C50机制砂高性能混凝土配合比优化试验研究

李志堂，白 伟，谭博盛，张博宇，伍文振，李铨洲

(1.广东省长大公路工程有限公司，广州 510620;2.广西交通投资集团有限公司，南宁 530022)

机制砂混凝土已成为目前基础建设中重要角色，也将缓解天然河沙匮乏的现状。国内外关于机制砂混凝土的研究及应用有相当多的报道[1]。其中，关于机制砂石粉含量对机制砂混凝土影响有较为深入的研究[2-8]。目前国内规范对混凝土用机制砂的石粉含量要求是较为苛刻的，尤其是对于中高标号混凝土。而既有研究表明，适量的石粉含量对机制砂混凝土是有利的[9]。为此，沈卫国等[10]提出了以粉料质量指数PQI(Powder Quality Index)作为机制砂质量分级的综合指标，为确定机制砂石粉最优含量及为机制砂质量分级提供了新的依据。为了充分利用此工程项目制砂过程中所产生的多余石粉，确保机制砂混凝土性能的前提下，在已有的研究基础上，通过对比粉煤灰及石粉不同掺入量，优化机制砂混凝土配合比，以达到减少水泥用量及石粉排放的目的。

1 试验研究

1.1 原材料

1)水泥：采用鱼峰牌P.O.42.5水泥，主要性能指标见表1。

2)粉煤灰：为Ⅱ级粉煤灰，其具体指标见表2。

3)粗集料：采用自产5～31.5 mm连续级配石灰石碎石，表观密度为2.714 kg/m3，松散堆积密度为1.64 kg/m3，压碎值为12.2%。

表1 水泥性能指标

表2 粉煤灰的质量指标试验结果

4)细集料：为自产石灰岩机制砂，细度模数2.9，压碎值18%，石粉含量约5%～6%，亚甲蓝MB值0.55 g/kg，表观密度2.702 kg/m3，堆积密度1.638 kg/m3，空隙率37%，级配组成如图1所示。

5)减水剂：采用UJ303型聚羧酸盐高性能减水剂，固含量为25%，减水率为24%～37%。

1.2 试验方法

1)拌和物工作性：按GB/ T 50080—2002《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》进行测试。

2)抗压强度：按GB/ T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm立方体。

2 试验结果分析

原配合比(表3)中，水泥的用量为480 kg/m3，用量较大。普通混凝土配合比优化的出发点在于其他性能保持不变或者有所提高的前提下，减少水泥的用量或者用其他的胶凝材料(粉煤灰，石粉等)取代水泥，从而在确保同样的性能情况下，减少成本，提高经济效益。

C50新配合比(表4)中，当高性能外加剂掺量掺到1.5%时，坍落度普遍都能达到180 mm左右，满足设计混凝土对坍落度的要求。新配合比1#和2#的水胶比为0.34，新配合比3#、4#、5#、6#和7#的水胶比为0.32。具体各配合比的强度性能见表5。

表3 原C50配合比

表4 C50新设计优化配合比

表5 C50各配合比的强度性能

从强度性能可以看出当水胶比为0.34时，强度达不到C50的设计要求。当水胶比降为0.32时，强度明显提高，达到强度设计要求，因此水胶比为0.32是普通C50混凝土的最佳水胶比。粉煤灰的加入对混凝土的初期强度贡献不大，因此从表中可以看出，掺加粉煤灰的7 d混凝土强度明显低于原配合比中不掺粉煤灰的混凝土强度。但28 d强度显示粉煤灰对混凝土后期强度贡献较大。当水泥对后期强度的增长出现疲软时，粉煤灰的火山灰效应和微集料效应体现出来，对混凝土后期强度的增长有很大的贡献。

比较配合比3#和6#，发现其他参数不变的情况下，减少胶凝材料的总用量，相应增加集料的用量，强度反而还会小幅度上升，这主要是因为骨料的增加增强了混凝土的骨架的支撑作用，虽然胶材有所减少，但是强度不降反升。因此两者相比，配合比6#可减少水泥用量，对于减少混凝土水化作用及降低成本更有优势。

比较配合比5#、6#和7#，发现随着粉煤灰掺量的增加，强度有一个先增加后降低的过程。这主要的原因可能是，当粉煤灰的掺量低于10%时，粉煤灰的加入在混凝土中能够很好的起到填充空隙的作用，使级配更加合理，混凝土更加密实，因此强度会有一个增加，但是掺量达到20%时，由于粉煤灰的含量过多，粉煤灰相比水泥活性低的性质体现出来，强度会明显下降。

通过比较配合比1#和2#、3#和4#，发现石粉作为胶凝材料掺加到高标号混凝土中，对强度的影响很大，实验中石粉的掺量只有5%，但是不管是0.34的水胶比还是0.32的水胶比，石粉都会使混凝土的强度下降。一部分原因在于石粉的活性很低，基本不发生水化反应，对强度的贡献主要还是填充效应，使得混凝土变得更加密实；另一个原因是机制砂本身石粉含量约5%～6%，所以再掺入过量石粉(中高标号机制砂混凝土中石粉含量不宜超过10%)，对机制砂混凝土强度是不利的。这与已有的研究结果是一致的。

综合对比，8种配合比方案，配合比0#水泥用量偏高，28 d强度富余过多；而配合比2#的28 d强度富余过小。而配合比3#、5#、6#和7#只掺入粉煤灰。因为项目受地域影响，粉煤灰价格、供应量及质量波动较大，这会对实际施工及质量控制造成不利影响；且没有掺入石粉，没有起到减少石粉排放的目的。综合考虑配合比4#为经济合理的优化配比。

3 结 论

a.掺加粉煤灰的7 d混凝土强度明显低于原配合比中不掺粉煤灰的7 d混凝土强度。但28 d强度显示粉煤灰对混凝土后期强度贡献较大。

b.其他参数不变的情况下，减少胶凝材料的总用量，相应增加集料的用量，强度反而还会小幅度上升。

c.随着粉煤灰掺量的增加，强度有一个先增加后降低的过程。

d.石粉作为胶凝材料掺加到高标号混凝土中，对强度的影响很大，其掺入量应该考虑机制砂本身已有石粉的含量。

e.通过掺入适量的粉煤灰及石粉作为胶凝材料，可以替代部分水泥，既可以保证机制砂混凝土性能满足要求，也可以利用掉部分制砂过程中所产生的多余石粉，降低混凝土成本，提高经济效益。

[1] Shen W,Yang Z,Cao L,et al.Characterization of Manufactured Sand:Particle Shape,Surface Texture and Behavior in Concrete[J].Construction & Building Materials,2016,114:595-601.

[2] 蒋正武，梅世龙.机制砂高性能混凝土[M].北京：化学工业出版社，2014.

[3] 王稷良.机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究[D].武汉:武汉理工大学,2008.

[4] 刘战鳌,周明凯,李北星.石粉对机制砂混凝土性能影响的研究进展[J].材料导报,2014,28(19):104-107.

[5] 曹亮宏,陈培冲,谭 昱,等.广西石灰岩机制砂混凝土材料设计研究[J].武汉理工大学学报,2013,35(2):32-37.

[6] 范德科,马 强,周宗辉,等.石粉对机制砂混凝土性能的影响[J].硅酸盐通报,2016,35(3):249-253.

[7] 张如林,陈玉前,刘书童,等.机制砂石粉含量对混凝土的性能影响研究[J].混凝土,2016,317(3):84-85.

[8] 黄昌华,杨海成,盛余飞,等.砂岩石粉含量对机制砂混凝土劈裂抗拉强度的影响及机理研究[J].水运工程,2017,534(9):67-72.

[9] 杨家伟,李固华,于春辉,等.石粉对低强度机制砂混凝土和易性的影响[J].四川建筑科学研究,2015,41(1):230-234.

[10] 沈卫国,刘 燚,王中文,等.基于粉料质量指数的机制砂分级标准研究[J].新世纪水泥导报,2017(6):9-16.