特细砂配制海工高性能混凝土技术及应用

刘良合，焦绪学

（1.中交四航局第一工程有限公司，广东广州 510500；2.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011）

引言

特细砂细度模数在0.7～1.5，砂的颗粒比较小，比表面积较大，同中粗砂相比，胶材用量及单位用水量增大，混凝土强度会相对降低，且收缩率增大，容易产生干缩裂缝。国内一般采用复配粗砂或机制砂的方法合成中砂配制高性能混凝土。

1 工程概况

项目位于非洲东海岸，为水工项目，混凝土用量约12 万m3，主要是C45 高性能混凝土，主体构件有预制板、箱涵、水下桩、PHC 桩芯、轨道梁、纵横梁、无梁大板、码头面层、电缆槽等，主要采用泵送方式进行浇筑。

当地只有细度模数1.4～1.5 的特细砂，没有机制砂或者其它粗粒径的掺配调整砂的级配，只能直接用特细砂配制可以泵送的C45 高性能混凝土。特细砂混凝土坍落度较小时流动性比较差，很难泵送，坍落度较大时流动性很好但干缩较大，且在高温条件下极易开裂。结合当地工程实际需要，配制C45 高性能混凝土，既要满足强度等级及电通量要求，还要满足混凝土具有良好的流动性、可泵性及在非洲高温条件下混凝土裂纹控制等要求。

2 当地混凝土原材料

水泥采用当地按照应变生产的 Twiga CEMⅠ42.5 N 普通硅酸盐水泥，28 天抗压强度在45～50 MPa；碎石采用两级配5～10 mm、10～20 mm 按3:7 掺配成5～20mm 的连续级配碎石；粉煤灰采用进口印度R12 粉煤灰，0.045 筛余小于12 %；减水剂采用国内生产的HSP-V 缓凝型聚羧酸高性能减水剂，减水率27 %；混凝土搅拌用水当地可饮用井水。砂是特细砂，从地表1～5 米处古河床挖出，含泥量2～3 %，砂子的细度模数1.4～1.5，颗粒主要分布在0.15～0.6 mm.分布比较均匀，波动不大。

表1 不同水泥用量时最佳砂率测试

图1 砂的筛分曲线图

3 混凝土配合比试验

单独使用特细砂配制混凝土情况下，配制原则通常采用低砂率，低坍落度，低水泥用量和粉煤灰的超量取代方法[1]，泵送混凝土一般坍落度控制在140～200 mm，同时由于特细砂高性能混凝土容易产生早期塑性裂缝[2]，C45 海工高性能泵送混凝土配合比需要满足以下几个方面:

1）和易性良好，泵送方便，易于浇筑；

2）强度符合设计要求；

3）耐久性符合要求，电通量小于1 000 C；

4）高温下裂纹控制，无明显裂纹。

3.1 砂率试验

特细砂混凝土砂率较中粗砂混凝土低 6～12 %[3]，细度模数越小，砂率越小，根据经验取320 kg、380 kg、440 kg 水泥，按照0.55、0.45、0.35水胶比试配了三个配合比，按照在水胶比及用水量不变情况下，对每个配合比通过不同砂率的混凝土坍落度试验。

图2 最佳砂率变化曲线

由图可知，300 kg 水泥时最佳砂率是0.38，360 kg 水泥时最佳砂率是0.36，420 kg 水泥时最佳砂率是0.33。不同水泥用量，最佳砂率不同，水泥用量变大，最佳砂率变小，试拌过程中还发现三个配合比在低于最佳砂率时，砂率越小时混凝土和易性越差，且容易泌水。高于最佳砂率时，砂率越大，混凝土黏聚性越差，坍落度变小、混凝土慢慢离散。特细砂颗粒较小，低砂率时泌水和高砂率时黏聚性变差都随着砂率变化非常灵敏，因特细砂颗粒较小，级配较差，比表面积较大，砂率对混凝土和易性影响非常明显。

3.2 混凝土配制

通过砂率试验得到合适的砂率，对C45 配合比选取0.31、0.33、0.35 三个砂率，变化水胶比，砂率，粉煤灰掺量，进行配合比试拌试验，检测混凝土和易性及抗压28 天强度，选取合适的配合比。

表2 配合比试拌试验

表3 混凝土各项性能

从表中坍落度及1.5 h 坍落度损失可以看出，C45-2、C45-3、C45-5、C45-7、C45-8 等4 种情况都满足设计要求，但C45-7 粘聚性和保水性一般，C45-2、C45-3 胶材用量较高，结果显示强度过高，C45-8 的试验结果则强度偏低，根据C45 的试配强度公式：fcu,o=fcu,k+1.645=45+1.645×5=53.2MPa,所以选取C45-5 作为配合比较为合适。

表4 混凝土配合比

从C45-5 配合比可以看出，相对于中粗砂38～45 %，特细砂配合比砂率要小一些。

在C45-5 配合比基础上，分别减少和增加5 %相同水胶比的水泥浆，检测后发现减少水泥浆混凝土坍落度变小同时，混凝土收缩率也变小，增加水泥浆，混凝土坍落度变大，混凝土收缩率也变大。

在C45-5 配合比基础上，只改变5～10 mm、10～20 mm 碎石比例，按照1:9、2:8、3:7、4:6、5:5掺配检测混凝土，结果发现1:9 和5:5 比例的混凝土和易性较差，不适合泵送，2:8 收面较差，4:6 强度比3:7 的低2.4MPa，混凝土收缩率1:9 最小，5:5最大。

3.3 粉煤灰掺量对混凝土性能影响

在C45-5 配合比基础上，只改变粉煤灰掺量，按照5 %、10 %、15 %、20 %、25 %、30 %、35 %掺量试拌，试拌中发现，随着掺量变大，混凝土和易性、密实度性能变好，通过测试混凝土坍落度，电通量，28 天收缩率。电通量采用混凝土电通量快速测定方法，在60 V 直流电压下，6 h 通过直径为93～97 mm，厚度为51±3 mm 的混凝土试件的电量来反应抗氯离子渗透性能。28 天收缩率采用混凝土收缩率测定仪，测试28 天混凝土收缩量与初始长度比值，测定收缩率。试验结果如下表：

表5 粉煤灰掺量对混凝土性能影响表

根据粉煤灰掺量变化试验结果可以分析出，随着粉煤灰的掺量增加，粉煤灰的“填充效应”和“滚珠效应”发生作用，且吸水量比小于1，有效的改善了混凝土和易性和密实度，使得坍落度变大，同时电通量、28 天抗压强度、收缩率变小。电通量变小，说明混凝土耐久性能变好。粉煤灰掺量的增加，收缩率变小，并且降低了水化热，有效的降低了混凝土裂纹的产生。随着粉煤灰掺量增加，混凝土28天抗压强度降低，结合当地水泥水化快的特性，粉煤灰掺量在15～25 %时28 天强度较为理想。

3.4 含泥量对混凝土性能影响

当地的特细砂全部从地表开采，不可避免带有部分泥，而含泥量对混凝土的性能破坏极其严重，含泥量过大减小了水泥浆与碎石之间的摩擦力，使混凝土内应力增加，容易产生滑动，增加了开裂风险，同时降低了水泥浆与碎石的粘结强度，使得混凝土强度降低，也降低了混凝土的耐久性。

采用C45-5 配合比不变，通过加入泥土改变砂的含泥量，测试从1～9 %测试混凝土和易性及强度，电通量，检测含泥量的控制界限。

表6 含泥量对混凝土性能影响

图3 含泥量对坍落度影响

图4 含泥量对强度影响

根据含泥量试验结果，可以分析出：

①随着含泥量增加，出机坍落度变小，1 h 后坍落度损失随着含泥量增加而变大，含泥量越大，对混凝土和易性影响越显著；

②含泥量3 %时，28 天强度达到配制强度53.2 MPa 要求，效果理想。含泥量7 %时，混凝土强度也达到了C45 设计强度等级，但电通量已经无法满足设计要求，所以含泥量控制在3 %以内混凝土质量很好，极限不能超过6 %。

③根据图中趋势还可以发现，含泥量小于6 %时，强度及坍落度变化较小，大于6 %后变化较大。

④含泥量越大，强度越小；电通量越大，混凝土的耐久性越差。

4 试验结果总结分析

从试拌试验过程结果可以分析出，胶材不变，影响特细砂混凝土和易性最主要的因素是砂率及含泥量。砂率过低，混凝土和易性不好，易泌水，流动性差，砂率过高，用水量大，混凝土易离散，最佳砂率需要根据原材料性能试拌决定。含泥量越低，用水量越低，坍落度损失越小，28 天强度越高，电通量越小，耐久性越好，含泥量越高，用水量越高，坍落度损失越大，28 天强度越低，电通量越大，耐久性越差。含泥量控制在3 %以内混凝土性能较好。粉煤灰颗粒比水泥小，填充效应有效的改善了混凝土和易性和密实度，减少了混凝土收缩及开裂风险，增强了混凝土耐久性。

5 特细砂混凝土在工程中的应用

工程已经浇筑了4 万多方C45 混凝土，混凝土质量良好，完成了3 个泊位的移交，施工过程中发现，2 000 多组混凝土试块28 天抗压强度在48～60 MPa 之间，混凝土电通量在900～950 C 之间，满足设计要求。特细砂颗粒较小，引入的空气较多，振捣后侧面容易堆积小气泡，导致侧面容易出现较多的小气孔，特细砂混凝土振捣后预制板、箱涵、无梁大板侧面浆体较多，容易形成1～2mm 厚带有小气孔的特细砂浆体表层，使得混凝土侧面回弹强度低于内部实体强度，通过与芯样对比，低了5～10 MPa。

特细砂中的含泥量按照英标规范控制在3%以内，但在实际使用中发现，由于特细砂颗粒较小，小于0.075 mm 的含泥量颗粒中有很多是砂粒，采用水洗筛分法测的含泥量会比实际含泥量高很多，水洗筛分法在特细砂含泥量检测中依然有不足之处，砂中一定量的小于0.075 mm 粉砂对增加混凝土密实性、提高混凝土强度还是有益的[4]，且前期加入泥土的砂含泥量在6 %之内试验发现混凝土各项指标依然合格，通过砂当量等其它试验验证实际含泥量，更能反映砂的洁净程度，以此综合判断特细砂能否使用会更合理一些。

气温在22～35℃，Twiga CEMⅠ42.5 N 普通硅酸盐水泥水化快，为测试混凝土温度，高温时浇筑了一个5 m×3 m×0.45 m 预制板、一个1 m×1 m×1 m立方块、一个1.5 m×1.5 m×1.5 m 立方块，入模温度35℃，布置温度传感器测试混凝土中心线底部温度，中心温度，1/4 厚度中心温度，表面温度，宽中部温度，边角中心温度，部分温度数据如下表：

表7 温度测试数据表

边长1.5 m 的立方块，浇筑24 小时后中心达到最高温度83.2℃，温度太高，与表面温差较大，出现裂纹较多；边长1 米的立方块有1 小条裂纹，浇筑 22 小时后中心达到最高温度71.2℃；预制板厚度0.45 m，洒水养护后散热较快，中心最高温度61.3℃，与表面温差较小，浇筑时入模温度35℃混凝土没有开裂。同时控制混凝土入模温度及浇筑厚度，在入模温度35℃，厚度0.45 m 时，混凝土没有开裂。现场浇筑大体积无梁大板时，浇筑厚度0.45 m,混凝土入模温度34.8℃，浇筑后达到中心最高温度62.3℃时，表面温度45.3℃，气温31.6℃，混凝土无裂纹出现。浇筑厚度增加到0.6 m，混凝土入模温度34.4℃，中心最高温度为66.4℃，表面温度48.2℃，气温32.7℃，混凝土无裂纹，之后混凝土浇筑厚度控制在0.3～0.6 m。实测混凝土最高温度在浇筑后24 小时左右达到，混凝土终凝后及时覆盖土工布连续不断洒水养护，三个泊位无梁大板都没有裂纹出现。

工程在海边，时常有大风，混凝土面层在高温暴晒下失水较快，初凝前表面容易出现微小的蛛网状裂纹，可通过二次收面消除，混凝土终凝后及时覆盖土工布，洒水养护。

6 结语

通过试验和工程实际应用，配制出满足设计要求的特细砂海工高性能混凝土。充分运用当地资源，解决了当地特细砂混凝土的配合比设计及现场应用问题，为其它同类型特细砂工程提供了参考。当地特细砂混凝土还发现如下特点：

1）特细砂的砂率影响混凝土和易性最明显，相同配合比，砂率增加1 %，坍落度降低15～20 mm。

2）特细砂的颗粒较小，引入混凝土的空气较多，减水剂引入消泡成分可降低含气量，振捣后混凝土表面依然会带有不少小气泡，无法消除所有小气泡孔，如何减少特细砂混凝土表面小气泡这个问题有待于进一步研究。

3）特细砂混凝土侧面细砂浆及细小气泡孔会造成混凝土表面强度较低，回弹法测特细砂混凝土强度误差较大。

4）特细砂中小于0.075 mm 的砂颗粒较多，采用水洗筛分法检测的干净特细砂含泥量远高于3 %，细砂粒对混凝土密实性有益，需要把砂粒和土粒区分开来。