张会芝，刘纪峰

(三明学院建筑工程学院，福建三明365004)

0 引言

基于工程实际的迫切现实需要，机制砂取代天然河砂配制混凝土已经引起了不少学者和施工单位的重视，并进行了一些卓有成效的研究。文献[1］研究了机制砂对混凝土各方面性能的影响、石粉的活性效应、含泥量对混凝土的影响，认为机制砂混凝土具有广阔的应用前景;文献[2］研究了水灰比、砂率、胶凝材料用量、机制砂的级配与细度模数及含粉量等参数对全机制砂混凝土性能的影响;文献[3］研究了重庆地区全机制砂混凝土的性能，研究结果表明:机制砂混凝土的收缩率与天然中砂混凝土相差不大，但力学性能、抗渗性和抗碳化性能均优于后者;文献[4］的研究表明:随着机制砂比表面积的增大，混凝土拌合物的坍落度减小，但机制砂比表面积对混凝土抗压强度的影响较小;文献[5］对机制砂自密实混凝土的各项性能进行了试验研究;文献[6］对人工砂及人工砂混凝土的研究现状进行了综述。

南水北调中线某标段长度5.75 km，标段内共有各种建筑物14座，其中包括河渠交叉建筑物2座，左岸排水建筑物2座，渠渠交叉建筑物2座，节制闸、退水闸各1座，分水口门1座，公路桥4座，生产桥1座。该工程混凝土工程冬季施工部位包括:排水沟倒虹吸管身、排水沟倒虹吸垫层、公路桥桩基、公路桥桥墩桥台等。由于该标段位于两地市交界处，位置较为偏僻，一般搅拌混凝土所用的天然河砂不易得到，远距离运输价格较高，不经济，同时考虑到开采天然河砂对环境的不利影响，业主也要求使用机制砂配制高流动性混凝土。全机制砂混凝土配合比试验的内容包括:CFG桩C10，渡槽槽身C40W8F150，常温和冬季施工，组合梁、箱梁C50F200泵送和非泵送，空心板、铺装层C40F200泵送和非泵送。共计7个配合比，除CFG桩C10配合比使用普通硅酸盐P.O 42.5水泥，其余配合比均使用普通硅酸盐P.O 52.5水泥。本文结合该标段全机制砂混凝土配合比试验的实测数据，研究各参数对机制砂混凝土性能的影响。

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料检测

砂为鹤壁市通达石料有限公司生产的机制砂，中砂，细度模数2.98，表观密度2 700 kg/m3，堆积密度1 570 kg/m3，石粉质量分数10.2%，无泥块含量，饱和面干吸水率1.2%，空隙率42%。砂的颗粒级配曲线见图1。碎石为鹤壁市通达石料有限公司生产，粒径范围为5～20 mm、20～40 mm两级，表观密度2 700 kg/m3，含泥量0.5%(质量比，下同)，压碎值10.5%，针片状含量2% ～5%，吸水率0.8%(质量比)。粗骨料分5～20 mm和20～40 mm两级，根据每级骨料所占的不同比例进行振实，选择振实密度最大的比例为最佳搭配，采用最大密度法配置后的两级粗骨料分别占45%和55%。

水泥为河南同力水泥有限公司生产的P.O 42.5、P.O 52.5普通硅酸盐水泥;密度为2.94～2.98 g/cm3，细度分别为305 m2/kg和308 m2/kg，其他各项指标符合GB175—1999 标准[7］要求。

图1 砂的颗粒级配曲线

粉煤灰为安阳电厂生产的F-Ⅰ级粉煤灰，经检测符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[8］中Ⅰ级粉煤灰相应的质量要求，粉煤灰检测结果见表1。外加剂为北京世纪洪雨科技有限公司生产的高效减水剂、复合防冻剂、引气剂。外加剂的检验项目符合GB 8076—1997《混凝土外加剂》[9］指标要求。

混凝土中的总碱含量按照《南水北调中线工程工程标准-预防混凝土工程碱骨料反应技术条例-试行中的规定》执行，混凝土中的总碱含量不大于2.5 kg/m3。

表1 粉煤灰物理性能检测结果 %

1.2 配合比设计

为了使混凝土的各项性能达到设计和施工的要求，在设计混凝土配合比时，综合考虑混凝土的和易性、强度、耐久性、经济性等方面，按质量法设计混凝土配合比。要求混凝土含气量控制在4.0% ～6.0%。泵送混凝土的坍落度控制在140～160 mm，C50混凝土的坍落度控制在180～220 mm。粉煤灰等量取代为20%，粉煤灰的超量因数选1.1～1.2。混凝土密度在2 380～2 440 kg/m3，实测值与设计密度值之差控制在设计密度值的±2%之内。

依据《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T 5330—2005)[10］、《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144—2001)[11］，混凝土的配制强度按下式进行计算

式中，fcu，0为混凝土的配制强度，MPa;fcu，k为混凝土的设计龄期的强度标准值，MPa;t为概率度因数，依据保证率P选定，见表2;σ为混凝土强度标准差，见表3。考虑到本工程的重要性和复杂性，C40和C50实际强度标准差σ的取值均比表3值增加0.5 MPa。

表2 混凝土配制强度

表3 混凝土强度标准差 MPa

由于该工程近期的同种混凝土强度无统计资料，根据工程现场的混凝土原材料、混凝土生产工艺及生产质量控制水平等实际情况，其混凝土强度标准差σ参照《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144—2001)、《水工混凝土结构设计规范》(DL/T 5052—1996)[12］、《水工混凝土结构设计手册》[13］等标准取用，见表3，混凝土配制强度列于表4。混凝土强度保证率P选为95.0%，则概率度因数为1.645。

表4 混凝土配合比及各项性能指标

2 试验结果分析

全机制砂混凝土的坍落度和密度、抗压强度试验分别依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2002)、《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行。抗渗和抗冻试验依据《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)进行，分别对抗渗试件施加相应级别的渗水压力，测试其渗透情况;对抗冻试件冻融循环至规定次数，测试其相对动弹性模量和质量损失率。

经测试，混凝土的各项性能指标见表4和表5，由表4和表5可知:(1)全机制砂混凝土的坍落度、密度及抗压强度等指标达到了设计要求;(2)有抗冻和抗渗要求的全机制砂混凝土的抗冻抗渗性能均达到了设计要求。下面依据试验结果分析配合比参数等因素对混凝土强度的影响。

表5 混凝土抗冻抗渗性能试验结果

2.1 灰水比与28 d抗压强度关系

不同标号机制砂混凝土灰水比和28 d立方体抗压强度关系见表6，由表6可知:各种配合比全机制砂混凝土的灰水比与28 d抗压强度基本为线性关系，28 d抗压强度随灰水比的增大而增大。

2.2 砂率与各龄期抗压强度关系

砂率对混凝土7 d和28 d立方体抗压强度的影响分别见图2和图3，由表4及图2和图3可知:全机制砂混凝土砂率与各龄期立方体抗压强度的关系式可拟合为一阶指数衰减型曲线，7 d和28 d立方体抗压强度均随砂率的增加而降低，其中，7 d的立方体抗压强度和砂率的一阶指数衰减型关系式为

式中，y为7 d的立方体抗压强度，MPa;x为砂率，%。

表6 不同标号混凝土灰水比和28 d抗压强度关系

28 d的立方体抗压强度和砂率的一阶指数衰减型关系式为

式中，y为7 d的立方体抗压强度，MPa;x为砂率，%。

在表4所示的配合比参数状况下，全机制砂混凝土7 d和28 d均随砂率增大而降低。这个规律和文献[2-3］的研究结论并不相同，原因在于本次试验所用配合比各参数均是变化的，而文献[2-3］使用的是基准配合比，只变动单个参数，研究其对全机制砂混凝土性能的影响，试验配合比不同是导致两者试验结果不同的原因。

图2 砂率和7 d抗压强度关系图

图3 砂率和28 d抗压强度关系图

2.3 龄期与抗压强度关系

各配合比混凝土强度随龄期的增长曲线如图4所示，图4中的序号与表4中序号一致。由图4可知:在表4所示配合比条件下，7 d龄期全机制砂混凝土的强度可以达到28 d立方体抗压强度的55% ～84%，其中，C10混凝土的7 d强度增长较慢，为28 d强度的55% ～56%;6组、9组、13～15组的强度增长较快，7 d强度为28 d强度的81% ～84%，其余各组7 d强度为28 d强度的76% ～79%，增长相对较快。

3 结论与建议

图4 龄期和抗压强度关系图

3.1 结论

(1)各种配合比全机制砂混凝土的灰水比与28 d抗压强度基本为线性关系，28 d抗压强度随灰水比的增大而增大。(2)全机制砂混凝土砂率与各龄期立方体抗压强度的关系式可拟合为一阶指数衰减型曲线，在试验所用配合比条件下，7 d和28 d立方体抗压强度均随砂率的增加而降低。但砂率单参数对全机制砂混凝土抗压强度的影响有待于进一步试验研究。(3)C10混凝土的7 d强度为28 d强度的55% ～56%，其余各配合比的混凝土7 d强度为28 d强度的76% ～84%。(4)全机制砂混凝土的坍落度、密度、抗压强度、抗冻和抗渗等指标达到了设计要求，能满足工程应用。

3.2 建议

在前期试验基础上，建议各设计指标的全机制砂混凝土配合比按表7选取。

表7 全机制砂混凝土配合比建议表

(1)所选CFG桩C10混凝土配合比，主要考虑混凝土的和易性、泵送性及满足配制强度15.8 MPa要求。(2)所选渡槽槽身C40W8F150混凝土配合比，满足配制强度49.0 MPa要求，满足GB 50119—2003《混凝土外加剂应用技术规范》[14］规定水胶比不大于0.50，满足抗冻、抗渗性能要求，满足混凝土拌合物性能要求。(3)所选空心板、铺装层C40F200混凝土配合比，满足配制强度49.0 MPa要求，满足抗冻性能要求，满足混凝土拌合物性能要求。(4)所选组合梁、箱梁C50F200混凝土配合比，满足配制强度59.9 MPa要求，满足抗冻性能要求，满足混凝土拌合物性能要求。

[1]郑忠双.机制砂混凝土应用研究现状及存在问题分析[J］.重庆建筑，2011(3):37-40.

[2]苏礼清，田彬亢，闫学良.配合比参数对全机制砂混凝土性能的影响研究[J］.福建建设科技，2011(2):63-65.

[3]段瑞斌，石从黎，宋开伟.全机制砂预拌混凝土的研究[J］.商品混凝土，2010(4):39-43.

[4]季韬，李锋，庄一舟，等.机制砂比表面积对混凝土性能的影响[J］.混凝土，2011(2):80-82.

[5]Prakash N，Manu S.Fresh and Hardened Properties of Self-compacting Concrete Produced with Manufactured Sand[J］.Cement＆ Concrete Composites，2011(33):353-358.

[6]徐健，蔡基伟，王稷良，等.人工砂与人工砂混凝土的研究现状[J］.国外建材科技，2005(3):20-24.

[7]中国建筑材料科学研究院水泥科学与新型建筑材料研究所.GB 175—1999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥[S］.北京:中国标准出版社，1999.

[8]中国建筑材料科学研究院水泥研究所和长江科学院.GB/T 1596—2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰[S］.北京:中国标准出版社，2005.

[9]国家技术监督局.GB 8076—1997混凝土外加剂[S］.北京:中国标准出版社，1997.

[10]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 5330—2005水工混凝土配合比设计规程[S］.北京:中国电力出版社，2006.

[11]中国长江三峡开发总公司，中国葛洲坝水利水电工程集团公司.DL/T 5144—2001水工混凝土施工规范[S］.北京:中国经济出版社，2002.

[12]电力工业部西北勘测设计研究院.DL/T 5052—1996水工混凝土结构设计规范[S］.北京:中国电力出版社，1997.

[13]周氐，章定国，钮新强.水工混凝土结构设计手册[M］.北京:中国水利水电出版社，1999.

[14]中华人民共和国建设部.GB 50119—2003混凝土外加剂应用技术规范[S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.