机制砂在C50混凝土中的应用研究

吕子龙，李晓旭，刘小强

（1.山西省交通科技研发有限公司，山西太原 030032；2.山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

随着经济的高速发展，国家不断加大对桥梁、道路等基础设施的投入，对水泥混凝土的需求逐年攀升。作为原材料的天然砂日益短缺，部分地区又无天然砂可用，远距离运输无疑会增加工程成本。山西地区山脉众多，在道路建设中产生大量隧道弃渣，而利用隧道弃渣就近加工成机制砂应用于工程，既可以解决砂资源短缺的问题，又可以降低建设成本。机制砂作为细骨料在广东、贵州、四川等省份的工程中已经得到大量应用，江丰[1]将机制砂与特细砂复配取代中砂，掺配矿粉配置的C50 混凝土应用在重庆嘉陵江复线桥工程中；南水北调某标段中应用了不同等级的C10、C40、C50 泵送和非泵送的机制砂混凝土[2]。此外，在我国的一些大型工程中也有机制砂的应用案例，例如三峡水利工程、黄河小浪底工程等。山西省内也开展了对机制砂混凝土的应用研究，罗建国等[3]在忻阜高速建设过程中研究了机制砂质量的影响因素，对机制砂在公路工程中的应用提供了实践参考；吴志俊等[4]将忻阜高速中产生的隧道弃渣制备成机制砂，混凝土每立方节约成本30 元；翟鹏飞[5]采用机制砂取代部分天然砂配制的C50 粉煤灰机制砂混凝土在G208 线夏店互通立交桥成功应用。机制砂在山西省的工程建设多局限于低强度等级混凝土，部分业主对于机制砂应用于高标号混凝土仍心存疑虑。针对上述问题，本文结合工程实际，采用吕梁大万山隧道弃渣制备机制砂，开展C50 机制砂混凝土性能试验，探究隧道弃渣机制砂应用于高标号混凝土的可能性，为山西地区隧道弃渣的处理及机制砂的发展应用提供试验参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

a）水泥 使用P·O 52.5 水泥，购自山西吉港冠宇水泥厂。

b）细集料 大万山隧道弃渣制备的石灰石机制砂，采用立轴冲击式破碎机生产，其物理性能指标见表1。

表1 机制砂物理性能指标

c）粗集料 该项目采用的5～10 mm、10～20 mm级配碎石由吕梁岚县上会村石料厂提供，其性能指标见表2。

表2 粗集料物理性能指标

d）减水剂 使用聚羧酸高效减水剂，减水率为31%，由中铁六局公司提供，减水剂掺量为胶凝材料总量的1.4%。

e）水 拌合用水为自来水。

1.2 试验方法

a）坍落度 按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB∕T 50080—2016）进行测试。

b）抗压强度 按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB∕T 50081—2019）进行测试。抗压试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm 立方体，每组配比成型6个试件，养护至规定龄期后分别测试7 d 及28 d 抗压强度。

对静兴高速全线结构混凝土等级统计分析可知，高标号混凝土主要应用于梁体、端横梁、现浇接头、湿接缝、封锚等处，高标号混凝土以C50 为主，故本文的研究对象确定为C50 机制砂混凝土，C50 机制砂混凝土的设计强度为59.9 MPa，坍落度指标为180～220 mm。本文首先研究水灰比和砂率对C50 机制砂混凝土性能的影响，然后固定水灰比和砂率，研究石粉含量对混凝土坍落度和抗压强度的影响规律，进而为机制砂的生产和推广应用提供理论指导。

2 结果与分析

2.1 水灰比对C50机制砂混凝土性能的影响

减水剂掺量为1.4%，砂率为43%，水灰比为0.32 时的C50 机制砂混凝土配合比见表3。水灰比是决定混凝土性能的主要因素[6]，固定减水剂和砂率不变，研究水灰比变化对C50 机制砂混凝土性能的影响规律，水灰比对混凝土工作性和抗压性能的影响分别见表4和图1。

图1 水灰比对C50机制砂混凝土抗压强度的影响

表3 C50机制砂混凝土基准配合比

表4 水灰比对C50机制砂混凝土工作性能的影响

从表4 来看，水灰比增加，坍落度逐渐增大，工作性逐渐得到改善。这是因为水灰比增加会导致水泥浆体增多，流动性改善。机制砂混凝土对水灰比的变化比较敏感，水灰比由0.30 增加到0.36 时，坍落度提高了51 mm，水灰比仅变化了0.06，混凝土的工作状态由拌合困难发展变化到出现泌水现象，因此C50 机制砂混凝土生产过程中不得随意增减用水量，调节用水量时需在较小的范围内变动。从图1 可知，水灰比的变化对C50 机制砂混凝土早期抗压强度的影响较大；抗压强度随着水灰比的增加而减少。其原因在于水泥水化并不需要过多的水分，随着水灰比的增大，会导致水化过程产生的孔隙及收缩过程产生的裂纹增多，进而导致混凝土力学性能降低。当水灰比为0.30 时其7 d 和28 d 抗压强度达到最大，但其工作性不佳，不易振捣密实；水灰比为0.36 时发生泌水现象，但其28 d 强度仍可以达到59.2 MPa。综合分析建议该项目C50 机制砂混凝土水灰比取值为0.32～0.34。

2.2 砂率对C50机制砂混凝土性能的影响

水灰比保持0.32 不变，仅改变砂率，研究砂率变化对C50 机制砂混凝土性能的影响，砂率对混凝土工作性和抗压性能的影响分别见表5 和图2。

图2 砂率对C50机制砂混凝土抗压强度的影响

表5 砂率对C50机制砂混凝土工作性能的影响

由表5 可知，当砂率小于41%时，C50 机制砂混凝土容易出现离析泌水现象；砂率在41%～44%之间其工作性能和抗压强度都能满足设计要求。当砂率为44%时，机制砂混凝土黏稠性增大，流动性降低，虽仍能满足使用要求，为保障良好的工作性，建议C50 机制砂混凝土生产过程中砂率不要超过44%。结合图2 可知，随着砂率的增大，C50 机制砂混凝土的坍落度和抗压强度均表现为先增大后减小，其原因在于当砂率较低时，机制砂相对较少，机制砂与水泥胶浆形成的胶凝材料过少，不足以包裹填充粗集料[7]，就容易发生离析泌水现象，工作性能降低，抗压强度也变差。当砂率偏大时，骨料表面积增加，且机制砂表面粗糙多棱角，粗集料表面的浆体相对减少，造成骨料之间的内磨阻力增大，使得混凝土的和易性变差，影响混凝土的密实性，进而造成抗压强度降低。

2.3 石粉对C50机制砂混凝土性能的影响

机制砂是由母岩经机械破碎而成，在母岩的破碎过程中会产生一定量的石粉，其矿物组成与母岩相同。我国对机制砂中的石粉含量限值规定比较严格，《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ 52—2006）中规定：C55～C30 混凝土机制砂或混合砂中石粉含量≤7.0%（MB＜1.4）或≤3.0%（MB≥1.4)[8]；但现实中很少有厂家能严格按照此标准生产机制砂。为了更好地指导机制砂产业的发展，进一步限定适应于高标号混凝土的石粉含量范围，本节固定水灰比0.32，砂率43%，设计了5 种石粉含量的混凝土配合比，研究石粉含量对C50 机制砂混凝土工作性能和抗压强度的作用规律，其试验结果见表6 和图3。

图3 石粉含量对C50机制砂混凝土抗压强度的影响

表6 石粉含量对C50机制砂混凝土工作性能的影响

由表6 可知，对于C50 机制砂混凝土而言，并不是石粉含量越低越好。当石粉含量为3%时，混凝土坍落度较大，拌合物出现泌水、石子外漏现象，胶凝材料的包裹性能差；当石粉含量≤9%时，随着石粉含量的增加，混凝土拌合物的坍落度虽有降低，但仍能满足泵送要求，黏聚性和保水性逐步得到改善；但当石粉含量＞9%后，石粉含量增加，混凝土黏聚性随之增大，坍落度逐渐减小；当石粉含量为11%时，混凝土拌合物过于黏稠，流动性较差，拌和困难；石粉含量在5%～9%之间C50 机制砂混凝土具有良好的工作性。原因在于机制砂由机械破碎成型，相比于河砂棱角众多，内磨阻力增大，需要更多的水泥浆体来包裹，而石粉的细度与水泥相当，随着石粉含量的增加，石粉不仅可以提高水泥浆体总量，而且还可以填充密实骨料之间的空隙，改善C50 机制砂混凝土的保水性和黏聚性；但当石粉含量超过一定限度后，石粉的需水量急剧增加，会导致拌合物过度黏稠影响泵送性，因此C50 机制砂混凝土的生产过程中必须严格控制石粉的含量，不宜超过9%。

由图3 可知，C50 机制砂混凝土7 d 抗压强度增长迅速，石粉含量3%～11%时7 d 强度均已超过50 MPa，当石粉含量在5%～9%范围内变化时，混凝土28 d 抗压强度均超过了60 MPa，完全满足C50 混凝土的强度设计要求；C50 机制砂混凝土7 d 与28 d 强度随着石粉含量的提高均出现了先增长后下降的趋势，这与任文莲[9]的研究结果相同，机制砂中的石粉含量存在最佳区间，此时各龄期强度最佳，这是因为石粉的引入可以完善混凝土的孔隙结构，提高水化产物与集料界面区的密实度[10]。另外一部分粒度较小的石灰岩石粉可以作为成核剂，促进水化产物Ca(OH)2和C-S-H 晶体的形成，加速了水化反应过程，因此适量的石粉可以提高混凝土的抗压强度。当石粉含量超过一定限度后，过多的石粉在混凝土中起了惰性作用，同时减小了混凝土中粗集料的骨架作用[11]，石粉吸收过量的水分导致浆体黏稠度过大，影响了混凝土的密实结构，造成强度降低。

3 结论

本文采用隧道弃渣制备的机制砂来配置C50 混凝土，研究水灰比、砂率和机制砂石粉含量对C50 机制砂混凝土工作性和抗压强度的影响，通过试验数据分析得出如下结论：

a）C50 机制砂混凝土对水灰比的变化比较敏感，在混凝土的拌合生产过程中需严格控制用水量的变化，建议C50 机制砂混凝土水灰比取值为0.32～0.34之间。

b）砂率控制在41%～44%之间可以配置得到工作性能优良，力学性能符合要求的C50 机制砂混凝土。在配合比设计过程中，应避免砂率低于41%的情况；当砂率高于44%时，应注意调整水灰比或者减水剂的掺量，来保证混凝土具有良好的工作性能。

c）机制砂中的石粉含量并不是越低越好，石粉可以改善机制砂混凝土的保水性和黏聚性，并参与水化过程提高抗压强度；但石粉含量超过9%后会产生不利影响，因此C50 机制砂混凝土的生产中需严格测定每一批次机制砂的石粉含量，控制石粉含量不能超过9%，当石粉含量变化浮动较大时需及时调整配合比。