混合砂配制 C60泵送混凝土的应用研究

姜兴彦，修晓明，殷艳春，韩宇，刘洪江

（中建商品混凝土沈阳有限公司，辽宁　沈阳　110000）

混合砂配制 C60泵送混凝土的应用研究

姜兴彦，修晓明，殷艳春，韩宇，刘洪江

（中建商品混凝土沈阳有限公司，辽宁沈阳110000）

我国细砂、人工砂资源丰富，通过将不同比例的细砂、人工砂进行混合使用配制 C60高强混凝土，并研究其可泵性。结果表明：最佳比例的细砂、人工砂掺和的混合砂可以替代天然中砂配制 C60泵送混凝土。通过优选原材料，合理配置粗细骨料比例、细砂和人工砂比例，达到骨料的最紧密堆积。通过调整混凝土外加剂，可显著降低混凝土粘滞阻力，提高混凝土可泵性。通过对评价混凝土可泵性的各项性能指标进行试验测试，最终配制出和易性良好、可泵性高的混凝土。

混合砂；紧密堆积；泵送混凝土；可泵性

0　引言

混凝土是土木工程中用途最广、用量最大的一种建筑材料，砂是混凝土中占比较大的重要原材料。但近些年来，随着建筑业发展要求的日益增长，混凝土的使用量急剧增大，导致我国大部分地区中砂资源匮乏，阻碍了混凝土技术的发展。随着现代技术的发展，细砂和人工砂被越来越多的人所关注。细砂是细度模数为2.2～1.6、平均粒径为0.35～0.25mm 的细骨料。人工砂是轧制并筛分碎石所得的粒径为2～10mm 的粒料，其表面比中砂粗糙，有尖锐棱角，不仅含有大颗粒且含有较多的粒径小于0.16mm 的石粉，这种级配拌合物的强度较高，与水泥的粘结性好。人们已经开始对细砂、人工砂的性能以及其在商品混凝土中的应用进行相关研究。然而通过将细砂、人工砂按适当比例进行复合制成混合砂并系统研究其各项性能，使用混合砂配制 C60高强泵送混凝土可泵性的研究，并未得到人们足够的重视。

将细砂和人工砂进行复合使用可发挥各自的优势，有效克服单独使用时存在的各种问题。在充分研究混合砂各项性能的基础上，使用混合砂配制 C60泵送混凝土并对比中砂配制 C60混凝土各项性能指标，研究其可泵性，为混合砂在高强泵送混凝土中的应用提供理论依据。

1　试验

1.1原材料

1.1.1水泥与矿物掺合料

试验所用的水泥（C）为亚泰 P·O42.5水泥，粉煤灰（FA）为佳实 I 级粉煤灰，矿粉（SL）为浩海赢 S95级矿粉，其化学组成及物理性能见表1～表4。

表1　水泥和矿物掺合料的化学成分分析　wt%

表2　水泥的物理性能

表3　粉煤灰的物理性能

表4　矿粉的物理性能

1.1.2粗细集料

细集料和粗集料的指标参数分别见表5～表8。

表5　中砂性能指标

表6　细砂性能指标

表7　人工砂性能指标

表8　碎石性能指标

1.1.3外加剂

高效减水剂选用科隆高效聚羧酸减水剂，固含量20%，减水率25%。

1.2试验方法

按照 GB/T50080－2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》进行测试。

混凝土强度试验按照 GB/T50081－2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

采用中建西部建设北方公司发明的混凝土流空时间检测装置对混凝土进行粘度分析。

2　结果与讨论

2.1中砂配制 C60混凝土的工作性能和力学性能

2.1.1C60混凝土配合比的确定

根据工程应用经验，采用 C-FA-SL 胶材体系进行 C60混凝土的配制。利用 I 级 FA 所具有的良好的颗粒形态达到“滚珠润滑减水”和“微集料填充密实”效果，配制可泵性高的C60高强混凝土。

混凝土配合比（见表9）所用胶材总量为580kg/m3，容重为2420kg/m3；通过调整胶材体系中水泥及掺合料比例，固定用水量155kg/m3, 固定高效减水剂掺量不变为2.0%。I 级FA、SL 的单方总掺量分别为15%、20%、25%、30%、35%及40%，其余胶凝材料掺量为水泥。依据紧密堆积理论和试验所得，确定砂率为39%，FA∶SL=4∶6。随着水泥用量的降低，掺合料用量的提高，比对混凝土的各项性能指标（见表10）。

表9　中砂配制 C60混凝土配合比　kg/m3

2.1.2混凝土工作性能与力学性能

表10　中砂配制 C60混凝土工作性能和力学性能

从表10中可以看出，胶凝材料为580kg/m3、掺合料总量不超过40% 的条件下，混凝土试件抗压强度随龄期的增长而增强。

从抗压强度和配比经济性来看：SP-1、SP-2、SP-3、SP-4和 SP-5的28d 抗压强度均在设计值的1.1～1.3倍之间，其中满足强度要求的配合比中 SP-5最经济。

从坍落扩展度和 T50来看：混凝土坍落扩展度的大小直接影响混凝土的可泵性，在混凝土不发生浆骨分离的前提下，扩展度越大，泵送越容易，反之则泵送困难。T50则直接表征混凝土的流速，T50越小，混凝土流速越快，混凝土越容易施工。从表10可以看出 SP-3、SP-4和 SP-5的 T50均在3s 内，扩展度均超过650mm，可泵性较高。

从坍落与 J 环扩展度之差和离析率来看：坍落与 J 环扩展度之差 PA 表征了混凝土的间隙通过性，PA 越小，则混凝土间隙通过性越高，混凝土匀质性越好，可泵性越高。离析率表征了混凝土的匀质性的优良，离析率越低，混凝土匀质性越好，可泵性越高。从表10可以看出，SP-1、SP-2和 SP-3离析率较低，SP-3、SP-4和 SP-5的 PA 值基本一致。

从混凝土的流空时间看：流空时间（倒筒时间）是表征混凝土粘度的重要指标，流空时间越短，混凝土粘度越低，粘滞阻力越小，可泵性越高。从表10可以看出 SP-3、SP-4和 SP-5的流空时间均在10s 内，可泵性较高。

综上分析，确定 SP-3为可泵性最佳配合比，将其设定为基准配和比，SP-3对应的工作性能及力学性能指标为参照指标。

3.2混合砂配制 C60混凝土工作性能和力学性能

3.2.1混合砂混合比例的确定

根据骨料紧密堆积理论，采取人工砂和细砂混合的方式配制混合砂，表11为不同比例配制混合砂的性能指标（见表13）。

表11　人工砂、细砂配制的混合砂的性能指标

2.2.2混合砂配制 C60混凝土的工作性能及力学性能

采用 C-FA-SL 胶材体系进行混合砂 C60混凝土的配制。胶凝材料用量为 C∶FA∶SL=435∶58∶87，容重为2420kg/m3，用水量根据混凝土拌合物性能进行调整，高效减水剂掺量不变为2.0%。砂率依据骨料紧密堆积理论进行确定并根据混凝土拌合物性能进行微调。将表11中各项数据和天然中砂性能指标进行对比，结合人工砂、细砂的应用实际，选择编号为 HHS3、HHS4、HHS5三种混合比例（即人工砂：细砂混合比例分别为7∶3，6∶4，5∶5）的混合砂进行C60混凝土的配制，检测拌合物工作性能及力学性能指标，并与中砂配制 C60混凝土性能指标进行对比分析。

表12　混合砂配制 C60混凝土配合比　kg/m3

表13　混合砂配制 C60混凝土工作性能和力学性能

从表13抗压强度数据来看：混合砂配制 C60混凝土试件的7d、28d 强度较中砂配制 C60混凝土略高，表明适当比例配置的混合砂可以替代中砂进行 C60高强混凝土的配制。

分析表5、表6、表7的中砂、人工砂、细砂各项性能指标和表13中混凝土工作性能指标可以看出：人工砂在 MB 值低于1.0的前提下，材料中以石粉量为主，泥粉量较低，加上人工砂细度模数较大，比表面积较中砂和细砂低，因此随着人工砂在混凝土中掺入比例的增加可降低混凝土单方用水量，改善混凝土的粘度。细砂细度模数小、比表面积大，在混凝土中过多的掺加不利于用水量的控制，混凝土粘度也会随之增大。从表13可看出，在混凝土工作性相近的情况下，人工砂掺加比例越大，混凝土拌合物的流动性和间隙通过性更好，混凝土粘度越小，但离析率较大。

综合分析，HHSP1配合比拌合物工作性良好，混凝土各项性能指标与中砂配制 C60混凝土接近，且强度满足设计要求。但因人工砂颗粒粒型较差、表面粗糙、有尖锐棱角且级配不连续，细砂比表面积大，混合砂配制混凝土仍存在保水性较差、粘度偏高、匀质性差等问题，需要通过试验进一步调整高效聚羧酸外加剂配方和混凝土砂率，以此改善混凝土的可泵性。

2.3高效聚羧酸外加剂配方调整

高效聚羧酸外加剂通常主要由高减水母液、中减水母液、保坍母液以及其它用于改善混凝土工作性的小料组成。减水母液主要调整外加剂的减水率，保坍母液主要调整混凝土保坍时间和解决混凝土泵送损失问题，其它用于改性的小料可有针对性地解决混凝土存在的问题。针对混合砂配制混凝土仍存在保水性较差、粘度高、匀质性差的问题，通过适当提高高减水母液组分比例，降低中减水母液组分比例，从而提高外加剂的初始减水率，降低混凝土单方用水量，提高混凝土强度保证率；通过在减水剂中添加粘度改性剂，改善混凝土粘度偏大的问题；通过适当添加引气剂，改善混凝土保水性差的问题。经过多次试验调整混凝土砂率及外加剂配方，最终混合砂配制 C60混凝土的工作性能及力学性能如下表14、表15所示。

表14　调整砂率及外加剂配方的 C60混凝土配合比　kg/m3

表15　调整砂率及外加剂配方的 C60混凝土工作性能和力学性能

3　结论

（1）人工砂、细砂在高强泵送混凝土中的成功应用解决了天然中砂资源匮乏问题。经试验验证，人工砂与细砂以7∶3的比例搭配的混合砂可完全替代天然中砂进行 C60泵送混凝土的配制，不仅质量符合规范要求，且泵送性能与天然中砂配制混凝土相近。

（2）人工砂与细砂以7∶3的比例配置的混合砂细度模数较中砂大，比表面积较中砂小，配制混凝土的单方用水量小，强度保证率高。

（3）人工砂、细砂的级配均较中砂差，单一使用人工砂或细砂配制混凝土均很难使混凝土骨料达到紧密堆积状态。通过调整人工砂和细砂的混合比例以及砂率，可使人工砂－细砂－碎石的骨料体系达到紧密堆积的最佳状态，混合砂－碎石骨料体系配制混凝土的结构也较中砂～碎石骨料体系配制混凝土的结构更致密。

（4）混凝土的可泵性是对混凝土工作性能的综合评价，其影响因素也是复杂多变的，通过系统的研究人工砂、细砂的性能特点，科学的配合比设计以及有针对性的外加剂配方调整，可成功使用混合砂配制可泵性高的 C60高强混凝土。

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［通讯地址］辽宁省沈阳市苏家屯区前谟家堡城大街42-1号（110100）

姜兴彦（1988－），男，学士，中建商品混凝土沈阳有限公司。主要研究高性能超高泵送混凝土，工业固废资源综合利用。