粗骨料的包裹較差，拌合物出現(xiàn)離析，粗骨料堆積在中心；“一般”是指砂漿對(duì)粗骨料的包裹性一般，粗骨料暴露在環(huán)境中；“良好”則表示砂漿可以很好地包裹粗骨料，拌合物整體流動(dòng)?；炷列掳栊阅軠y(cè)試完成后，覆蓋保鮮膜，靜置2 h后，攪拌2 min，測(cè)試各指標(biāo)變化，對(duì)機(jī)制砂混凝土工作性能經(jīng)時(shí)損失進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.3.2 力學(xué)性能測(cè)試及評(píng)價(jià)

混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。1 d后拆模并測(cè)試強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)[溫度為（20±2）℃、相對(duì)濕度大于 95%]至 3、7、28、56 d進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

1.4 試驗(yàn)配合比

為研究不同種類及摻量的礦物摻合料對(duì)MSSCC性能的影響，設(shè)計(jì)了如表3所示的配合比。

表3 MSSCC的配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 MSSCC的工作性能

試配時(shí)通過(guò)控制減水劑摻量，確保混凝土初始坍落度為（250±10）mm。MSSCC工作性能如表4所示。

由表4可以看出：

（1）單摻UFA時(shí)，隨UFA摻量的增加，新拌混凝土初始擴(kuò)展度逐漸增加，而初始倒坍時(shí)間逐漸縮短，即混凝土粘度有下降的趨勢(shì)。2 h后，坍落度、擴(kuò)展度與初始時(shí)相比有不同程度的降低，而拌合物的粘度明顯增加；隨UFA摻量的增加，工作性能損失程度逐漸降低。當(dāng)UFA摻量為0、10%、15%及20%時(shí)，拌合物2 h坍落度損失不明顯；擴(kuò)展度分別損失了13.1%、5.0%、12.1%及9.2%；倒坍時(shí)間分別延長(zhǎng)了159.1%、44.8%、92.9%及46.3%，這表明UFA有利于減少M(fèi)SSCC工作性能的損失程度。

（2）復(fù)摻UFA和SF，且SF的摻量為5%時(shí)，隨UFA摻量的增加，混凝土拌合物初始擴(kuò)展度有先上升后下降的趨勢(shì)，表明復(fù)摻UFA和SF時(shí)，UFA對(duì)拌合物的初始流動(dòng)性能改善作用存在最佳摻量（為15%）；初始倒坍時(shí)間逐漸縮短。2 h后，隨UFA摻量的增加，拌合物的坍落度損失程度先下降后上升，而擴(kuò)展度逐漸下降、倒坍時(shí)間逐漸縮短。當(dāng)UFA摻量為10%、15%及20%時(shí)，拌合物2 h坍落度分別降低了6.3%、2.0%及6.3%；擴(kuò)展度分別損失了18.2%、4.2%及7.3%；倒坍時(shí)間分別延長(zhǎng)了238.4%、39.2%及12.6%。除J-4組外，摻有SF和UFA的MSSCC的工作性能經(jīng)時(shí)損失程度均低于未摻礦物摻合料的J-0組，主要是因?yàn)镾F和UFA比表面積較大，增加了新拌混凝土的保水性，但是UFA摻量較少時(shí)，微珠效應(yīng)不明顯導(dǎo)致新拌混凝土的粘度大幅上升。復(fù)摻UFA和SF，且SF摻量為5%的各試驗(yàn)組工作性能與對(duì)應(yīng)的單摻相同摻量UFA的試驗(yàn)組進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，摻入SF以后，拌合物初始擴(kuò)展度明顯降低，且初始倒坍時(shí)間顯著延長(zhǎng)。除J-5組以外，摻入SF以后，混凝土拌合物工作性能2 h經(jīng)時(shí)損失程度與未摻SF時(shí)比較均顯著增加，這是因?yàn)镾F顆粒粒徑小、比表面積大，因此需水量較大，從而增加了拌合物的粘度。此外，SF摻量為5%且UFA摻量為10%的J-4組MSSCC拌合物覆膜靜置2 h后，粘聚性顯著變差。這些現(xiàn)象表明，SF及UFA復(fù)摻時(shí)，UFA存在適宜摻量為15%。結(jié)合表3還可發(fā)現(xiàn)，復(fù)摻5%SF和不同摻量UFA時(shí)，混凝土的減水劑需求量降低，且隨UFA摻量增加而降低，這主要是因?yàn)閁FA的微珠效應(yīng)。

表4 MSSCC的工作性能

（3）復(fù)摻SF和UFA，且UFA摻量為15%時(shí)，隨SF摻量的增加，MSSCC拌合物的初始擴(kuò)展度逐漸減小。2 h后MSSCC拌合物工作性能損失程度隨SF摻量的增加，均先減小后增大。當(dāng)SF摻量為0、5%、10%及20%時(shí)，拌合物2 h坍落度分別降低了4.0%、2.0%、0.0%及12.5%；擴(kuò)展度分別損失了12.1%、4.2%、15.4%及16.0%；倒坍時(shí)間分別延長(zhǎng)了92.9%、39.2%、191.7%及152.9%。還發(fā)現(xiàn)，J-7、J-8兩組MSSCC拌合物的粘聚性相較于其它試驗(yàn)組顯著劣化，這是由于硅灰比表面積大，需水量大，摻量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致漿體中自由水的缺失。

2.2 MSSCC的抗壓強(qiáng)度（見(jiàn)表5）

表5 MSSCC的抗壓強(qiáng)度

從表5可以看出：

（1）單摻UFA的試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度與未摻UFA的J-0組相比早期（包括1 d、3 d及7 d）抗壓強(qiáng)度均有降低，其中1 d、3 d抗壓強(qiáng)度隨UFA摻量增加而降低。但是隨齡期延長(zhǎng)，摻UFA的MSSCC試件抗壓強(qiáng)度與J-0組試件的差距逐漸縮小甚至反超。MSSCC試件的28 d及56 d抗壓強(qiáng)度均著UFA摻量增加而逐漸提高，在UFA摻量為20%時(shí)分別達(dá)到最大值85.6 MPa和92.5 MPa。這主要是由于UFA的火山灰效應(yīng)增加了混凝土的密實(shí)度從而提升混凝土的后期強(qiáng)度。

（2）復(fù)摻UFA和5%SF試驗(yàn)組，MSSCC試件1 d抗壓強(qiáng)度與J-0組相比均有所降低，但3 d之后抗壓強(qiáng)度逐漸趕超J-0組。當(dāng)SF摻量為5%時(shí)，隨UFA摻量的增加，混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度都呈先下降后上升的趨勢(shì)。此外，復(fù)摻UFA和5%SF的MSSCC試件與對(duì)應(yīng)的單摻相同摻量UFA試驗(yàn)組相比，試件各齡期的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的上升，且隨齡期的延長(zhǎng)，上升幅度增大。表明SF能夠發(fā)揮微集料填充及火山灰效應(yīng)從而提高混凝土的強(qiáng)度。

（3）復(fù)摻15%UFA和SF試驗(yàn)組，隨SF摻量增加，MSSCC在3、7、28、56 d齡期時(shí)，抗壓強(qiáng)度均先提高后降低，這表明SF和UFA復(fù)摻，且當(dāng)UFA摻量為15%時(shí)，硅灰存在最佳摻量（為5%）。此外，硅灰摻量分別為10%和20%的2組試件各齡期抗壓強(qiáng)度都比另外2組試件低，這主要也是因?yàn)楣杌覔搅窟^(guò)高，漿體中自由水過(guò)少而使?jié){體無(wú)法實(shí)現(xiàn)自身密實(shí)，漿體含氣量提高，表現(xiàn)為混凝土強(qiáng)度的降低。

為初步優(yōu)化配合比，提出配合比優(yōu)劣系數(shù)Qf，定量評(píng)價(jià)配合比的優(yōu)劣，Qf值越大則MSSCC的綜合性能越好，即配合比更優(yōu)。Qf通過(guò)對(duì)混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度指標(biāo)歸一化處理后加權(quán)平均計(jì)算得到。由于現(xiàn)代混凝土對(duì)工作性能要求越來(lái)越高，所以假設(shè)工作性能和抗壓強(qiáng)度權(quán)重分別為0.6和0.4，其中坍落度、擴(kuò)展度、倒坍時(shí)間的權(quán)重均為0.2，按式（4）計(jì)算。通過(guò)式（5）對(duì)坍落度、擴(kuò)展度及抗壓強(qiáng)度歸一化處理，通過(guò)式（6）對(duì)倒坍時(shí)間進(jìn)行歸一化處理。

式中：Ri（j）——性能指標(biāo)的歸一化值；

X、Xmax、Xmin——性能測(cè)試指標(biāo)及其最大值、最小值。

各組配合比的Qf值見(jiàn)表6。

表6 各配合比的Qf值

從表6可以看出，J-5組配合比的Qf值最大，因此將J-5組配合比作為基準(zhǔn)配合比，進(jìn)一步采用砂漿富余系數(shù)法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 砂漿富余系數(shù)法優(yōu)化MSSCC配合比

在J-5組的基礎(chǔ)上采用砂漿富余系數(shù)法進(jìn)行MSSCC配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，各組分間比例與J-5組相同，得到如表7所示的配合比。

表7 砂漿富余系數(shù)法優(yōu)化配合比

砂漿富余系數(shù)法設(shè)計(jì)的MSSCC的新拌性能如表8所示。

由表8可以看出，隨砂漿富余系數(shù)的增加，MSSCC的初始坍落度變化不明顯，初始擴(kuò)展度及初始倒坍時(shí)間均逐漸減小。砂漿富余系數(shù)為1.29的Js1組MSSCC的坍落度、擴(kuò)展度及倒坍時(shí)間2 h經(jīng)時(shí)損失程度遠(yuǎn)高于其余各組，且隨砂漿富余系數(shù)的增加，坍落度經(jīng)時(shí)損失程度逐漸降低，而擴(kuò)展度及倒坍時(shí)間損失程度先降低后上升。2 h后，砂漿富余系數(shù)為1.29、1.45、1.61及1.77時(shí)，MSSCC的坍落度分別降低了10.4%、2.0%、0.0%及0.0%；擴(kuò)展度分別降低了17.1%、4.2%、3.4%及6.3%；而倒坍時(shí)間則分別延長(zhǎng)了130.4%、39.2%、23.7%及171.8%。此外，砂漿富余系數(shù)在0.48區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，MSSCC的工作性有較大的變化。表明砂漿富余系數(shù)對(duì)MSSC的工作性能影響很大。

砂漿富余系數(shù)計(jì)算所得MSSCC的抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表9。

表8 砂漿富余系數(shù)計(jì)算所得MSSCC工作性能

表9 砂漿富余系數(shù)計(jì)算所得MSSCC的抗壓強(qiáng)度

從表9可以看出，即使水膠比相同，但是隨砂漿富余系數(shù)的增大，MSSCC各齡期的抗壓強(qiáng)度總體呈先上升后下降的趨勢(shì)。砂漿富余系數(shù)為1.61時(shí)，MSSCC試件7、28、56 d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到極值，分別為 70.4、92.3、103.0 MPa。與 Js1、J-5、Js3組試件相比，Js2組7 d抗壓強(qiáng)度分別提高了2.5%、6.5%、10.7%，28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了12.6%、5.4%、11.1%，56 d抗壓強(qiáng)度分別提高了2.4%、8.2%、1.8%。隨齡期延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度的極值所對(duì)應(yīng)的砂漿富余系數(shù)逐漸降低，這表明配合比設(shè)計(jì)時(shí)，砂漿富余系數(shù)存在最佳值。當(dāng)砂漿富余系數(shù)較小時(shí)，隨漿體量的增加粗骨料空隙被填充程度增大，因此抗壓強(qiáng)度逐漸增大。但是當(dāng)砂漿富余系數(shù)增大到一定程度時(shí)，粗骨料的空隙填充程度增加不明顯或幾乎不增加，且自由漿體較多，粗骨料在漿體中懸浮而不能形成相互搭接的網(wǎng)絡(luò)狀骨架結(jié)構(gòu)，反而導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度又逐漸降低。

砂漿富余系數(shù)法優(yōu)化配合比的Qf值見(jiàn)表10。

表10 砂漿富余系數(shù)法優(yōu)化配合比的Qf值

從表10可以看出，隨砂漿富余系數(shù)的增大，Qf先增大后下降。砂漿富余系數(shù)為1.45～1.61時(shí)Qf較大。這表明砂漿富余系數(shù)存在適宜范圍為1.45～1.61，在砂漿富余系數(shù)適宜范圍內(nèi)，MSSCC具有更好的工作性能及抗壓強(qiáng)度。Js2組的Qf值最大，為0.843，因此Js2組為優(yōu)化后的最佳配合比。

3 結(jié)論

（1）提出混凝土配合比優(yōu)劣系數(shù)，能夠定量評(píng)價(jià)混凝土配合比設(shè)計(jì)的優(yōu)劣程度。

（2）單摻超細(xì)粉煤灰能夠改善MSSCC的工作性能且能減小其經(jīng)時(shí)損失程度。復(fù)摻硅灰與超細(xì)粉煤灰有利于改善MSSCC的工作性能，降低減水劑摻量。復(fù)摻5%硅灰和15%超細(xì)粉煤灰的混凝土工作性最佳。

（3）砂漿富余系數(shù)在小范圍內(nèi)變化，即可顯著改善MSSCC的工作性能。水膠比一定時(shí)，隨砂漿富余系數(shù)的增加，MSSCC各齡期抗壓強(qiáng)度總體呈先提高后降低的趨勢(shì)，且隨齡期延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)的砂漿富余系數(shù)減小。

（4）適宜的砂漿富余系數(shù)不僅有利于降低MSSCC的工作性能經(jīng)時(shí)損失，還能提高M(jìn)SSCC的抗壓強(qiáng)度，適宜的砂漿富余系數(shù)范圍為1.45～1.61。