李翔 LI Xiang；黨飛 DANG Fei；張亞峰 ZHANG Ya-feng

（云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司，昆明 650000）

0 引言

近年來，我國基礎(chǔ)建設(shè)的速度突飛猛進，混凝土的用量也大大增加。砂石作為混凝土中的主要原料，由于天然砂資源的日益枯竭，國家環(huán)保、能耗雙控政策的實施，大規(guī)模推廣機制砂，是保持混凝土行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然舉措[1-2]。但是由于我國機制砂的區(qū)域特性，生產(chǎn)工藝，質(zhì)量控制標準的參差不齊導致機制砂混凝土在應(yīng)用過程中存在一系列問題，比如級配不良、粒形較差、石粉含量偏高等缺點，為配制高流動性、高耐久性混凝土帶來一定的困難[3-4]。

為此，論文以云南某高速公路為依托，該項目地處云南高原地區(qū)，晝夜溫差大，大風氣候多，T梁采用C50預(yù)應(yīng)力混凝土，水化熱較高，當?shù)責o河砂資源，且普通機制砂由于級配不良，石粉含量高，易導致T梁開裂等問題。針對此問題，論文通過水洗機制砂質(zhì)量控制，配合比設(shè)計，研究了不同變量條件下C50預(yù)應(yīng)力混凝土工作性，抗壓強度和早期開裂性能的變化規(guī)律，獲得工作性能、力學性能和抗開裂能力優(yōu)異的C50預(yù)應(yīng)力混凝土。

1 原材料

1.1 水泥

水泥為云南彌勒某廠生產(chǎn)的P·O52.5級水泥，性能指標見表1。

表1 水泥的物理力學性能

1.2 摻合料

粉煤灰為云南宣威某公司生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，性能指標見表2，礦渣粉為云南某公司生產(chǎn)的S75級礦渣粉，性能指標見表3。

表2 粉煤灰技術(shù)指標

表3 礦渣粉性能指標

1.3 集料

細集料技術(shù)指標見表4；粗集料技術(shù)指標見表5。

表4 細集料技術(shù)指標

表5 粗集料技術(shù)指標

1.4 減水劑

外加劑為聚羧酸高性能減水劑，性能指標見表6。

表6 高性能減水劑的技術(shù)指標

1.5 水

自來水。

2 試驗方法

T梁C50預(yù)應(yīng)力混凝土工作性能、力學性能及早期抗裂性能分別根據(jù)GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》、GB/T50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》、GB/T 50082-2009《普通混凝長期性能和耐久性能試驗方法》進行試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 砂種類對混凝土性能的影響

在配合比其他參數(shù)不變的條件下，改變砂的種類，研究其對T梁C50預(yù)應(yīng)力混凝土工作性能和力學性能的影響規(guī)律，試驗配合比與結(jié)果見表7和表8。

表7 試驗配合比（kg/m3）

表8 砂種類對混凝土性能的影響

根據(jù)表8可知，對于混凝土的工作性能，用河砂配制的效果最好，普通機制砂配制的效果最差，而水洗機制砂在兩者之間。對于混凝土的抗壓強度，用水洗機制砂配制的強度最高，普通機制砂配制的強度最低，河砂配制的混凝土強度在兩者之間。這是因為河砂表面光滑、顆粒圓潤，且級配合理，所以用其配制的混凝土不僅具有較好的工作性能，而且混凝土比較密實，抗壓強度也較高；普通機制砂則是因為中間級配顆粒較少，存在“兩頭大中間小”的斷級配現(xiàn)象，且其表面多棱角，所以用其配制的混凝土工作性能較差，并且由于普通機制砂石粉含量較多，易導致混凝土開裂，級配不良的機制砂造成混凝土孔隙率增加，多重因素的作用下導致混凝土的抗壓強度降低；而水洗機制砂其顆粒級配連續(xù)，細度模數(shù)適中，但因其表面有棱角沒有河砂圓潤，造成其流動性稍差。另一方面，用其配制的混凝土比較密實，且水洗機制砂表面的棱角性導致其與水泥漿的界面結(jié)合力較強，配制的混凝土抗壓強度最高。

3.2 砂率對混凝土性能的影響

保持其余參數(shù)不變，改變砂率，研究水洗機制砂摻量對混凝土工作性和強度的影響，試驗結(jié)果如表9所示。

由表9可知，隨著水洗機制砂摻量的增加混凝土的坍落度、擴展度以及抗壓強度呈先增加后減小的趨勢，水洗機制砂的砂率為40%和42%時，混凝土工作性能較好，砂率為40%時，混凝土的抗壓強度最高。這是由于水洗機制砂摻量較小時，在水膠比一定的情況下，砂漿量較少，不能完全包裹粗骨料的表面和填充骨料間的空隙，造成混凝土中粗骨料堆積，空隙率增加，使混凝土的工作性較差，硬化后的混凝土抵抗荷載的能力較低；而隨著水洗機制砂摻量的提高，漿體量逐漸增加，在一定范圍內(nèi)可以完全包裹骨料和填充空隙，達到最優(yōu)摻量，使混凝土的工作性和密實性達到最佳狀態(tài)，抗壓強度也隨之增加；但過高的水洗機制砂摻量，在水泥漿體一定時，水泥漿體用于包裹砂顆粒的量增多，可以自由流動的漿體量變少，所以混凝土的流動性變差，另一方面砂率過高時，混凝土中粗集料減少，其骨架作用降低，界面結(jié)合力減弱，導致抗壓強度有所下降。

3.3 礦物摻合料對水洗機制砂混凝土性能的影響

根據(jù)上節(jié)試驗結(jié)果，選用水洗機制砂，其余參數(shù)不變，改變礦物摻合料的種類和摻量，分析混凝土性能的變化，試驗結(jié)果見表10。

根據(jù)表10可知，礦物摻合料摻量增加同時，混凝土的工作性能逐漸變好，而抗壓強度隨之降低。且粉煤灰對混凝土工作性能的改善要優(yōu)于礦渣粉，而礦渣粉對混凝土早期強度的作用優(yōu)于粉煤灰。因為礦物摻合料的加入可以充分發(fā)揮其“微集料效應(yīng)”、“形態(tài)效應(yīng)”，填充于混凝土結(jié)構(gòu)中，改善混凝土的和易性。但粉煤灰微觀形態(tài)為表面光滑的玻璃微珠，能起到良好的滾珠作用，增強流動性，而礦渣粉的微觀形貌是不規(guī)則結(jié)構(gòu)，對混凝土工作性的改善弱于粉煤灰[5]。

力學性能方面，粉煤灰本身不具備水化硬化的特點，只有在硅酸鹽水泥等條件的激發(fā)下，才具有強度,且參與水化反應(yīng)的速度緩慢；而礦渣粉自身能水化硬化，參與水泥水化反應(yīng)速度快，活性能充分發(fā)揮，所以用礦渣粉配制的混凝土早期強度要高于粉煤灰。而水膠比一定時，礦物摻合料摻量增加，水泥用量不斷減小，水化反應(yīng)生成的Ca（OH）2減少，反應(yīng)速率降低，導致混凝土的抗壓強度隨礦物摻合料摻量的增加而下降。

3.4 水洗砂石粉含量對混凝土抗裂和抗碳化性能的影響

調(diào)整水洗砂的石粉含量，分別以2%、5%、7%、10%的摻量進行試驗，其余參數(shù)不變，根據(jù)《普通混凝長期性能和耐久性能試驗方法》GB/T 50082-2009，選用平板刀口約束法進行開裂試驗，結(jié)果如圖1所示。混凝土的抗水滲性能采用滲水高度法來進行試驗，結(jié)果如圖2所示。

圖1 石粉含量對混凝土抗開裂性能的影響

圖2 石粉含量對混凝土抗水滲性能的影響

由圖1和圖2可知，當石粉含量增加，混凝土的最大裂縫寬度和單位面積上總開裂面積，以及滲水高度呈先降低后增大的趨勢，混凝土抗開裂性能和抗水滲性能在石粉含量為7%時最優(yōu)。這是由于石粉對混凝土性能的影響是相對的，石粉含量變化時，石粉的“正負效應(yīng)”強弱也不同[6]。當水洗機制砂中石粉含量偏低時，水洗機制砂整體偏粗，配制出的C50預(yù)應(yīng)力混凝土和易性較差，密實度較低，混凝土內(nèi)部滲水通道增加，因此抵抗開裂和滲水的能力較弱。但石粉含量過高時，水泥石或界面過渡區(qū)中出現(xiàn)游離態(tài)的石粉，界面結(jié)合力減弱，且石粉也易飄浮于混凝土表面，硬化后在混凝土表面形成軟弱層，易引起開裂，增加水和有害離子的侵入風險，從而降低混凝土性能。所以在石粉含量變化的過程中，存在一個最佳的石粉含量，能充分發(fā)揮石粉的“填充效應(yīng)”，可以增加混凝土拌合物的密實度和穩(wěn)定性，達到增強混凝土抵抗開裂和抵御水及外來有害物質(zhì)的侵蝕能力。

4 工程應(yīng)用情況

以云南某高速公路為依托，當?shù)責o河砂資源，普通機制砂含粉較重，級配不良，因此根據(jù)上文研究結(jié)果，結(jié)合項目晝夜溫差大，大風氣候多的氣候條件，為避免混凝土開裂，采用水洗機制砂搭配粉煤灰，控制石粉含量在7%左右，40%的砂率，粉煤灰摻量為49kg/m3，配制T梁C50預(yù)應(yīng)力混凝土。澆筑期間工作性良好，澆筑完成后對混凝土進行保溫、保濕養(yǎng)護，后期對混凝土和實體構(gòu)件進行檢測，采集大量數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：試塊的3天評定強度為48.6MPa，7天評定強度為55.2MPa，28天評定強度為64.5MPa，28天實體回彈強度為62.2MPa，各項指標滿足施工設(shè)計要求，且實體構(gòu)件外觀良好，無裂縫、氣泡等不良問題產(chǎn)生，如圖3所示。

圖3 T梁實體外觀

5 結(jié)論

①用水洗機制砂配制C50預(yù)應(yīng)力混凝土的工作性能介于河砂混凝土與普通機制砂混凝土之間，而力學性能優(yōu)于其它兩種砂配制的同配合比混凝土。②混凝土的坍落度、擴展度以及抗壓強度隨著砂率的增加呈先增加后減小的趨勢，當砂率為40%時，混凝土工作性能和力學性能的綜合效果最好。③水洗機制砂配制C50預(yù)應(yīng)力混凝土，使用粉煤灰的綜合效果要優(yōu)于礦渣粉，當粉煤灰摻量為49kg/m3時，效果最佳。④當水洗砂石粉含量為7%時，C50預(yù)應(yīng)力混凝土的抗裂性能和抗水滲性能最好，并成功應(yīng)用于晝夜溫差大，大風氣候多的環(huán)境中。