机制砂自密实混凝土性能研究

袁文栋

（中国水利水电第十六工程局有限公司，福建 福州 350001）

美国混凝土研究所将自密实混凝土定义为“一种高度流动的非隔离混凝土，可以在不进行任何机械振捣的情况下摊铺到位、填充模板并完全包裹钢筋”[1-2］。与传统混凝土相比，自密实混凝土具有经济和技术优势，可节省成本并提高性能。在工作现场，自密实混凝土需要较少的劳动力和技能较低的劳动力。自密实混凝土的浇筑速度比传统混凝土快。使用自密实混凝土也可以获得更好的表面光洁度，并且在移除模板后，无需人工修补缺陷（虫洞、气泡、蜂窝）[3-5］。某大桥为上承式钢管混凝土拱桥，净跨径338 m。拟采用C60 级微膨胀自密实混凝土作为钢管混凝土的核心混凝土。由于当地天然砂短缺，机制砂被用作自密实混凝土的细骨料。机制砂通常比天然砂更棱角分明，表面纹理更粗糙。机制砂还可能含有大量细骨料破碎过程中产生的小于75μm 的岩石细粉。按重量计，该部分可高达细骨料总产量的10%～20%。使用富含细粉的机制砂可能是第二种替代填料来源。使用富含细粉的机制砂可以通过替代天然砂作为细骨料并减少外部填料添加的需求，提高自密实混凝土的成本效益，还可以在自密实混凝土生产中作为粘度改进剂[6-8］。

本文对细骨料含量为3%、7%和10%的三种机制砂自密实混凝土的工作性、抗压和劈裂强度、弹性模量、约束膨胀和氯离子渗透性以及抗冻融性进行了测试，并与天然砂自密实混凝土进行了比较。

1.1 原材料

所有混合物均采用符合GB 175-2007 标准的普通硅酸盐水泥制备，其3 天和28 天抗压强度是22.2 MPa 和53 MPa。采用符合GB／T 18064-2008 标准的S95 级磨细高炉矿渣作为矿物掺合料。为了补偿混凝土收缩，采用了符合JC 476-2001标准要求的UEA-H 型膨胀剂。还使用了一种商用品牌为MAPEI SP-1 的聚羧酸型高效减水剂。

两种不同的砂被用作细骨料。它们被命名为石灰岩机制砂，含有岩石细屑和碎屑。表1 给出了两种砂的物理性质和筛分分析测试结果。可以看出，机制砂中小于75μm 的石灰石细粉的含量为11.5%，天然砂中的细粉含量为0.5%。

表1 砂的物理特性

1.2 配合比和试验程序

表2 显示了一种天然砂自密实混凝土和三种机制砂自密实混凝土的混合比例，其中石灰石细粉含量分别为3%、7%和10%。为了调整机制砂中的细粒含量，通过湿筛分将小于75μm 的石灰石细粒从机制砂中分离出来，然后作为等量砂的直接替代物加入混合物中。每种混合物的水／粘合剂（w／b）常数为0.31 和10%（按重量计）的恒定膨胀剂量。通过增加外加剂的用量，可以获得混合物的自密实性。确定了所有混合物的外加剂要求，以达到650±50 mm 的坍落度流动值。

坍落度试验按照JTG E30-2005 标准进行。采用CECS 203:2006 标准进行坍落度和T50 时间试验。此外，采用JTG E30-2005 标准测定了新拌混凝土的凝结时间、泌水率和含气量。

根据JTG E30-2005 标准，通过测试150 mm×150 mm×150 mm 立方体、100 mm×100 mm×400 mm 棱柱、150 mm×150 mm×150 mm 立方体和150 mm×150 mm×300 mm 棱柱，分别测定抗压强度、抗剪强度、劈裂强度和压缩弹性模量。将自密实混凝土倒入模具中，无需任何振动和压实，24 小时后脱模。脱模后，用特氟隆板包裹试样，并在耐湿条件下固化，以模拟钢管混凝土，直至试验当天。

根据GB 50119-2003 标准，在100 mm×100 mm×355 mm的棱柱形试件上进行了约束膨胀率试验，并在混凝土试件中嵌入了竖向钢制限流器。湿养护1 天后，脱模试样在20℃的条件下储存在水里14 天，然后在20℃的相对湿度为60%的干燥条件下养护。在3 d、7 d、14 d、28 d、42 d、56 d、90 d、120 d 和150 d 时测量受约束试样的应变。

根据CECS 01-2004，使用直径为100 mm、高度为50 mm的圆柱体，通过RCM 法测量氯离子渗透性，并获得快速迁移的非稳态扩散系数。在湿养护28 天的混凝土棱柱试样（100 mm×100 mm×400 mm）上，采用混凝土抗冻融试验方法测定了混凝土的抗冻性。试验按照JTG E30-2005 标准进行。每50个循环测量一次混凝土试件的动态弹性模量，以评估相对动态弹性模量。

2.1 新拌混凝土性能

新拌混凝土试验结果见表3，从结果可知，所有混凝土混合物的初始坍落度在615 mm～675 mm 范围内。然而，三种机制砂自密实混凝土的坍落度流动损失远大于天然砂自密实混凝土。表2 还列出了所有混合物达到650±50 mm 坍落度流动值的外加剂要求。虽然使用天然砂制备的混合物中的外加剂含量为6.2 kg／m3，但当使用机制砂时，该值增加到6.7 kg／m3～7.5 kg／m3。机制砂自密实混凝土外加剂增加可以归因于该沙子的高粉末含量和较大的粗糙度。理论上，在相同含水量下，增加细粉量可能会导致外加剂需求量增加，以获得恒定的坍落度。

表2 自密实混凝土的混合比例

此外，还应测试自密实混凝土的坍落度流动速度（即T50时间）。所有混合物的T50次均在目标时间范围内（约5 s～15 s）。非常低的T50 次数可能会导致离析，而非常高的T50 次数可能会导致泵管堵塞。当细料含量较高时，T50 的次数通常会增加（表3）。另一方面，所有混合料的压力泌水率均达到泵送混凝土的目标水平，即小于40%。在不加水的情况下，砂中的大量细颗粒增加了塑性粘度，减少了自密实的泌水和离析。与天然砂自密实混凝土混合物相比，三种机制砂自密实混凝土的泌水量更大，因为机制砂更具棱角和片状，并且由于破碎过程，具有更粗的级配。随着减水剂用量的增加，所有自密实混凝土混合料的凝结时间均增加。这种现象可认为所用外加剂在过量剂量下的具有凝结延迟效应。

表3 新拌混凝土性能

2.2 混凝土力学性能

表4 总结了抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量的试验结果。所有混合物的28 天抗压强度在75.3 MPa～80.2 MPa 之间变化，明显超过70 MPa 的目标值。值得注意的是，随着石灰石细粉含量的增加，混凝土的抗压强度和劈拉强度先增加后降低，在细粉含量为7%时达到最大值，三种机制砂-自密实混凝土混合物的力学性能优于天然砂-自密实混凝土混合物，尤其是劈拉强度。原因可能是机制砂的表面比天然砂粗糙，棱角大，导致砂和膏体之间的粘结力更强。此外，与相应的天然砂-自密实混凝土混合物相比，细粒含量为7%的机制砂-自密实混凝土混合物的弹性模量略有增加。

表4 混凝土力学性能

2.3 限制膨胀率

限制膨胀率结果见图1。浸泡在水中的所有混合物的14天抑制膨胀率在3.3×10-4和4.3×10-4之间变化，明显超过3.0×10-4的目标值。与天然砂-自密实混凝土混合料相比，含有7%和10%石灰石细粉的机制砂-自密实混凝土混合料在14 天浸水期间表现出更大的膨胀应变，在150 天干燥条件下表现出更小的收缩应变。含有高石灰石细粉的机制砂-自密实混凝土混合物膨胀率较高的主要原因可归因于石灰石细粉和C3A 之间反应形成的碳铝酸盐，这抑制了钙矾石转化为单硫铝酸盐。因此，机制砂中的石灰石细粒有利于稳定钙矾石，这是一种膨胀的水化产物，导致膨胀增加。

图1 不同砂制备的自密实混凝土的限制膨胀率

2.4 氯离子渗透性

氯离子扩散系数（DRCM）测试结果见表5。四种混合物的28 天DRCM值介于1.3×10-12m2／s 和2.7×10-12m2／s 之间，表明中等渗透性。随着石灰石细粉含量的增加，机制砂混合物的DRCM值增加，并且从使用10%石灰石细粉制备的机制砂混合物中观察到显著的DRCM增加。与天然砂相比，三种机制砂自密实混凝土的28 天DRCM值略高。

表5 氯离子扩散系数与混凝土抗冻融性能

2.5 抗冻性

冻融试验结果见表5。由表5 可知，所有经受冻融循环的自密实混凝土混合物的相对动弹性模量（RDM）的降低率和降低量都非常低。在持续300 次冻融循环后，RDM 值在93.4%～97.6%之间，三种机制砂混合物和天然砂混合物之间的RDM 差异不显著。这些结果表明，石灰石细粉含量高的机制砂-自密实混凝土的冻融耐久性非常高，并且具有耐高温等级。

本文对细骨料含量为3%、7%和10%的三种机制砂自密实混凝土的工作性、抗压和劈裂强度、弹性模量、约束膨胀和氯离子渗透性以及抗冻融性进行了测试，并与天然砂自密实混凝土进行了比较，得出以下结论：

（1）为了提高自密实混凝土的粉末含量，可以使用富含石灰石细粉（按重量计为7%～10%）的机制砂。然而，高达10%的石灰石细粉会导致混合物的高粘度，并增加了自密实混凝土目标坍落度流的外加剂需求。

（2）从机制砂中加入7%的石灰石细粉，并加入10%的膨胀剂和10%的磨细高炉矿渣，可以制备出高度可加工和稳定的C60 级自密实混凝土填充钢管，满足自密实和机械要求。C60 级机制砂自密实混凝土的机械强度、弹性模量、抗氯离子渗透性和抗冻融性与使用良好天然砂制成的相应混凝土相似或更好。

（3）事实证明，添加膨胀剂对增加自密实混凝土填充钢管的膨胀和补偿干燥收缩非常有效，这通常是这种材料的一个大问题，因为这种材料富含粉末，粗骨料含量很低。与天然砂的自密实混凝土填充钢管相比，富含石灰石细粉的机制砂的自密实混凝土填充钢管具有更大的抑制膨胀和更少的干缩，这有助于自密实混凝土与钢管内壁之间的紧密结合。因此，在自密实混凝土应用中使用富含石灰石细粉的机制砂将为混凝土生产商带来技术和经济效益。

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