張 強(qiáng) 孫振平

1.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；2.上海盛庭科技發(fā)展有限公司

1 研究目的

根據(jù)機(jī)制砂混凝土和河砂混凝土性能對(duì)比試驗(yàn)，構(gòu)建機(jī)制砂配制離心樁混凝土的理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)分析高效減水劑、礦物摻合料、水膠比和膠凝材料總量等因素對(duì)機(jī)制砂混凝土的蒸養(yǎng)強(qiáng)度和電通量的影響規(guī)律。提出滿足工作性能、力學(xué)性能和耐久性能要求的離心樁混凝土采用機(jī)制砂生產(chǎn)時(shí)的應(yīng)用技術(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 機(jī)制砂和河砂對(duì)比試驗(yàn)

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土試驗(yàn)

對(duì)比試驗(yàn)所用混凝土配合比如表1 所示。

根據(jù)表1 所示混凝土配合比，分別測(cè)試混凝土坍落度及1h經(jīng)時(shí)損失、擴(kuò)展度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度、彈性模量、劈裂抗拉強(qiáng)度、電通量、早期抗裂和收縮等項(xiàng)目，具體試驗(yàn)結(jié)果如下所述。

表1 混凝土性能對(duì)比試驗(yàn)配合比（kg∕m3）

（1）拌和物性能（見表2）。

從表2可知，機(jī)制砂混凝土與河砂混凝土的拌和物性能基本一致，坍落度、擴(kuò)展度及經(jīng)時(shí)損失均能夠滿足混凝土施工要求。從施工角度而言，機(jī)制砂完全可以替代天然砂來(lái)配制混凝土。

表2 拌和物性能試驗(yàn)結(jié)果

（2）力學(xué)性能（見表3）。

表3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

從表3 可知，機(jī)制砂混凝土的各種力學(xué)性能均優(yōu)于河砂混凝土：①不同齡期的機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度和軸壓強(qiáng)度均高于河砂混凝土，且軸壓比規(guī)律相同。②機(jī)制砂混凝土的彈性模量、劈裂抗拉強(qiáng)度也高于河砂混凝土。③從力學(xué)性能角度而言，機(jī)制砂配制混凝土比天然砂有更多優(yōu)勢(shì)。

（3）耐久性能-抗氯離子滲透（電通量法）（見表4）。

表4 氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果

從表4 可知，機(jī)制砂混凝土抗氯離子滲透性能具有如下規(guī)律：①機(jī)制砂混凝土電通量均低于2000C，具有良好的抗氯離子滲透性能；②聚羧酸系減水劑配制機(jī)制砂混凝土的電通量值略低于萘系減水劑配制的機(jī)制砂混凝土，即采用聚羧酸系減水劑生產(chǎn)機(jī)制砂混凝土有利于提高混凝土抗氯離子滲透性能。

2.1.2 蒸養(yǎng)混凝土試驗(yàn)（見表5、表6）

從上面試驗(yàn)可知，機(jī)制砂完全可以替代河砂生產(chǎn)高性能混凝土，并宜采用聚羧酸系減水劑來(lái)獲得更好的混凝土性能。在此基礎(chǔ)上，本研究針對(duì)機(jī)制砂與天然砂蒸養(yǎng)混凝土進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

從表5和表6 可知，天然砂混凝土和機(jī)制砂混凝土的蒸養(yǎng)強(qiáng)度和電通量相差較小，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的抗壓強(qiáng)度也表現(xiàn)相同規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)制砂能夠替代天然砂生產(chǎn)相同性能要求的離心樁混凝土。

表5 機(jī)制砂與天然混凝土對(duì)比試驗(yàn)配合比（kg∕m3）

表6 機(jī)制砂與天然混凝土對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

2.2 其他原材料的影響

2.2.1 高效減水劑（見表7、表8）

從本研究可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，采用聚羧酸系減水劑生產(chǎn)普通機(jī)制砂混凝土?xí)r，其性能優(yōu)于萘系減水劑配制的機(jī)制砂混凝土。本研究針對(duì)蒸養(yǎng)混凝土進(jìn)行了兩種減水劑地對(duì)比試驗(yàn)。

從表7 和表8 可知，在蒸養(yǎng)條件下，聚羧酸系減水劑配制機(jī)制砂混凝土的拌和物性能、強(qiáng)度和電通量等均優(yōu)于萘系減水劑配制的機(jī)制砂混凝土。因此，建議實(shí)際生產(chǎn)時(shí)采用聚羧酸系減水劑配制高性能蒸養(yǎng)混凝土。

表7 聚羧酸系和萘系減水劑對(duì)比試驗(yàn)配合比（kg∕m3）

表8 聚羧酸系和萘系減水劑對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 礦物摻合料（見表9、表10）

從上表9 和表10 可知，混凝土強(qiáng)度和電通量規(guī)律如下。

表9 礦物摻合料對(duì)機(jī)制砂混凝土性能影響的對(duì)比試驗(yàn)配合比（kg∕m3）

表10 礦物摻合料對(duì)機(jī)制砂混凝土性能影響的試驗(yàn)結(jié)果

（1）當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)，摻加礦渣粉或粉煤灰對(duì)混凝土7d或28d 抗壓強(qiáng)度值影響不大，復(fù)摻比例達(dá)到30%（粉煤灰：礦渣粉=1：1）時(shí)抗壓強(qiáng)度略有降低；摻加硅灰則可顯著提高各齡期抗壓強(qiáng)度值。

（2）當(dāng)采用蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，單獨(dú)摻加礦渣粉的混凝土強(qiáng)度和電通量，低于粉煤灰和礦渣粉復(fù)合摻加，更低于硅灰、粉煤灰和礦渣粉三者復(fù)合摻加。

（3）宜摻加礦物摻合料來(lái)改善蒸養(yǎng)機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度和電通量。

2.3 配合比參數(shù)的影響

2.3.1 水膠比（見表11、表12）

表11 不同水膠比對(duì)機(jī)制砂混凝土性能影響的對(duì)比試驗(yàn)配合比（kg∕m3）

表12 不同水膠比對(duì)機(jī)制砂混凝土性能影響的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

從表11 和表12 可以看出，水膠比仍然是決定混凝土強(qiáng)度的最重要因素。

（1）當(dāng)采用P.O52.5R 水泥配制水膠比0.28 混凝土?xí)r，采用各種優(yōu)化措施可獲得的最高蒸養(yǎng)強(qiáng)度為83.2MPa，而最低強(qiáng)度則為60.9 MPa。

（2）當(dāng)采用水膠比0.25 和0.26 時(shí)，蒸養(yǎng)強(qiáng)度可分別達(dá)到86.1∕89.9MPa 和85.7MPa。

（3）配制高耐久性C80 離心樁機(jī)制砂混凝土宜采用0.25 的水膠比。

2.3.2 膠凝材料總量（見表13、表14）

表13 膠凝材料總量對(duì)混凝土性能影響的對(duì)比試驗(yàn)配合比（kg∕m3）

表14 膠凝材料總量對(duì)混凝土性能影響的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

從表13和表14 可知，在水膠比相同條件下，膠凝材料總量與混凝土性能關(guān)系如下：（1）增加膠凝材料總量可以提高混凝土拌和物性能，易于澆筑成型。（2）膠凝材料總量從530kg∕m3提高到580kg∕m3，機(jī)制砂混凝土的蒸養(yǎng)抗壓強(qiáng)度和電通量基本保持不變。（3）在不影響混凝土性能的情況下，可以通過調(diào)整膠凝材料用量來(lái)改善混凝土拌和物性能。

2.3.3 砂率

本研究采用36%～37%砂率，原因如下：（1）現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55—2000）規(guī)定高強(qiáng)混凝土砂率可取35%～42%。（2）對(duì)于C60～C80 預(yù)應(yīng)力離心樁混凝土，一般樁廠進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)選用 450kg∕m3～550kg∕m3的膠凝材料總量，并采用36%～37%的砂率。（3）本研究經(jīng)過大量試拌驗(yàn)證試驗(yàn)后，方采用36%～37%砂率，試驗(yàn)結(jié)果良好。（4）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)原材料情況進(jìn)行調(diào)整。

3 研究結(jié)論

3.1 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，提出機(jī)制質(zhì)量控制要求

（1）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)制砂宜滿足《普通混凝土用砂石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52—2006）的質(zhì)量要求。

（2）主控指標(biāo)。①宜選用質(zhì)地堅(jiān)硬和粒形方正的機(jī)制砂，配制C80 高強(qiáng)混凝土?xí)r，機(jī)制砂的母巖強(qiáng)度不宜低于100MPa。②為非堿活性骨料。

（3）細(xì)度模數(shù)宜在2.6～3.0 之間，顆粒分布滿足II 區(qū)要求。

（4）堅(jiān)固性指標(biāo)不大于8%。

（5）石粉含量不宜大于7%（較標(biāo)準(zhǔn)略寬）。

（6）不允許含有泥塊。

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂能夠替代天然砂生產(chǎn)高性能混凝土，并具有優(yōu)異的拌和物性能、力學(xué)性能、耐久性能和長(zhǎng)期性能，機(jī)制砂替代河砂具有堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)。

在蒸養(yǎng)條件下，試驗(yàn)證明優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂能夠替代天然砂生產(chǎn)相同性能要求的預(yù)應(yīng)力離心樁混凝土。

宜采用聚羧酸系減水劑，并摻用硅灰、粉煤灰和礦渣粉等礦物摻合料來(lái)提高機(jī)制砂混凝土的各種性能。

水膠比不變而增大膠凝材料總量可以改善蒸養(yǎng)混凝土的工作性能，同時(shí)對(duì)抗壓強(qiáng)度和電通量等其他性能影響較小，水膠比仍然是決定蒸養(yǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度的重要因素，砂率可選用36%～37%。