低品质骨料混凝土稠度改性试验研究

王晓明

(兰新铁路甘青有限公司，甘肃 兰州　730050)

根据我国十三五发展规划，铁路仍是国家未来投资的重点，同时铁路建设的重心也将向中西部、边疆地区转移。然而，我国西部地区混凝土地材资源十分匮乏，加之长期的过度开采，使得以优质河砂为代表的混凝土用合格地材极度短缺[1]。混凝土用优质地材是一种地方性资源，不可再生，也不利于长距离运输，这种供需矛盾在西部铁路建设中尤为突出。若不采取改性措施，直接使用低品质粗砂则会引起混凝土可施工性差，易出现砂线、分层等外观质量问题，甚至会导致混凝土密实性差和开裂的耐久性问题[2-4]。

在西部优质地材资源匮乏的地区，为确保混凝土结构施工质量，将面临不得不大规模外运地材的局面，这不仅显著提高了生产成本，还受季节性、限采政策等因素的限制从而使质量难以得到保障[5]，同时当地资源不能充分利用，不利于持续发展。因此，在保证混凝土主体结构施工质量的前提下，迫切需要探索出一种就地取材、低成本和资源充分利用的基于低品质骨料的混凝土性能调控技术。

多糖类添加剂是一种通过氢键缔合周围水分子使体系稠度提高的稠度改性剂，因具有与水泥浆体适应性强、触变性好、改性效果明显等突出优点[6-8]，在水泥基材料中已得到了应用。本文选择低成本的膏体温轮胶作为多糖类稠度改性剂，研究其对粗砂混凝土工作性、强度和耐久性能的影响，并在西北地区开展试验，为粗砂混凝土的应用提供依据。

1　试验

1.1　原材料与配合比

水泥为北京金隅P.O 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为342 m2/kg；粉煤灰为唐山市开平区陡河发电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，细度为11.4 %，胶凝材料的化学成分见表1。细骨料为定西通渭粗河砂，细度模数为3.7，含泥量1.3%，表观密度为 2 610 kg/m3，吸水率1.3%。粗骨料为天津蓟县5～20 mm两级配碎石，压碎值为5.4%，含泥量0.3%，表观密度为 2 780 kg/m3，紧密空隙率为40%。减水剂为河北金舵聚羧酸高性能减水剂(PCA)。稠度改性剂为河北生物恒标有限公司生产的膏体温轮胶。混凝土配合比见表2，混凝土坍落度为(190±10)mm，含气量为3.5%±0.5%。

表1　胶凝材料的化学成分　%

表2　混凝土配合比　kg/m3

1.2　试验方法

1)混凝土拌合物性能试验

混凝土坍落度、含气量和泌水率试验按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[9]进行。

混凝土流变性能采用丹麦GERMANN仪器厂生产的ICAR型混凝土流变仪进行测试。该仪器克服了既有流变仪体积大、价格昂贵和不适合于现场使用的缺点，仅仅由流变仪、叶片、流变桶、流变仪支架和电脑组成，试验操作全部自动化，在60 s内完成流变参数的测试。该试验主要分4步：①打开电脑及控制软件，连接叶片及流变仪；②搅拌40 L混凝土，倒入不锈钢桶内；③将钢架固定于不锈钢桶上，将叶片插入混凝土，采用钢架卡槽锁定流变仪；④在电脑控制软件中设置相应参数，自动开始试验。

2)试件的成型和养护

试件按GB 50080—2002要求成型，1 d后脱模，然后放入湿度>95%，温度为(20±2)℃的标准养护室进行养护，至规定龄期开展相关性能试验。

3)混凝土硬化体性能试验

混凝土抗压强度试验按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[10]进行，混凝土抗冻性、电通量试验按GB 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[11]进行。

2　试验结果与分析

2.1　稠度改性剂对混凝土工作性能的影响

采用表2中混凝土配合比，研究稠度改性剂对粗砂混凝土工作性能的影响，结果见表3。所配制混凝土的出机状态见图1。

表3　混凝土拌合物性能试验结果

图1　所配制混凝土的出机状态

从表2和表3可以看出：在适当对减水剂掺量进行调整的前提下(增加量为0.1%左右)，稠度改性剂几乎不影响混凝土的坍落度，混凝土含气量略有增加。

从图1可以看出：与基准混凝土相比，掺加稠度改性剂的各强度等级混凝土和易性得到明显改善，泌水率大大降低，拌合物包裹性好，未出现离析现象。

采用ICAR型混凝土流变仪研究了稠度改性剂对混凝土流变性能的影响，试验结果见图2。

图2　稠度改性剂对混凝土流变性能的影响

从图2可知，相比基准混凝土，掺稠度改性剂混凝土的塑性黏度相应提高，因为掺稠度改性剂混凝土流动所需的外力增大，流动时流动速率减慢，体系抗离析能力得到提高。

2.2　稠度改性剂对混凝土抗压强度的影响

稠度改性剂对混凝土抗压强度的影响见表4。可以看出，掺稠度改性剂混凝土的抗压强度发展规律与基准混凝土相同，龄期3 d时掺稠度改性剂混凝土的抗压强度略低于基准混凝土，但28 d强度与基准混凝土相当，表明稠度改性剂几乎不影响混凝土后期抗压强度。稠度改性剂降低混凝土早期强度的原因是：所用的稠度改性剂为多糖类物质，其分子结构上含有较多的羟基，在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜，抑制了铝酸三钙的水化进程，同时延长了钙矾石的成核期和生长期，从而影响了混凝土中水泥的早期水化[12]。

表4　稠度改性剂对混凝土抗压强度的影响

2.3　稠度改性剂对混凝土耐久性能的影响

稠度改性剂对混凝土耐久性能的影响见表5。可以看出：掺稠度改性剂混凝土56 d龄期可以经历快速冻融循环300次以上，56 d电通量<1000 C，满足TB 10424—2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》的要求[13]。稠度改性剂未降低混凝土的抗冻性及抗离子渗透性。

表5　混凝土耐久性能试验结果

3　现场应用

以在西北地区新建的宝兰客专为工程背景，在现场开展试验，以验证所提出的低品质骨料混凝土性能调控措施的有效性。

3.1　混凝土质量

掺加稠度改性剂前后混凝土的拌合物状态对比见图3。

由图3可以看出：掺稠度改性剂后，隧道衬砌粗砂混凝土的包裹性和黏聚性得到改善，即使在静置和运输过程中仍能保持较好的稳定性；与施工单位原隧道衬砌粗砂混凝土相比，在降低胶凝材料用量的前提下，混凝土未出现离析、泌水和骨料外露情况。

观察混凝土入模后状态，基准混凝土在浇筑振捣后存在明显的骨料下沉、浆体上浮的现象，掺加稠度改性剂混凝土匀质性良好，即使在浇筑和振捣的外力作用下仍能保持较好的稳定性，实体混凝土硬化后表面无蜂窝、麻面、大面积气泡、色差等外观质量问题。见图4。

图3　掺稠度改性剂前后混凝土的拌合物状态对比

图4　掺稠度改性剂前后隧道衬砌混凝土外观对比

3.2　技术经济分析

成本控制对新技术混凝土的应用和发展意义重大，但通常情况下混凝土的成本控制与质量控制存在一定的矛盾。一般认为评价混凝土经济性不应仅考虑混凝土的单方原材料成本，还应考虑到工程全寿命周期成本。由于工程全寿命周期成本分析较为复杂，也缺乏明确的依据，因此，本文主要以应用于宝兰客专具有代表性的C40衬砌混凝土为例进行原材料成本分析。结果见表6。

表6　基准混凝土和掺稠度改性剂混凝土单方成本及主要性能对比

从表6可以看出，在混凝土中掺稠度改性剂以后，可以在保证混凝土施工质量的前提下减少混凝土胶凝材料总量，混凝土原材料成本和基准混凝土成本几乎相当。

4　结论

1)膏体温轮胶具有保水增稠的特点，能够显著提高低品质骨料混凝土的塑性黏度，防止混凝土离析、泌水，对混凝土长期力学性能、耐久性能无不利影响。

2)使用膏体温轮胶作为稠度改性剂，可以在不改变骨料的低品质条件下配制满足要求的泵送混凝土，为我国西部地区低品质骨料的资源化利用提供了一条新途径。

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[10]中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 50081—2002普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[11]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

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