机制砂配制C35海工高性能混凝土的配合比设计.pdf

182机制砂配制 C35 海工高性能混凝土的配合比设计江 民（江苏东南工程咨询有限公司，江苏 南京 210018）2023 年第 5 期（总第 226 期）散 装 水 泥Bulk Cement作者简介：江民（1974-），男，安徽合肥人，本科，公路水运工程试验检测师、监理工程师，研究方向：公路桥梁隧道试验检测。摘 要：混凝土是工程建设中用量最大的建筑混合材料，而砂又是混凝土中必不可少的材料，包括天然砂和机制砂。由于我国大量的基础设施建设，天然砂资源日渐枯竭，开发利用机制砂配制普通混凝土和高性能混凝土已成为必然趋势，而采用机制砂作为细骨料进行混凝土配合比设计是一项技术难点。文章通过优选机制砂，降低水胶比，深入研究机制砂海工高性能混凝土配合比设计，最终配置出机制砂 C35 海工高性能混凝土，并顺利运用于大直径深水桩基施工，为我国机制砂混凝土配合比设计提供了一定的参考依据。关键词：机制砂；高性能；混凝土；实践应用中图分类号：TU528文献标识码：B文章编号：1007-3922（2023）-05-0182-041 工程概况东吾洋特大桥起点位于虾山鼻岛最西侧，跨越东吾洋海域，终点位于东安岛牛梁岗，是宁上高速项目的控制性工程。大桥全长 2 546.6m，通航孔桥为跨径（100+2180+100）m的矮塔斜拉桥，非通航孔桥为 90m 钢混组合梁和 50m 预应力混凝土箱梁。全桥水深超过 48m 的路段长 850m，水深最深达 63m，最大潮差超过 8m，为同类型桥梁水深世界之最。桩基为钻孔灌注桩，最大桩径4.0m，最长 144m，最大钢护筒直径 4.4m，最长93.4m，单重达 366t，海工高性能混凝土需求量约34 万 m3，而砂的需求量约 26 万 t。本文采用机制砂作为细骨料进行 C35 高性能混凝土配合比设计。在经过原材料优选、合理控制品质及多次试配、比对，结合实际施工情况，确定最优理论配合比。再通过现场顺利实施及后期实体检测，各项性能指标均能满足设计使用要求，最终，该配合比顺利运用于施工，也为项目取得了一定的经济效益。2 机制砂海工高性能混凝土配合比目前，机制砂已成为施工作业中非常重要的材料，在原材料的应用上逐步代替了天然砂。由于机制砂的物理特性与天然砂相比存在一些差异，因此，要选择质地坚硬的岩石作为机制砂加工的母岩，从源头上控制机制砂材料质量。另外，机制砂加工的颗粒级配、细度等技术指标都是通过整形工艺进行处理，可以通过相应的生产设备和制作工艺流程来实现，但机制砂的颗粒容易导致混凝土的质量缺陷，另外，机制砂中含有石粉且吸水性大，虽然对混凝土强度有所帮助，但也容易引起大体积混凝土表面出现收缩裂缝。采用双掺进行机制砂海工混凝土配合比设计，不但降低了混凝土水化热，还能抑制裂缝产生，提高和易性和体积稳定性，改善机制砂海工混凝土的抗渗性能和耐久性能。同时，随着龄期增长，粉煤灰和矿渣粉等活性材料将发生化学反应，有助于混凝土强度的提高。2.1 水泥（1）采用强度等级 PII52.5 的硅酸盐水泥，其技术指标符合国家标准 通用硅酸盐水泥（GB 175-2020）的要求。（2）水泥中 C3A 含量控制在 6%10%以内；比表面积应大于 300m2/kg 且不超过 400m2/kg，采用低碱水泥，碱含量低于 0.60%，氯离子含量低于 0.03%。No.5,2023Serial.No.226183（3）水泥质量稳定，有一定的富余系数。水泥强度标准差控制在 3.0MPa 以内，水泥使用时温度不应大于 60，避免使用刚出厂的新鲜水泥。2.2 矿物掺合料（1）机制砂海工高性能混凝土用矿物掺合料应采用组分均匀、各项性能指标稳定的粉煤灰和粒化高炉矿渣粉，不应使用高钙灰和磨细灰，粉煤灰宜选用 F 类 II 级以上标准，粒化高炉矿渣粉的等级应不低于 S95 级。（2）为控制机制砂海工高性能混凝土温度裂缝的产生，使用矿物掺合料时温度不大于 50，当使用两种掺合料复合而成的磨细矿物掺合料时，复合掺合料应有合格的产品标准并附有组成成分和使用说明书，不宜使用厂商自行复合的矿物掺合料。2.3 粗集料选用质地坚硬、粒形和级配良好、吸水率低和空隙率小的粗集料，粗集料母岩的强度宜大于 1.5 倍混凝土设计强度，采用两级配，公称粒径宜满足 525mm 的规定、含泥量 1.0%、泥块含量 0.2%、压碎值指标 20%、针片状含量 10%、吸水率 2%、空隙率 45%、岩石抗压强度 80MPa。2.4 外加剂（1）C35 强度等级以上机制砂海工高性能混凝土宜选用与机制砂、胶凝材料适应性好、抗吸附能力强的聚羧酸类高性能减水剂。公路机制砂海工高性能混凝土外加剂应符合现行公路工程混凝土外加剂（JT/T 523-2004）和混凝土外加剂应用技术规范（GB 50119-2013）的规定。（2）聚羧酸类高性能减水剂的检验及其质量应满足混凝土外加剂匀质性试验方法（GB/T 8077-2012）和混凝土外加剂（GB/T 8076-2009）要求，使用前应进行与胶凝材料适应性检验，聚羧酸类高性能减水剂的复配成分应根据环境温度、施工条件、混凝土原材料的变化进行调整，减水剂的最佳掺量应通过试验确定，使用时应符合产品说明和规范中关于混凝土配合比、拌制、浇筑等规定。（3）当混合使用高效减水剂、引气剂、缓凝剂、阻锈剂和其他外加剂时，应事先进行相容性试验，经验证满足要求后方可使用。机制砂海工高性能混凝土拌和及养护用水应符合 混凝土用水标准（JGJ 63-2006）的规定。3 机制砂海工高性能混凝土配合比设计3.1 配合比设计原则普通混凝土设计中最主要的参数为水胶比、用水量和砂率，这 3 个参数与混凝土的性能密切相关。机制砂作为一种取代河砂配置混凝土的细集料，含有类似胶材颗粒级别的石粉，同时具有高于普通天然砂的细度模数，使机制砂的性能影响到配合比中水胶比、用水量和砂率参数的设定，加之机制砂及机制砂海工混凝土的特殊性，因此，在机制砂海工高性能混凝土配合比设计研究中，主要从以下几点探索：（1）采用机制砂配制桩基海工高性能混凝土时，要求混凝土具有良好的流动性、黏聚性和高抗离析性。混凝土坍落度 180220mm、扩展度500600mm、1h 坍落度损失 10%，强度有一定富余。宜选用相对较高的胶凝材料用量与石粉含量，保持较大的砂率，外加剂中适当引气、增大保坍组份。（2）采用机制砂配制承台海工高性能混凝土时，凝结时间应适当延长，控制混凝土绝热温升。混凝土坍落度 160200mm、扩展度 400500mm、1h 坍落度损失 10%，抗压强度不宜富余过大。采用相对低的胶凝材料用量，增加粉煤灰、矿粉、石粉等掺合料的比例，限制早期强度发展，可考虑按 60d 强度进行评定，在外加剂中增加缓凝组分，可延长凝结时间，掺加阻锈剂。（3）用机制砂配制墩身、盖梁海工高性能混凝土时，要求混凝土具有良好的工作性能、抗渗性能、耐久性能和外观质量。混凝土坍落度160200mm、扩展度 400500mm、1h 坍落度损失 10%，抗压强度不宜富余过大。采取相对适中的胶凝材料用量，应增加矿粉、石粉的掺量，增加粉煤灰、矿粉等掺合料的比例，外加剂中适当引气，宜掺入提高耐久性组分。（4）用机制砂配制箱梁、索塔海工高性能混凝土时，要求混凝土具有良好的工作性能、抗渗性能和耐久性能，以抗裂为核心，适当提高早期强度，兼顾后期收缩、弹性模量、体积稳定性和外观质量。混凝土坍落度 160200mm、扩展度400500mm、1h 坍落度损失 10%。采取相对适中的胶凝材料用量、适中的矿物掺合料用量，降低单方用水量，提高集料用量，尤其应使用级配优良和粒形较好的集料，坍落度应控制适当，并降低外加剂中的引气组分，控制含气量。3.2 配合比设计与计算（1）机制砂海工高性能混凝土的配制强度可根据强度标准差的历史水平按公式计算确定：184式中，混凝土配制强度（MPa）；混凝土立方体抗压强度标准强度（MPa）；混凝土强度标准差。（2）当没有近期的同一品种、同一强度等级混凝土强度资料时，其强度标准差可按强度等级 C30，强度标准值 4.0MPa；当 C35C45 时，强度标准值 5.0MPa；当 C50C55 时，强度标准值6.5MPa。（3）机制砂海工高性能混凝土的配制强度应根据混凝土强度等级、生产施工水平的差异和变化以及材料质量可能的波动确定，对于设计使用年限为 100 年的机制砂海工高性能混凝土单方用水量不宜超过 160kg/m3，不应超过 170kg/m3。（4）采用大掺量粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等矿物掺合料替代水泥。单掺粉煤灰时，粉煤灰掺量不宜超过胶材总量的 40%。粒化高炉矿渣粉宜与粉煤灰复合掺入，掺合料总量不宜超过胶凝材料总量的 60%。（5）当机制砂混凝土中加入粒化高炉矿渣粉、粉煤灰等作为掺合料时，可不考虑机制砂中石粉含量的影响；并且机制砂中的石粉可替代粉煤灰作掺合料使用，其掺量可在胶凝材料质量的10%20%范围通过试验确定。（6）机制砂海工高性能混凝土砂率宜比天然河砂混凝土提高 2%4%。当采用假定容重法进行配合比设计计算时，机制砂海工高性能混凝土的假定容重应比相应的天然河砂混凝土高约2040kg/m3。（7）机制砂海工高性能混凝土内总碱量要低于 1.8kg/m3。当机制砂中的石粉含量变化超过 2%、细度模数变化超过 0.2%时，应及时试验，对砂率进行调整。3.3 配合比的试配与调整在机制砂海工高性能混凝土的试配阶段，除进行抗压强度测试外，还应进行抗氯离子渗透性试验，混凝土抗氯离子渗透性能委托具有相应资质的甲级检测机构进行试验检测验证。砂率优选试验宜在 37%47%的范围内，每隔 2%选取一个砂率进行混凝土拌和物和易性试验，以混凝土的和易性达到最佳为合理砂率。应参照普通混凝土配合比设计规程（JGJ 55-2011）的规定计算单方混凝土中各原材料组分用量，核算单方混凝土的氯离子含量和总碱含量是否满足相关要求，如不满足，应重新选择原材料或调整计算配合比，直至满足要求为止。机制砂海工高性能混凝土试配过程中应采用工程中实际使用的原材料和搅拌方法，通过适当调整混凝土减水剂用量或砂率调配出符合要求的混凝土试拌配合比。根据不同试拌配合比对应混凝土拌和物的性能、抗裂性能和耐久性能试验结果，从中选择最佳试拌配合比作为试验室确定的配合比，并出具混凝土配合比设计报告。3.4 配合比设计总结通过对该机制砂 C35 海工高性能混凝土总碱量、氯离子总含量等指标的理论计算，同时根据拌和物性能、力学性能等相关指标的检验，均符合相关规范要求。通过水胶比 0.37 拌和物凝结时间的测定，满足现场施工需求。经过综合考虑经济性、适用性、工作性、耐久性等方面因素，最终确定机制砂 C35 海工高性能混凝土的理论设计配合比，见表 1。在实际施工过程中，需严格控制进场原材料质量和施工配合比的换算，若发生异常情况，及时停止拌和并查明原因，调整施工配合比，确保浇筑到实体中的混凝土质量符合设计和规范要求。表 1 终选 C35 配合比设计数据强度等级/MPa选用水胶比/(W/B)原材料用量/(kg/m3)水泥（PII 52.5）粉煤灰（F类 II级）矿渣粉（S95）机制砂（04.75mm）粗骨料（525mm）水外加剂C350.37193116777471074140 4.254 河砂、机制砂对比河砂 C35 海工高性能混凝土配合比设计与机制砂 C35 海工高性能混凝土配合比设计数据及性能对比见表 2 和表 3。表 2 河砂 C35 海工高性能混凝土性能参数检测项目扩展度/mm坍落度/mm1h 坍落度损失/mm强度(28d)/MPa氯离子扩散系数(28d)/m2/s氯离子扩散系数(56d)/m2/s实测值5502101049.86.510-122.110-12表 3 机制砂 C35 海工高性能混凝土性能参数检测项目扩展度/mm坍落度/mm1h 坍落度损失/mm强度(28d)/MPa氯离子扩散系数(28d)/m2/s氯离子扩散系数(56d)/m2/s实测值 5352101050.73.610-122.310-12经对比机制砂与河砂 C35 海工高性能混凝土配合比，采用机制砂时，海工高性能混凝土 1h 内坍落度损失与河砂海工高性能混凝土坍落度损失相等，在 1h 内的坍落度可控。采用机制砂海工高性能混凝土的 28d 抗压强度和 28d 氯离子扩散系数会略好于河砂海工高性能混凝土。通过试验所（下转第 187 页）187 b.抗折强度变化情况图 1 混凝土试件 1 和试件 3 的力学性能检测结果从图 1-a 可以看出，抗压强度并非随骨料取代率的增大而加强，也不会因取代率减少而降低，存在一个最优的掺入比例（约为 50%)，当取代率为 50%时，抗压强度达到最佳状态，但如果取代率大于 50%，则会明显降低。从图 1-b 可以看出，试件抗折强度的改变与抗压强度的改变是相似的，并随着取代率的提高，呈现出先上升，达到一定强度后再下降的趋势。其最佳掺量同样出现在 50%左右。从整体上来看，当再生骨料取代率在50%时，不同试件的力学性能均达到了最佳状态，因此，在配制再生混凝土时，要准确把握再生骨料的掺量，避免因再生骨料取代率过高或过低造成试件力学性能的降低，以提升混凝土的应用性能。4 结语虽然在实际工程中，再生混凝土的使用能够符合环境保护和可持续发展理念，然而与天然骨料相比，再生骨料仍存在吸水率高、内部大量微裂纹、破碎指数高、表面密度低等缺点，从而造成了其在力学性能和耐久性上与一般的混凝土材料存在一定的差距，所以，有必要深入探讨其他条件对其力学性能的影响。然而，因为每位学者或研究人员所采用的试验方式和试验所用的资料不一样，导致了研究成果存在较大差异，难以为实际运用提供理论基础。为了有效改善上述问题，本文结合了工程实际配合比，研究了再生混凝土的基本力学性能，为实际工程中的相关应用提供了理论依据。本文通过实际试验得出的相关结论如下：（1）再生混凝土试件的和易性受骨料取代率的影响。通过具体分析可知，二者之间成正相关，即取代率越大、掺量越大，试件的黏聚性越好、和易性越强。反之，则和易性越差，并可能产生少量泌水。（2）再生骨料掺量与试件力学性能之间存在一个最佳值，当取代率为 50%时，试件的力学性能达到最佳。参考文献：1 王兴国,姜茂林,陈旭,等.不同预浸骨料-PVA纤维对再生混凝土力学性能的影响 J.复合材料学报,2022,39(03):1205-1214.2 郭磊,刘思源,陈守开,等.纤维改性再生骨料透水混凝土力学性能透水性和耐磨性研究 J.农业工程学报,2019,35(02):153-160.3 陈旭勇,刘榴,程书凯,等.再生粗骨料品质和掺量对再生混凝土力学性能的影响 J.混凝土与水泥制品,2021(12):89-93.4 王曦.再生混凝土力学性能与抗冻性研究 D.华北水利水电大学,2021.5 姜楠,徐清,张伟.再生骨料掺量对再生混凝土性能和强度的影响 J.科学技术与工程,2010,10(19):4843-4847.涉及的参数都符合现场施工工艺及关于宁上高速海工混凝土使用机制砂有关事项的批复（闽高指建202254 号）、关于宁上高速公路霞浦至福安段工程海工混凝土构件抗氯离子渗透性能检测专题会议纪要（宁澳 J1 监会20229号）、公路桥涵施工技术规范（JTG/T 3650-2020）、普通混凝土配合比设计规程（JGJ 55-2011）、公路工程混凝土结构耐久性设计规范（JTG/T 3310-2019）等规范要求。5 结语本文通过对 C35 机制砂海工高性能混凝土配合比设计和 JC1 工地试验室验证，最终得到相关试验检测数据结果显示，用符合要求的机制砂拌制的 C35 海工高性能混凝土工作性能、力学性能、耐久性能等技术指标均满足设计要求，海工高性能混凝土的细集料拟采用机制砂取代河砂，严格按照施工规范优化配合比设计过程，确定配合比设计方案，将会产生不可估量的经济效益和社会效益。参考文献：1 李军伟,郎贵军,胡鑫,等.材料配合比对机制砂混凝土强度影响的试验研究J.工程建设与设计,2021(17):122-125.2 郭家成.路用机制砂混凝土配合比试验分析 J.交通世界,2020(26):26-28.（上接第 184 页）