利用机制砂与特细砂配制C50混凝土的试验研究

1 引言

随着我国基础设施的快速发展，生产混凝土所需的天然砂资源日渐质乏，已无法满足混凝土生产需求，迫切需要利用机制砂制备混凝土。由于机制砂是采用石料经机械破碎、筛分制成的，与天然砂相比，机制砂多棱角、表面粗糙、细度模数大，属于粗砂，级配不良，石粉含量偏高。有研究表明，适当的石粉含量可增加混凝土的密实度，从而提高硬化混凝王的强度与抗渗性能。但从机制砂的实际生产情况来看，经破碎生产的机制砂一般含10%～20%的石粉，这种高石粉含量的机制砂配制的混凝土会出现和易性能差、泵送难等问题，也会影响混凝土的力学性能和耐久性能。有研究发现，天然砂与机制砂混合使用，可改善机制砂颗粒级配，配制的混合砂混凝土性能良好，但缺乏高石粉含量机制砂与特细砂混合配制C50混凝土的系统研究。

本文选用我国黄河流域储量大、质量稳定且价格便宜的特细砂，采用特细砂取代部分机制砂的方式，开展特细砂对高石粉含量机制砂混凝土工作性、力学性能的影响试验研究，并通过调整外加剂掺量、砂率等方法对C50混合砂混凝土的工作性进行优化，为高石粉含量的机制砂推广应用提供理论依据。

2混凝土试验

2.1原材料

（1）水泥

选用普通硅酸盐水泥（P.O.42.5），主要技术指标见表1。

（2）粉煤灰

F类Ⅱ级粉煤灰，需水量比为99%，烧失量为4.87%。

（3）矿粉

S95矿粉，28d活性指数99.3%

（4）细骨料

机制砂的细度模数3.0，石粉含量10.5%;特细砂的细度模数1.3，最大粒径小于1.18mmo筛分析如图1所示。

（5）粗骨料

采用5～20mm连续级配的碎石，含泥量0.3%，压碎值14.5%。

（6）外加剂

采用聚羚酸高性能减水剂，减水率为28.5%，固含量为22%。

2.2试验方法

混凝土拌合物性能试验按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080-2016）进行，力学性能试验按照《普通混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T50081）进行，耐久性试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009）进行。

2.3试验配合比

采用石粉含量为10.5%的机制砂，利用《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）设计混凝土配合比，强度等级为C50。水胶比0.37，胶凝材料用量460kg/m³，经试配调整后得到C50混凝土的基准配合比，见表2。

3结果与讨论

3.1特细砂替代试验

为探究特细砂对高石粉含量机制砂混凝土工作性和力学性能的影响，试验采用特细砂替代部分机制砂的方式，替代率设定为0%、10%、20%、30%和40%，其对应的混合砂细度模数和具体配合比见表3。

（1）混凝土工作性

不同替代率的特细砂对高石粉含量机制砂混凝土工作性的影响如图2所示。由图2可知，随着特细砂替代率的增加，混凝土的落度先增加后减少，当特细砂替代率为30%时，混合砂混凝土的初始坍落度最大，达到210mm。这是因为随着特细砂掺量的增加，其能够更多填补因机制砂颗粒粒径较大而产生的孔隙，改善混合砂混凝土的颗粒级配：此外，特细砂细颗粒能起到润滑作用，且显著降低了细骨料石粉含量，从而提高了混凝土工作性。但是，当特细砂替代率超过30%时，混凝土工作性会受影响，这是因为当特细砂替代率较大时，混合砂的粒径过小，比表面积增大，使需水量较高，导致混凝土流动性降低，增大了混凝土内部的摩擦力，从而使混凝土工作性变差。

（2）混凝土力学性能

不同替代率的特细砂对高石粉含量机制砂混凝土抗压强度的影响如图3所示。由图3可知，相同龄期下，随着特细砂替代率的增加，混凝土的抗压强度先增加后减少，当特细砂替代率为20%时，混合砂混凝土的28d抗压强度最大，达到61.2MPa，即适量特细砂可以提升高石粉含量机制砂混凝土的力学性能。这是因为随着特细砂掺量的增加，机制砂与特细砂颗粒相互搭配，形成较为连续的细骨料结构，减少了混凝土内部的孔隙，提高了混凝土密实度，从而提高了混凝土抗压强度。但是，当特细砂替代率超过20%后，混凝土抗压强度逐渐降低，这是因为当特细砂替代率较大时，降低了细骨料中的石粉含量，进而减弱了石粉的填充混凝土孔隙效应，导致混凝土密实度降低。

结合混凝土工作性和力学性能的试验结果，建议特细砂替代率为20%。

3.2混凝土性能优化调整

在上述结论的基础上，将特细砂替代率设定为20%，通过调整外加剂掺量、砂率等方法对混合砂混凝土性能进行优化，结果见表4。

由表4可以看出，适当提高外加剂掺量和降低砂率，可有效改善混合砂混凝土黏聚性，提高混凝土的可泵性；此外，也可提高混凝土的力学性能。

3.3 混凝土施工配合比

结合特细砂替代试验和混合砂混凝土性能调整试验结果，特细砂替代率为20%，水胶比0.37，砂率0.42，胶凝材料用量460kg/m³，确定了C50混合砂混凝土的施工配合比，见表5。

对表5的混凝土工作性、力学性能及耐久性进行验证性试验，结果见表6。结果表明利用特细砂和高石粉含量机制砂配制的C50混合砂混凝土具有优异的工作性、力学性能和耐久性。混凝土出机珊落度为220mm，1h坍落度损失较小，28d抗压强度61.2MPa，56d电通量为755C。

4结论

（1）掺入适量的特细砂可改善高石粉含量机制砂混凝土性能。与纯高石粉含量机制砂混凝土相比，当特细砂掺量为30%时，混合砂混凝土出机珀落度达到最大，提高了40mm当特细砂掺量为20%时，混合砂混凝土28d抗压强度达到最大，提高了3.9MPa。

（2）采用特细砂与高石粉含量机制砂混合、调整外加剂掺量和砂率等方法，当特细砂质量掺量20%、外加剂掺量1.0%、砂率42%时，配制的C50混合砂混凝土具有优异的工作性、力学性能和耐久性。混凝土出机坍落度为220mm，1h坍落度损失小于20mm，28d抗压强度大于60.0MPa，56d电通量小于800C。