基于砂漿富余系數的C60機制砂自密實混凝土制備技術研究

王大慶 ，張翼 ，任強 ，歐陽男 ，蔣正武 ，孫旭軍

（1.貴州高速公路集團有限公司，貴州 貴陽 550004；2.同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804；3.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550004；4.中鐵二局集團建筑公司，四川 成都 610031）

0 引 言

隨著基礎設施建設的快速推進，混凝土的需求量持續增長，作為混凝土組分中所占比例最大的砂石需求量也將隨之增加。據《全球砂石骨料市場分析與預測2016-2024》報告稱，2016～2024年間砂石用量年均增長率為4.8%，2024年全球將消耗629億t砂石骨料[1]。為走出天然砂資源即將枯竭的困境，實現混凝土的可持續發展，近年來機制砂混凝土的開發應用受到越來越多的關注[2-5]。目前機制砂混凝土已在我國基礎建設和民用建設中得到大量應用[6-8]。

傳統的混凝土配合比設計方法以工程經驗為基礎，將強度作為最重要的設計參數。對于一個實際工程，其配合比通常需要經過大量試配工作才能得到。而這些方法主要是針對天然河砂混凝土的。機制砂與河砂差異明顯，前者顆粒形狀多樣性顯著、表面形貌更加粗糙、且含有大量的石粉[9-11]，因此機制砂混凝土配合比設計若采用傳統設計方法，工作性會較差，表現為需水量增大、流動性降低、易離析泌水等，尤其是在膠凝材料用量較低時，這些現象尤為突出。然而，通過合理的設計，機制砂混凝土可較河砂混凝土具有明顯的性能優勢[12-13]。同時，由于大量基礎設施建設施工環境復雜，對混凝土的性能，尤其是工作性能提出了更高的要求，因此，探索以工作性能為主、力學性能為輔的機制砂混凝土配合比設計方法尤為必要。實踐表明，影響混凝土工作性能的因素主要有水泥漿和砂漿用量（主要涉及膠凝材料種類及用量、水膠比、砂率）、骨料級配、外加劑種類及摻量等[14-15]。

在混凝土中，砂漿主要起填充粗骨料堆積空隙并包覆其表面的作用。合理的砂漿含量可以提升混凝土密實度、工作性能及穩定性。砂漿富余系數（Ff）是指砂漿填充粗骨料堆積空隙后，富余砂漿的體積與粗骨料堆積空隙體積的比值。本文基于華麗高速金安金沙江大橋項目對機制砂混凝土的超高泵送施工需求，分析工程現場混凝土原材料特點，基于砂漿富余系數法，設計了C60機制砂自密實混凝土（Manufactured Sand Self-Compacting Concrete，MSSCC）。通過本文提出的配合比優劣系數Qf定量表征配合比的優劣以確定待優化配合比，并采用砂漿富余系數法優化設計得到了適應工程需求的MSSCC，研究了礦物摻合料種類和摻量及砂漿富余系數等對MSSCC工作性能及力學性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料及配合比

水泥：拉法基P·O52.5水泥，28 d抗壓強度為56.9 MPa，表觀密度3120 kg/m3；摻合料：超細粉煤灰（UFA，比表面積820 m2/kg，表觀密度 2200 kg/m3）及硅灰（SF，比表面積 22 500 m2/kg，表觀密度 2000 kg/m3）；細骨料：玄武巖機制砂（MS），細度模數3.11，石粉含量為9.2%，MB值0.7，含水率為1.8%，表觀密度2900 kg/m3，級配如表1所示；粗骨料：5～20 mm連續級配玄武巖碎石，表觀密度2900 kg/m3，級配如表2所示，符合JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術規范》的規定；外加劑：根據流動性及保坍性需求選用江蘇超力建材科技有限公司所產聚羧酸高性能減水劑，減水率25%，固含量24.5%。

表1 機制砂的級配

表2 粗骨料的級配

1.2 配合比設計、優化方法

1.2.1 技術路線（見圖1）

圖1 配合比設計優化的技術路線

1.2.2 砂漿富余系數法設計配合比

砂漿富余系數法配合比設計：第1步，確定原材料的種類及相對比例，包括水膠比、礦物摻合料摻量、膠凝材料與機制砂的質量比，設計過程中保證砂漿組分及相對比例不變；第2步，假定粗骨料用量和砂漿富余系數Ff；第3步，通過式（1）計算砂漿的體積Vm；第4步，根據膠凝材料和機制砂的質量比、水膠比及式（2）計算用水量、機制砂質量及等效水泥質量；第5步，通過摻合料的摻量百分數及式（3）計算水泥及摻合料質量，經過以上5步得到初步配合比；第6步，根據設計的表觀密度對其進行修正。

式中：Vm——砂漿的體積，m3；

Mg——粗骨料的質量，kg；

ρa、ρb——分別為粗骨料的堆積密度、表觀密度，kg/m3。

式中：Mc'——等效水泥的質量，kg；

Ms、Mw——分別為砂、拌合水的質量，kg；

ρc、ρs、ρw——分別為水泥、砂、水的表觀密度，kg/m3。

式中：Mc、Mk——分別為水泥、礦物摻合料的質量，kg；

ρk——礦物摻合料的表觀密度，kg/m3。

1.3 試驗方法

1.3.1 工作性能測試及評價

坍落度和坍落擴展度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》進行測試。倒坍時間為混凝土拌和物從倒置的坍落度筒中流空的時間，是快速評價混凝土粘度的有效方法，倒坍時間越短，則混凝土粘度越小。通過觀察已坍落的混凝土拌合物判斷其粘聚性，并分為較差、一般和良好3個等級：“較差”指的是砂漿對粗骨料的包裹較差，拌合物出現離析，粗骨料堆積在中心；“一般”是指砂漿對粗骨料的包裹性一般，粗骨料暴露在環境中；“良好”則表示砂漿可以很好地包裹粗骨料，拌合物整體流動?；炷列掳栊阅軠y試完成后，覆蓋保鮮膜，靜置2 h后，攪拌2 min，測試各指標變化，對機制砂混凝土工作性能經時損失進行評價。

1.3.2 力學性能測試及評價

混凝土抗壓強度測試采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。1 d后拆模并測試強度，標準養護[溫度為（20±2）℃、相對濕度大于 95%]至 3、7、28、56 d進行強度測試。

1.4 試驗配合比

為研究不同種類及摻量的礦物摻合料對MSSCC性能的影響，設計了如表3所示的配合比。

表3 MSSCC的配合比

2 試驗結果與分析

2.1 MSSCC的工作性能

試配時通過控制減水劑摻量，確?；炷脸跏继涠葹椋?50±10）mm。MSSCC工作性能如表4所示。

由表4可以看出：

（1）單摻UFA時，隨UFA摻量的增加，新拌混凝土初始擴展度逐漸增加，而初始倒坍時間逐漸縮短，即混凝土粘度有下降的趨勢。2 h后，坍落度、擴展度與初始時相比有不同程度的降低，而拌合物的粘度明顯增加；隨UFA摻量的增加，工作性能損失程度逐漸降低。當UFA摻量為0、10%、15%及20%時，拌合物2 h坍落度損失不明顯；擴展度分別損失了13.1%、5.0%、12.1%及9.2%；倒坍時間分別延長了159.1%、44.8%、92.9%及46.3%，這表明UFA有利于減少MSSCC工作性能的損失程度。

（2）復摻UFA和SF，且SF的摻量為5%時，隨UFA摻量的增加，混凝土拌合物初始擴展度有先上升后下降的趨勢，表明復摻UFA和SF時，UFA對拌合物的初始流動性能改善作用存在最佳摻量（為15%）；初始倒坍時間逐漸縮短。2 h后，隨UFA摻量的增加，拌合物的坍落度損失程度先下降后上升，而擴展度逐漸下降、倒坍時間逐漸縮短。當UFA摻量為10%、15%及20%時，拌合物2 h坍落度分別降低了6.3%、2.0%及6.3%；擴展度分別損失了18.2%、4.2%及7.3%；倒坍時間分別延長了238.4%、39.2%及12.6%。除J-4組外，摻有SF和UFA的MSSCC的工作性能經時損失程度均低于未摻礦物摻合料的J-0組，主要是因為SF和UFA比表面積較大，增加了新拌混凝土的保水性，但是UFA摻量較少時，微珠效應不明顯導致新拌混凝土的粘度大幅上升。復摻UFA和SF，且SF摻量為5%的各試驗組工作性能與對應的單摻相同摻量UFA的試驗組進行對比發現，摻入SF以后，拌合物初始擴展度明顯降低，且初始倒坍時間顯著延長。除J-5組以外，摻入SF以后，混凝土拌合物工作性能2 h經時損失程度與未摻SF時比較均顯著增加，這是因為SF顆粒粒徑小、比表面積大，因此需水量較大，從而增加了拌合物的粘度。此外，SF摻量為5%且UFA摻量為10%的J-4組MSSCC拌合物覆膜靜置2 h后，粘聚性顯著變差。這些現象表明，SF及UFA復摻時，UFA存在適宜摻量為15%。結合表3還可發現，復摻5%SF和不同摻量UFA時，混凝土的減水劑需求量降低，且隨UFA摻量增加而降低，這主要是因為UFA的微珠效應。

表4 MSSCC的工作性能

（3）復摻SF和UFA，且UFA摻量為15%時，隨SF摻量的增加，MSSCC拌合物的初始擴展度逐漸減小。2 h后MSSCC拌合物工作性能損失程度隨SF摻量的增加，均先減小后增大。當SF摻量為0、5%、10%及20%時，拌合物2 h坍落度分別降低了4.0%、2.0%、0.0%及12.5%；擴展度分別損失了12.1%、4.2%、15.4%及16.0%；倒坍時間分別延長了92.9%、39.2%、191.7%及152.9%。還發現，J-7、J-8兩組MSSCC拌合物的粘聚性相較于其它試驗組顯著劣化，這是由于硅灰比表面積大，需水量大，摻量過高會導致漿體中自由水的缺失。

2.2 MSSCC的抗壓強度（見表5）

表5 MSSCC的抗壓強度

從表5可以看出：

（1）單摻UFA的試驗組的抗壓強度與未摻UFA的J-0組相比早期（包括1 d、3 d及7 d）抗壓強度均有降低，其中1 d、3 d抗壓強度隨UFA摻量增加而降低。但是隨齡期延長，摻UFA的MSSCC試件抗壓強度與J-0組試件的差距逐漸縮小甚至反超。MSSCC試件的28 d及56 d抗壓強度均著UFA摻量增加而逐漸提高，在UFA摻量為20%時分別達到最大值85.6 MPa和92.5 MPa。這主要是由于UFA的火山灰效應增加了混凝土的密實度從而提升混凝土的后期強度。

（2）復摻UFA和5%SF試驗組，MSSCC試件1 d抗壓強度與J-0組相比均有所降低，但3 d之后抗壓強度逐漸趕超J-0組。當SF摻量為5%時，隨UFA摻量的增加，混凝土各齡期的抗壓強度都呈先下降后上升的趨勢。此外，復摻UFA和5%SF的MSSCC試件與對應的單摻相同摻量UFA試驗組相比，試件各齡期的抗壓強度均有不同程度的上升，且隨齡期的延長，上升幅度增大。表明SF能夠發揮微集料填充及火山灰效應從而提高混凝土的強度。

（3）復摻15%UFA和SF試驗組，隨SF摻量增加，MSSCC在3、7、28、56 d齡期時，抗壓強度均先提高后降低，這表明SF和UFA復摻，且當UFA摻量為15%時，硅灰存在最佳摻量（為5%）。此外，硅灰摻量分別為10%和20%的2組試件各齡期抗壓強度都比另外2組試件低，這主要也是因為硅灰摻量過高，漿體中自由水過少而使漿體無法實現自身密實，漿體含氣量提高，表現為混凝土強度的降低。

為初步優化配合比，提出配合比優劣系數Qf，定量評價配合比的優劣，Qf值越大則MSSCC的綜合性能越好，即配合比更優。Qf通過對混凝土工作性能和抗壓強度指標歸一化處理后加權平均計算得到。由于現代混凝土對工作性能要求越來越高，所以假設工作性能和抗壓強度權重分別為0.6和0.4，其中坍落度、擴展度、倒坍時間的權重均為0.2，按式（4）計算。通過式（5）對坍落度、擴展度及抗壓強度歸一化處理，通過式（6）對倒坍時間進行歸一化處理。

式中：Ri（j）——性能指標的歸一化值；

X、Xmax、Xmin——性能測試指標及其最大值、最小值。

各組配合比的Qf值見表6。

表6 各配合比的Qf值

從表6可以看出，J-5組配合比的Qf值最大，因此將J-5組配合比作為基準配合比，進一步采用砂漿富余系數法對其進行優化。

2.3 砂漿富余系數法優化MSSCC配合比

在J-5組的基礎上采用砂漿富余系數法進行MSSCC配合比優化設計，各組分間比例與J-5組相同，得到如表7所示的配合比。

表7 砂漿富余系數法優化配合比

砂漿富余系數法設計的MSSCC的新拌性能如表8所示。

由表8可以看出，隨砂漿富余系數的增加，MSSCC的初始坍落度變化不明顯，初始擴展度及初始倒坍時間均逐漸減小。砂漿富余系數為1.29的Js1組MSSCC的坍落度、擴展度及倒坍時間2 h經時損失程度遠高于其余各組，且隨砂漿富余系數的增加，坍落度經時損失程度逐漸降低，而擴展度及倒坍時間損失程度先降低后上升。2 h后，砂漿富余系數為1.29、1.45、1.61及1.77時，MSSCC的坍落度分別降低了10.4%、2.0%、0.0%及0.0%；擴展度分別降低了17.1%、4.2%、3.4%及6.3%；而倒坍時間則分別延長了130.4%、39.2%、23.7%及171.8%。此外，砂漿富余系數在0.48區間內變化時，MSSCC的工作性有較大的變化。表明砂漿富余系數對MSSC的工作性能影響很大。

砂漿富余系數計算所得MSSCC的抗壓強度見表9。

表8 砂漿富余系數計算所得MSSCC工作性能

表9 砂漿富余系數計算所得MSSCC的抗壓強度

從表9可以看出，即使水膠比相同，但是隨砂漿富余系數的增大，MSSCC各齡期的抗壓強度總體呈先上升后下降的趨勢。砂漿富余系數為1.61時，MSSCC試件7、28、56 d抗壓強度均達到極值，分別為 70.4、92.3、103.0 MPa。與 Js1、J-5、Js3組試件相比，Js2組7 d抗壓強度分別提高了2.5%、6.5%、10.7%，28 d抗壓強度分別提高了12.6%、5.4%、11.1%，56 d抗壓強度分別提高了2.4%、8.2%、1.8%。隨齡期延長，抗壓強度的極值所對應的砂漿富余系數逐漸降低，這表明配合比設計時，砂漿富余系數存在最佳值。當砂漿富余系數較小時，隨漿體量的增加粗骨料空隙被填充程度增大，因此抗壓強度逐漸增大。但是當砂漿富余系數增大到一定程度時，粗骨料的空隙填充程度增加不明顯或幾乎不增加，且自由漿體較多，粗骨料在漿體中懸浮而不能形成相互搭接的網絡狀骨架結構，反而導致混凝土的抗壓強度又逐漸降低。

砂漿富余系數法優化配合比的Qf值見表10。

表10 砂漿富余系數法優化配合比的Qf值

從表10可以看出，隨砂漿富余系數的增大，Qf先增大后下降。砂漿富余系數為1.45～1.61時Qf較大。這表明砂漿富余系數存在適宜范圍為1.45～1.61，在砂漿富余系數適宜范圍內，MSSCC具有更好的工作性能及抗壓強度。Js2組的Qf值最大，為0.843，因此Js2組為優化后的最佳配合比。

3 結論

（1）提出混凝土配合比優劣系數，能夠定量評價混凝土配合比設計的優劣程度。

（2）單摻超細粉煤灰能夠改善MSSCC的工作性能且能減小其經時損失程度。復摻硅灰與超細粉煤灰有利于改善MSSCC的工作性能，降低減水劑摻量。復摻5%硅灰和15%超細粉煤灰的混凝土工作性最佳。

（3）砂漿富余系數在小范圍內變化，即可顯著改善MSSCC的工作性能。水膠比一定時，隨砂漿富余系數的增加，MSSCC各齡期抗壓強度總體呈先提高后降低的趨勢，且隨齡期延長，抗壓強度峰值對應的砂漿富余系數減小。

（4）適宜的砂漿富余系數不僅有利于降低MSSCC的工作性能經時損失，還能提高MSSCC的抗壓強度，適宜的砂漿富余系數范圍為1.45～1.61。