基于板岩碎石HSCC 配合比试验研究及应用

陈焕民，闭忠明，夏成勇，乔志超，吴 玉

（1.黔东南州水利投资（集团）有限责任公司,贵州 凯里 556000；2.北京华石纳固科技有限公司,北京 100085）

0 引言

贵州黔东南地区地质常见板岩,组分主要为绢云母质、硅质、泥质、砂质等[1]。用板岩轧制的碎石不仅针片状含量高,且具备碱骨料活性,用于水工建筑材料时需经试验论证[2]。

高自密实性能混凝土（以下简称HSCC）采用绝对体积法进行配合比设计[3],相比常态混凝土其粉体用量高、碎石（一级配）用量少,体积收缩变形大。若采用板岩骨料拌制HSCC,受制于骨料粒型,为保证自密实性能满足设计指标,在试配时只能减少石子体积用量,实际用量达不到规范建议的0.28 m3～0.33 m3[4],以贵州雷山县翁养水库为例,单方石子体积用量仅为0.245 m3。因此,为降低混凝土体积收缩变形,减少配合比中粉体尤其是水泥用量,需要研究如何提高混凝土配合比中板岩碎石的体积用量,从而达到节约材料成本、抑制收缩的目的。

聚羧酸减水剂是继木质素、萘系等高效减水剂之后的新型高性能减水剂,通过在水泥颗粒或水化物上的吸附产生立体位阻效应,对水泥粒子起分散保持作用[5]。对聚羧酸减水剂进行复配,可将其从高减水、高保坍等单一功能型转变为抗泥、降粘、缓释等多功能复合型[6]。

本文通过探索在减水剂中掺加功能小料,以“提浆增包裹、降粘（润滑）促流动”为技术路径,获得板岩碎石更高用量的HSCC 配合比,以及对应减水剂的复配方法。本次HSCC配合比设计中粉煤灰掺量均超60%,当粉煤灰掺量超30%对板岩骨料碱活性抑制效应明显[7],因此对于板岩碎石的碱活性影响本文不作考虑。

1 试验原材料

以贵州黔东南州南甲水库工程HSCC 配合比试验开展研究,试验原材料见表1。

表1 混凝土配合比试验原材料

功能小料的作用机理及种类：

（1）提浆。板岩碎石本身针片状含量超标,提高骨料用量意味着浆体体积更少,更不利于混凝土流动,本文尝试采用提浆小料增强包裹,小料分有机钠盐S（性状为晶状颗粒,无色无味）,掺量为胶凝材料用量的1.3‱；无机钠盐P（性状为粉末状固体,白色无味）掺量为胶凝材料用量的2.0‱。

（2）润滑降粘。在保证混凝土抗压强度前提下为获得更低的水泥用量,需降低水粉比设计[8],而低水粉比意味着混凝土更高的粘度,增大混凝土泵送浇筑的难度。外加剂掺入引气组分可解决此难题。在混凝土内部引入大量微小、独立气泡,这些气泡如滚珠一样改变混凝土内部骨料之间做相对运动时的摩擦机制,从滑动变为滚动,减少摩擦阻力,从而降低了粘度。

本次采用降粘小料为甙类化合物Y（性状为粉末状固体,黄色,有刺激性气味）,掺量为胶凝材料用量的0.15‱。

2 配合比设计

自密实混凝土配合比设计应确定拌合物中碎石体积、砂浆中砂的体积分数、水胶比、胶凝材料中矿物掺合料的用量和胶凝材料用量等参数。

式中：mg为碎石质量；Vg为碎石绝对体积；ρg为碎石表观密度；ms 为细骨料质量；φs为砂率；ρs为细骨料表观密度；Vp为浆体体积；Va为空气体积；W/B 为水胶比；ρb为胶凝材料表观密度；mb为胶凝材料质量；mca为外加剂质量。

3 试验成果分析

试验基于单方石子体积用量、配合比经济性、HSCC 出机自密实性能、试块强度指标四个方面进行分析。试验思路为：

①逐步降低水粉比及水泥掺量,且提高总骨料用量。

②根据自密实性能检测数据及混凝土状态,在母料H 基础上对应加入三种功能小料S、P、Y。试验相关数据见表2。

表2 贵州南甲水库HSCC 配合比试验成果

加小料前：边缘泌浆、骨料堆积、出料不连续；加小料后（a）：边缘饱满、骨料裹浆、出料连续；加小料后（b）：出机状态良好；坍落度检测 275 mm；扩展度检测 730 mm,见图1。

图1 配合比试验照片（部分）

推荐序号“6”为南甲水库HSCC 设计最优配合比:其满足HSCC 流动性（SF：650 mm～750 mm）、粘性（VF：7 s～25 s）、保塑性（SF、VF ≥1 h）等指标要求[8]；90 d 抗压强度18.6 MPa可满足C9015；抗渗、抗冻等级满足W6、F50；水泥单方用量132 kg 最低,石子体积用量290 L 最高。

将配合比数据与翁养水库对比,结果见图2、表3。采用功能小料后提高碎石用量45 L、降低了水泥用量28 kg、混凝土单方成本降低3.5 元,但粉煤灰用量提高46 kg。

图2 HSCC 配合比优化前后材料用量（单元：kg/m3）

表3 翁养、南甲水库HSCC 配合比用量及材料成本

4 结论与展望

（1）通过加入提浆、降粘等功能小料复配聚羧酸高性能减水剂,HSCC 采用板岩碎石可提高45 L,水泥用量降低28 kg,混凝土材料成本降低3.5 元/m3；配合比优化后HSCC 出机自密实性能,以及90 天抗压、抗渗、抗冻强度指标均可满足设计要求。

（2）试验采用小料S、P、Y 以外,是否还有其他类似功能同时价格更为低廉的产品可供替代,还需进一步的开展对比研究试验。

（3）随着石子用量提高,混凝土浆体量减少,机制砂用量也减少,折算砂中0.08 mm 以下微粒含量（此部分可等体积替代粉煤灰）相应减少,导致粉煤灰用量提高。调研黔东南地区粉煤灰厂家少且运距远,这对项目施工组织及成本控制提出更高的要求。

下步可对板岩磨制石粉的性能展开试验,分别对绢云母质、硅质、泥质、砂质等不同板岩进行取样磨粉,对比检测含泥量、压碎指标、吸水率等指标,研究复合掺入活性球体硅铝质材料（硅灰、粉煤灰、玻璃微珠等）、活性非球体硅铝钙质材料（粒化高炉矿渣粉、磷渣粉、建筑废渣粉等）,最终实现少用或完全替代粉煤灰,提高对粉煤灰供应不足的风险管理。

（4）配合比优化后水泥用量虽然减少了,但胶凝材料总量提高了,这是因为板岩碎石针片状含量过高,提高碎石用量后为保证混凝土包裹而不得已的措施。

下步可对板岩粗骨料轧制工艺开展研究,分别对绢云母质、硅质、泥质、砂质等不同板岩取样,对各自产出碎石粒型分析,寻找粒型优化调整的关键工艺点,改善骨料界面与浆体粘结咬合特性,从源头上降低粉体用量,进一步控制材料成本。

（5）关于自密实混凝土体积收缩变形监测,国内学者做过一些研究,李悦、郭奇建立了新的适合自密实混凝土的双曲线型干缩预测公式[8],但对板岩材料属性、堆石料大体积骨架支撑（即堆石混凝土）等约束条件下的参数尚未得知,板岩骨料用量提高对HSCC 收缩变形的抑制参数还需进一步研究。