石灰石机制砂与鹅卵石机制砂双掺制备C 50高性能混凝土的性能研究

周珉，韦峰静，甘露，覃佳，黄世力

（广西鱼峰混凝土柳东有限公司，广西 柳州 545008）

0 引言

目前，机制砂依靠其低廉的成本价值、成熟的制备工艺和丰富的原料储量，已经完全替代天然砂成为当前预拌混凝土细骨料组分的不二选择。混凝土是目前使用量最大的建筑材料，把机制砂应用到混凝土的制备中，大大缓解了天然砂资源的匮乏带来的压力，也为预拌混凝土企业带来了巨大的利润空间。

在柳州混凝土原材料市场上，机制砂主要有石灰石机制砂和鹅卵石机制砂两种。石灰石机制砂是将柳州附近石灰石岩矿经破碎、整形、筛分、收尘等工序制备而成，其主要特点是细度模式较小，小于 0.3mm 的粒径较多，含粉量较大，单级最大压碎指标较好。石粉不但增加了水泥浆体含量，而且提高了混凝土的流动性，石粉还可起到微滚珠作用，减少砂与砂之间的摩擦，从而改善混凝土的和易性；石粉能减小颗粒间的空隙，排除空隙中的部分水分，使自由水增加，从而使浆体流动性增大，减小对用水量的需求[1]。鹅卵石机制砂是将采自柳江支流的鹅卵石经水洗，破碎、整形而成，其颗粒较粗、细度模数大、级配较差、颗粒棱角较多，不宜单独使用制备混凝土。

JGJ/T 385—2015《高性能混凝土评价标准》规定，常规品高性能混凝土配合比应按强度和耐久性能进行设计，并应使混凝土达到设计与施工要求的混凝土力学性能、拌合物性能、长期性能和耐久性能。本试验针对柳州附近的石灰石机制砂和鹅卵石机制砂双掺设计并试配C50 高性能混凝土，研究两种机制砂双掺的搭配比例对C50 高性能混凝土的拌合物性能、力学性能以及抗渗性能的影响，从中找出最优搭配比例。

表1 水泥的主要性能指标

1 试验

1.1 配合比要求

根据 GB/T 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》、JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》、CJJ 2—2008《城市桥梁工程施工与质量验收规范》、JGJ/T 385—2015《高性能混凝土评价标准》的相关标准确定本试验配合比设计的相关要求：

（1）砂子颗粒级配为Ⅱ区，细度模数 2.8～3.0。

（2）碎石粒径不宜大于 25mm。

（3）C50 混凝土最大水胶比为 0.45。

（4）混凝土最大胶凝材料用量不大于 500kg/m3。

（5）混凝土最大氯离子含量不应超过胶凝材料总量的 0.10%。

（6）混凝土中最大碱含量为 3.0kg/m3（潮湿环境）。

（7）设计坍落度 180～210mm，设计扩展度大于600mm。

1.2 原材料分析

（1）水泥采用鱼峰牌 P·Ⅱ42.5 水泥，符合 GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》标准，具体性能指标如表1。

表2 矿粉的主要性能指标

表3 砂子的主要技术指标

（2）矿物掺合料为强实牌 S95 级细磨矿渣粉，符合 GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土的粒化高炉矿渣粉》要求，具体性能指标如表2。

（3）试验用石灰石机制砂为柳州周边天然碎石破碎生产的砂子；鹅卵石机制砂为柳州市周边砂厂生产；主要技术指标见表 3，筛分分析见表 4。

表4 砂子筛分分析

（4）碎石为柳州马鞍山连续级配 5～25mm 碎石，Cl-含量为 0.004%。

（5）外加剂为聚羧酸系高性能减水缓凝剂，掺量为胶凝材料的 2.6%，总碱量为 0.57%，Cl-含量为0.004%。

（6）拌合水为地下水，碱含量为 65mg/L，Cl-含量为 60mg/L，SO42-含量为 17mg/L。

1.3 配合比设计

试验确定水胶比为 0.31，胶凝材料为 480kg/m3，矿粉掺量为占胶凝材料的 29%，砂率为 41%，表观密度为 2433kg/m3，计算得出试验用配合比如表 5。

表5 试验配合比k g/m3

1.4 试验方案

试验主要是按照试验配合比，用两种机制砂按不同比例混合来充当细骨料配制混凝土。石灰石机制砂细度模数较小、含粉量太高，日常生产中单独使用配制的混凝土坍落度较小、流动性差。鹅卵石机制砂太粗、级配太差。在混凝土制备的时候，发现粒径比较粗的砂石比较多的时候，应该添加一些细粒径和中粒径的砂石，减少其中的孔隙，避免整体的表面积太大，不仅节约了水泥浆液的使用量，同时也提高了混凝土的强度和密实度，由此可见，砂的粗细程度和级配也是衡量砂质量的重要指标[2]。而两种机制砂混合，按照比例搭配的混合砂可以得到较好的细度模数和级配，从中找出符合设计要求的双掺比例进行试配试验。

混合比例对混合机制砂细度模数的影响见图 1，混合砂的颗粒级配分布见表 6 和图 2。

图1 混合机制砂对细度模数的影响

由图 1 可以看出两种机制砂的混合时，石灰石机制砂掺量越大，混合砂的细度模数越小，当掺量混合比例为 5:5、6:4、7:3、8:2 时，细度模数符合配合比要求的2.8～3.0 之间。

由表 6 和图 2 可以看到，混合砂的级配分布在二区砂范围内的混合比例为 6:4、7:3、8:2、9:1。综合细度模数的要求，选取石灰石机制砂与鹅卵石机制砂掺量混合比例为 6:4、7:3、8:2 的混合砂进行配合比验证。

表6 不同尺寸方筛孔累计筛余

图2 混合砂的颗粒级配分布

1.5 混凝土总碱含量及氯离子总含量计算

（1）混凝土总碱含量计算

混凝土的总碱含量包括水泥、矿物掺合料、外加剂及水的碱含量之和。其中，矿物掺合料的碱含量以其所含可溶性碱计算。矿渣粉的可溶性碱量取矿渣总碱量的 1/2。配合比设计中最大碱含量为 3.0kg/m3（潮湿环境）。试验配合比混凝土总碱含量计算结果见表 7。

表7 混凝土总碱含量计算结果

（2）混凝土氯离子总含量计算

混凝土中氯离子总含量包括水泥、矿物掺和料、粗骨料、细骨料、水、外加剂等所含氯离子含量之和，混凝土的氯离子总含量不应超过凝胶材料总量的 0.10%，用三种掺和比例的混合砂配制混凝土中氯离子总含量见表 8。

表8 混凝土氯离子总含量试验结果

经计算，三种混合砂试配的混凝土总碱含量及氯离子总含量满足设计要求。试验选取这三种混合砂进行配合比试配试验，并对配制的混凝土进行工作性能、力学性能和抗渗性进行分析研究。

2 试验结果和分析

2.1 试配混凝土工作性能

石灰石机制砂与鹅卵石机制砂掺量混合比例为6:4、7:3、8:2 的混合砂颗粒级配较好，新拌混凝土的工作性能基本满足泵送施工要求，且无离析、无泌水。

从图 3、图 4 可以看出，石灰石机制砂掺量为 70%时，混凝土的流动性最好，适量的石粉充分填充混凝土胶凝材料和骨料的间隙，使得混凝土流动性相对较好，对抗离析性和抗泌水性也有比较大的贡献。当掺量为80% 的时候，混合砂中 0.6mm 至筛底的部分较多，增大了混凝土中比表面积，使得需水量增大，自由水减少，混凝土扩展度和流动性相对减少。掺量为 60% 的混合砂，4.75～2.36mm 部分的大颗粒机制砂多棱角，颗粒间相互摩擦力较大，影响混凝土流动性。

2.2 试配混凝土力学性能

由图 5 可知，因三种比例混合砂都属于中砂范围，相互混合的比例对混凝土抗压强度的影响并不明显。

三种混合砂试配混凝土的 28d 龄期强度均达到强度等级的 115% 以上。机制砂的颗粒棱角较多，相互的粘结接触点很多，在混凝土内部形成较为坚固的连接关系，对混凝土抗压强度的贡献较大。

图3 坍落度和扩展度试验结果

图4 间隙通过度试验结果

图5 龄期—抗压强度分析

2.3 试配混凝土抗渗性能

混凝土是一种多相非均匀材料，从微观上看是多孔结构，水通过这些空隙在混凝土中渗透。一般认为，混凝土的渗透性越低，水及腐蚀性介质越不易渗入，即耐久性越好[3]。将三种混合砂试配的混凝土分别制作抗渗试块，标准养护 28d 后进行混凝土抗渗试验，试验水压从 0.1MPa 开始，以后每隔 8h 增加水压 0.1MPa，当 6个试件中有 3 个试件断面呈有渗水现象时，停止试验，记录当时的水压。

由表 9 可以看出，不同双掺比例的混合砂拌制的混凝土所能加压至最大水压也有差异。

表9 抗渗试验结果

当石灰石机制砂掺量为 70%，混凝土整体密实度最高，抗渗性能最佳，抗渗等级达到 P12。当掺和比例为6:4 时，混凝土浆体相对要少，混凝土内部存在细小空隙，影响混凝土抗渗性能。当石灰石机制砂掺量过高，其石粉含量过大，破坏了混凝土内部整体的堆积效果，影响水泥浆对骨料的包裹，导致混凝土抗渗性能下降。

3 结论

本试验分析了石灰石机制砂与鹅卵石机制砂按不同双掺比例混合的混合砂特征，选取满足 C50 高性能混凝土要求的混合砂进行混凝土试配。研究不同双掺比例的混合砂对 C50 高性能混凝土的工作性能的影响，对力学性能的贡献，以及对比抗渗性能，得出以下结论：

（1）各自存在级配缺陷的石灰石机制砂和鹅卵石机制砂按照 7:3 的比例混合后，可得到满足 C50 高性能混凝土配合比设计要求的细度模数为 2.9 的二区中砂，拌制混凝土的工作性能最佳。

（2）符合设计要求的混合砂的掺和比例对混凝土龄期强度影响不大，28 天龄期强度均达到强度等级的115% 以上。

（3）掺和比例为 7:3 的混合砂制备的混凝土密实度最好，能加压至最大水压最高，抗渗性能最佳。