基于不同机制砂级配的水工混凝土性能研究

胥德丰

（北票市哈尔脑乡水利服务站，辽宁 朝阳 122100）

近年来，我国水利工程建设规模不断扩大，砂石作为工程用量最多的一种建筑材料，对其需求日趋增大。受限于生态环境和资源压力，天然砂石越来越少，机制砂替代天然砂逐渐成为支撑水利事业可持续发展的主力砂石源[1-4]。机制砂相较于河砂，经不同生产工艺整形、筛分、破碎生产出的品质也具有明显差异。目前，机制砂主要存在石粉含量超标、超出级配范围、级配不良等质量问题，机制砂混凝土通常存在和易性不良的情况[5]。拌合物工作性能受机制砂级配的影响显著，一般利用细度模数和累计筛余来反映机制砂的级配问题，在一定程度上常出现石粉含量多、中间颗粒少、粗颗粒多的“哑铃型”级配，机制砂级配符合标准Ⅱ区要求时，也可能对水工混凝土性能带来负面影响[6-8]。鉴于此，本文结合现行规范要求，试验探讨了不同级配石灰岩机制砂对水工混凝土性能的影响，并提出适宜的机制砂级配控制范围。

1 试验方法

1.1 原材料

水泥：海螺P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，标稠用水量26.1%，安定性合格，细度(80μm)0.5%，初凝、终凝时间160min和245min，3d、28d抗折强度为4.6MPa和7.1MPa，抗压强度为22.4MPa和43.6MPa。

粉煤灰：鞍山成达电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，需水量比95%，28d活性指数，细度20.4%，密度2.26g/cm3，烧失量3.0。

矿粉：铁岭金泰S95级矿渣粉，流动度比102%，28d活性指数95%，密度2.85g/cm3，比表面积450m2/kg。

细骨料：石灰岩人工机制砂，亚甲蓝值0.5g/kg，表观密度2720kg/m3，细度模数2.6，石粉含量4.5%，单级压碎值17.0%，饱和面干吸水率1.6%，片状颗粒含量8.2%，级配如表1所示，经颗粒级配调整试验用机制砂符合试验要求。

表1 机制砂级配

将机制砂砂颗粒视为球形，定义比表面积指数为质量相同情况下每一粒级砂比相邻粒级砂的粒径相差1/2，比粒度就是各粒级比较面积指数与相应分级筛余的乘积之和，依据表2计算砂子比粒度，即（1/2）α1+α2+2α3+4α4+8α5+16α6=砂子比粒度。机制砂细度可以用比粒度来表征，因与颗粒表面积高度相关，故比粒度比细度模数能够更加精准地反映机制砂细度。

表2 比例度计算方法

粗骨料：天然花岗岩碎石，两个粒级5～10mm:10～25mm=1:2，混 合 后 的 碎 石 堆 积 密 度1580kg/m3，空隙率40.5%，压碎指标6%，吸水率0.5%。

减水剂：科诺QW-4聚羧酸高效减水剂，掺量取胶凝材料用量的2.0%，掺减水剂水泥净浆流动度240mm，1h坍落度损失10mm，含固量16.8%，减水率30%。

拌合水：当地自来水。

1.2 试验方法

根据《建设用砂》、《高性能混凝土用骨料》等相关规范，遵循以下原则合理设计石灰岩机制砂级配：首先，结合现行规范要求合理调整粗、中、细砂级配，并标注不同级配的所属来源，确保配制出的机制砂符合Ⅰ级区、Ⅱ级区的级配范围，如表3所示；其次，对特定粒径进行调整，经分计筛余保证被调整的粒级超出现行规范所要求，即每个粒级设置两种情况，低于和高于标准规定的分计筛余范围，在此基础上调整机制砂细度，如表4所示。其中，X、Y代表标准以内和标准以外分组。

表3 规范规定级配范围

表4 标准以内和以外的级配设计

依据《水运工程混凝土施工规范》中的相关规定，合理设计C30、C50强度水工混凝土配合比，如表5所示。

表5 水工混凝土配合比设计

2 结果与分析

2.1 C30水工混凝土性能

2.1.1 对拌合物和易性的影响

通过调整减水剂掺量，控制C30水工混凝土坍落度≥240mm，扩展度不低于550mm，从而保证大流态试配要求，如表6所示。

表6 C30新拌混凝土和易性

从表6可以看出，机制砂细度越小则新拌混凝土整体性越好，相应的外加剂用量也较少。比粒度＜5.0，细度模数＞2.7即可符合现行规范分计筛余要求，外加剂掺量提高并且拌合物性能变差。

通过调整水工混凝土单个粒级分计筛余，在使其它粒径符合规范要求级配区的情况下，0.3mm这一粒径对拌合物保水性、粘聚性作用明显且不宜超过标准范围；0.6mm这一粒径对拌合物保水性、粘聚性也非常重要，分计筛余不应低于规定下限值；若0.6mm粒径的分计筛余超过标准40%，则0.3mm粒径宜取下限；0.15mm粒径的分计筛余超过标准上限，则0.3、0.6mm粒径的分计筛余处于15%～20%范围，并不会严重影响拌合物和易性；1.18mm粒径也在一定程度上影响着拌合物黏聚性，但作用不明显，这一粒径不宜低于标准的下限或断档。0.15mm、0.3mm、0.6mm粒径的分计筛余总量≥50%，若低于该值应保证2.36mm及以上粒径和2.36以下粒径总量之比＜1/3，故机制砂比粒度的最佳取值区间4.0～7.5。

2.1.2 对混凝土抗压强度的影响

不同机制砂级配的C30水工混凝土抗压强度测试结果如表7所示。结果表明，符合标准时的分计筛余不会对C30水工混凝土强度造成较大影响。总体而言，X组强度略高于Y组，表明良好的级配能够有效改善混凝土强度。比粒度能够用于描述机制砂级配，对于超出正常范围的机制砂比粒度，其级配不良，不符合现行规范要求，特别是0.15mm、0.3mm、0.6mm分计筛余过低时会严重影响拌合物和易性以及混凝土强度[9]。

表7 C30水工混凝土抗压强度

2.1.3 对混凝土抗氯离子渗透性的影响

标养56d时，试验测定不同比粒度机制砂C30水工混凝土的电通量如表8所示。

表8 C30水工混凝土电通量

从表8可以看出，C30水工混凝土电通量和抗氯离子渗透性受机制砂级配的影响不明显，电通量总体处于1200～1600C范围，级配不良组的电通量较高，各组试样的氯离子渗透性较低。

2.2 C50水工混凝土性能

2.2.1 对拌合物和易性的影响

通过调整减水剂掺量，控制C50水工混凝土坍落度不低于240mm，扩展度不低于550mm，从而保证大流态试配要求，如表9所示。

表9 C50新拌混凝土和易性

试验表明，石灰岩机制砂过细或过粗都会引起C50大流态水工混凝土状态不良，此时宜选用Ⅰ级区级配，机制砂比粒度的最佳取值区间5.0～6.0。

2.2.2 对混凝土抗压强度的影响

不同机制砂级配的C50水工混凝土抗压强度测试结果如表10所示。结果表明，C50水工混凝土强度受机制砂级配的影响未表现出明显规律性，各组试样均符合设计强度等级要求[10-12]。总体而言，机制砂过细度组的强度稍低，较粗组的水工混凝土强度较高。

表10 C50水工混凝土抗压强度

2.2.3 对混凝土抗氯离子渗透性的影响

标养56d时，试验测定不同比粒度机制砂C50水工混凝土的电通量如表11所示。

表11 C50水工混凝土电通量

从表11可以看出，C50水工混凝土电通量和抗氯离子渗透性受机制砂级配的影响不显著，电通量总体处于400～800C范围，机制砂级较优的X组水工混凝土电通量相对较低。

3 结 论

1）现行规范规定的石灰岩机制砂级配区分计筛余范围科学合理，总体上新拌混凝土和易性符合标准要求，特别是0.3mm、0.6mm粒径的分计筛余不应低于规定下限值，0.15mm、0.3mm、0.6mm粒径的分计筛余总量≥50%。

2）相对于细度模数，比粒度是能够更加精确地表征机制砂细度和级配的一个重要指标，机制砂比粒度的最佳取值区间4.0～7.5。C30水工混凝土宜选用细度较小的石灰岩机制砂，可以适当提高石粉和细颗粒含量；机制砂级配过细或过粗，都会导致C50水工混凝土拌合物状态不良，

3）C50水工混凝土级配过细或过粗，都会导致拌合物状态不良，此时宜选用Ⅰ级区级配，机制砂比粒度的最佳取值区间5.0～6.0。

4）C30水工混凝土强度受机制砂级配影响不显著，但良好的级配能够有效改善混凝土强度；对于C50水工混凝土，机制砂过细度组的强度稍低，较粗组的强度稍高。水工混凝土电通量受机制砂级配的影响不明显，但机制砂级较优组的混凝土电通量相对较低，其抗氯离子渗透性较好。