C50預應力混凝土配制和性能研究

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近年來，我國基礎建設的速度突飛猛進，混凝土的用量也大大增加。砂石作為混凝土中的主要原料，由于天然砂資源的日益枯竭，國家環保、能耗雙控政策的實施，大規模推廣機制砂，是保持混凝土行業可持續發展的必然舉措[1-2]。但是由于我國機制砂的區域特性，生產工藝，質量控制標準的參差不齊導致機制砂混凝土在應用過程中存在一系列問題，比如級配不良、粒形較差、石粉含量偏高等缺點，為配制高流動性、高耐久性混凝土帶來一定的困難[3-4]。為此，論文以云南某高速公路為依托，該項目地處云南高原地區，晝夜溫差大，大風氣候多，T梁采用c50預應力混凝土，水化熱較高，當地無河砂資源，且普通機制砂由于級配不良，石粉含量高，易導致T梁開裂等問題。針對此問題，論文通過水洗機制砂質量控制，配合比設計，研究了不同變量條件下C50預應力混凝土工作性，抗壓強度和早期開裂性能的變化規律，獲得工作性能、力學性能和抗開裂能力優異的C50預應力混凝土。

1原材料

1.1水泥

水泥為云南彌勒某廠生產的P·O52.5級水泥，性能指標見表1。

1.2摻合料

粉煤灰為云南宣威某公司生產的Ⅰ級粉煤灰，性能指標見表2，礦渣粉為云南某公司生產的S75級礦渣粉，性能指標見表3。

1.3集料

細集料技術指標見表4；粗集料技術指標見表5。

2試驗方法

T梁C50預應力混凝土工作性能、力學性能及早期抗裂性能分別根據GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》、GB/T50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》、GB/T50082-2009《普通混凝長期性能和耐久性能試驗方法》進行試驗。

3試驗結果與分析

3.1砂種類對混凝土性能的影響

在配合比其他參數不變的條件下，改變砂的種類，研究其對T梁C50預應力混凝土工作性能和力學性能的影響規律，試驗配合比與結果見表7和表8。根據表8可知，對于混凝土的工作性能，用河砂配制的效果最好，普通機制砂配制的效果最差，而水洗機制砂在兩者之間。對于混凝土的抗壓強度，用水洗機制砂配制的強度最高，普通機制砂配制的強度最低，河砂配制的混凝土強度在兩者之間。這是因為河砂表面光滑、顆粒圓潤，且級配合理，所以用其配制的混凝土不僅具有較好的工作性能，而且混凝土比較密實，抗壓強度也較高；普通機制砂則是因為中間級配顆粒較少，存在“兩頭大中間小”的斷級配現象，且其表面多棱角，所以用其配制的混凝土工作性能較差，并且由于普通機制砂石粉含量較多，易導致混凝土開裂，級配不良的機制砂造成混凝土孔隙率增加，多重因素的作用下導致混凝土的抗壓強度降低；而水洗機制砂其顆粒級配連續，細度模數適中，但因其表面有棱角沒有河砂圓潤，造成其流動性稍差。另一方面，用其配制的混凝土比較密實，且水洗機制砂表面的棱角性導致其與水泥漿的界面結合力較強，配制的混凝土抗壓強度最高。

3.2砂率對混凝土性能的影響

保持其余參數不變，改變砂率，研究水洗機制砂摻量對混凝土工作性和強度的影響，試驗結果如表9所示。由表9可知，隨著水洗機制砂摻量的增加混凝土的坍落度、擴展度以及抗壓強度呈先增加后減小的趨勢，水洗機制砂的砂率為40%和42%時，混凝土工作性能較好，砂率為40%時，混凝土的抗壓強度最高。這是由于水洗機制砂摻量較小時，在水膠比一定的情況下，砂漿量較少，不能完全包裹粗骨料的表面和填充骨料間的空隙，造成混凝土中粗骨料堆積，空隙率增加，使混凝土的工作性較差，硬化后的混凝土抵抗荷載的能力較低；而隨著水洗機制砂摻量的提高，漿體量逐漸增加，在一定范圍內可以完全包裹骨料和填充空隙，達到最優摻量，使混凝土的工作性和密實性達到最佳狀態，抗壓強度也隨之增加；但過高的水洗機制砂摻量，在水泥漿體一定時，水泥漿體用于包裹砂顆粒的量增多，可以自由流動的漿體量變少，所以混凝土的流動性變差，另一方面砂率過高時，混凝土中粗集料減少，其骨架作用降低，界面結合力減弱，導致抗壓強度有所下降。

3.3礦物摻合料對水洗機制砂混凝土性能的影響

根據上節試驗結果，選用水洗機制砂，其余參數不變，改變礦物摻合料的種類和摻量，分析混凝土性能的變化，試驗結果見表10。根據表10可知，礦物摻合料摻量增加同時，混凝土的工作性能逐漸變好，而抗壓強度隨之降低。且粉煤灰對混凝土工作性能的改善要優于礦渣粉，而礦渣粉對混凝土早期強度的作用優于粉煤灰。因為礦物摻合料的加入可以充分發揮其“微集料效應”、“形態效應”，填充于混凝土結構中，改善混凝土的和易性。但粉煤灰微觀形態為表面光滑的玻璃微珠，能起到良好的滾珠作用，增強流動性，而礦渣粉的微觀形貌是不規則結構，對混凝土工作性的改善弱于粉煤灰[5]。力學性能方面，粉煤灰本身不具備水化硬化的特點，只有在硅酸鹽水泥等條件的激發下，才具有強度,且參與水化反應的速度緩慢；而礦渣粉自身能水化硬化，參與水泥水化反應速度快，活性能充分發揮，所以用礦渣粉配制的混凝土早期強度要高于粉煤灰。而水膠比一定時，礦物摻合料摻量增加，水泥用量不斷減小，水化反應生成的Ca（OH）2減少，反應速率降低，導致混凝土的抗壓強度隨礦物摻合料摻量的增加而下降。

3.4水洗砂石粉含量對混凝土抗裂和抗碳化性能的影響

調整水洗砂的石粉含量，分別以2%、5%、7%、10%的摻量進行試驗，其余參數不變，根據《普通混凝長期性能和耐久性能試驗方法》GB/T50082-2009，選用平板刀口約束法進行開裂試驗，結果如圖1所示。混凝土的抗水滲性能采用滲水高度法來進行試驗，結果如圖2所示。由圖1和圖2可知，當石粉含量增加，混凝土的最大裂縫寬度和單位面積上總開裂面積，以及滲水高度呈先降低后增大的趨勢，混凝土抗開裂性能和抗水滲性能在石粉含量為7%時最優。這是由于石粉對混凝土性能的影響是相對的，石粉含量變化時，石粉的“正負效應”強弱也不同[6]。當水洗機制砂中石粉含量偏低時，水洗機制砂整體偏粗，配制出的C50預應力混凝土和易性較差，密實度較低，混凝土內部滲水通道增加，因此抵抗開裂和滲水的能力較弱。但石粉含量過高時，水泥石或界面過渡區中出現游離態的石粉，界面結合力減弱，且石粉也易飄浮于混凝土表面，硬化后在混凝土表面形成軟弱層，易引起開裂，增加水和有害離子的侵入風險，從而降低混凝土性能。所以在石粉含量變化的過程中，存在一個最佳的石粉含量，能充分發揮石粉的“填充效應”，可以增加混凝土拌合物的密實度和穩定性，達到增強混凝土抵抗開裂和抵御水及外來有害物質的侵蝕能力。

4工程應用情況

以云南某高速公路為依托，當地無河砂資源，普通機制砂含粉較重，級配不良，因此根據上文研究結果，結合項目晝夜溫差大，大風氣候多的氣候條件，為避免混凝土開裂，采用水洗機制砂搭配粉煤灰，控制石粉含量在7%左右，40%的砂率，粉煤灰摻量為49kg/m3，配制T梁C50預應力混凝土。澆筑期間工作性良好，澆筑完成后對混凝土進行保溫、保濕養護，后期對混凝土和實體構件進行檢測，采集大量數據，結果表明：試塊的3天評定強度為48.6MPa，7天評定強度為55.2MPa，28天評定強度為64.5MPa，28天實體回彈強度為62.2MPa，各項指標滿足施工設計要求，且實體構件外觀良好，無裂縫、氣泡等不良問題產生，如圖3所示。

5結論

①用水洗機制砂配制C50預應力混凝土的工作性能介于河砂混凝土與普通機制砂混凝土之間，而力學性能優于其它兩種砂配制的同配合比混凝土。②混凝土的坍落度、擴展度以及抗壓強度隨著砂率的增加呈先增加后減小的趨勢，當砂率為40%時，混凝土工作性能和力學性能的綜合效果最好。③水洗機制砂配制C50預應力混凝土，使用粉煤灰的綜合效果要優于礦渣粉，當粉煤灰摻量為49kg/m3時，效果最佳。④當水洗砂石粉含量為7%時，C50預應力混凝土的抗裂性能和抗水滲性能最好，并成功應用于晝夜溫差大，大風氣候多的環境中。

參考文獻：

[1]劉坤連.水洗機制砂在羅陽高速的研究與應用[J].廣東交通職業技術學院學報，2016，015（003）：18-23.

[2]柴天紅，鄒小平.機制砂混凝土存在的問題及應用探討[J].江西建材，2021（12）：3.

[3]余勝偉.機制砂混凝土早期開裂及抗水滲透性能影響因素研究[J].湖南交通科技，2021，47（2）：4.

[4]寧朝陽，劉龍龍，胥琳琳，等.國內外機制砂和機制砂混凝土應用技術指標研究[J].交通節能與環保，2021，17（5）：7.

[5]劉超群，李雅楠，鞠知超，等.機制砂應用過程中存在的問題及質量控制措施[J].中國檢驗檢測，2021，29（4）：3.

[6]劉貞鵬，王晶，陸芳，等.機制砂及機制砂混凝土研究應用現狀綜述[J].黑龍江交通科技，2017（2）：2.

作者：李翔 黨飛 張亞峰 單位：云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司