前言：本文结合某大桥波形钢腹板箱梁混凝土工程，重点研究了石粉含量对C55机制砂自密实混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能的影响规律，试验结果表明：石粉含量对C55机制砂自密实混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能有显著影响；当石粉含量为6％～8％时，C55机制砂自密实混凝土各方面性能较优。
关键词：机制砂；自密实混凝土；石粉含量
某大桥项目周边优质河砂资源缺乏，所有部位混凝土均采用机制砂进行生产。根据设计要求，其上构波形钢腹板箱梁采用C55机制砂自密实混凝土进行泵送施工。然而相比于河砂，机制砂特有的石粉会对混凝土各方面性能产生显著影响。许多研究表明，石粉含量过高或过低都会对机制砂混凝土的性能造成不良影响。为保证波形钢腹板箱梁施工混凝土的质量，本文通过研究不同石粉含量对C55机制砂自密实混凝土的工作性、力学性和耐久性的影响规律，提出了石粉含量的最佳工作区间，为高标号机制砂自密实混凝土在实际工程中的应用提供一定的指导作用。
1试验
1.1原材料
(1)胶凝材料水泥是山西威顿P.O42.5水泥；粉煤灰是运城恒鑫达建材有限公司的F类I级粉煤灰。
(2)集料砂是宝泰开采矿石场生产的机制砂，级配满足Ⅱ区中砂，细度模数为2.8，含泥量小于0.7％；碎石是芮城县诚磊石料有限公司生产的5mm～20mm连续级配碎石。
(3)外加剂上海华登建材有限公司的星标HP400型聚羧酸高性能减水剂，固含量为27.3％，减水率达到32％。
1.2混凝土配制技术指标
(1)工作性：满足自密实混凝土工作性指标一级要求，其中坍落扩展度为550mm～655mm；坍落度与J环扩展度差值25mm一50mm。
(2)强度：强度等级C55，配制强度≥64.9MPa。
1.3混凝土试验配合比
经过初步理论计算与室内混凝土试拌，确定C55机制砂自密实混凝土试验配合比见表1。
表1 C55机制砂自密实混凝土配合比／(千克每立方米)
1.4混凝土性能检测
(1)根据《自密实混凝土应用技术规程》(JGJ/T283—2012)对机制砂混凝土的坍落扩展度、J环扩展度、V形漏斗时间、T500时间和U箱回填高差等工作性指标进行测试。
(2)根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)对机制砂混凝土的抗压强度和静压弹性模量进行测试。
(3)根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082—2009)对机制砂混凝土的电通量、抗裂性和抗冻性等指标进行测试。
1.5试验方案
为研究石粉含量对C55机制砂自密实混凝土各性能的影响规律，通过筛分和内掺石粉以控制机制砂中石粉含量处于2％～12％范围内。石粉含量以2％为梯度进行取值，具体取值变化范围是2％、4％、6％、8％、10％和12％。按照表1的试验配合比进行混凝土拌合试验，分别研究不同石粉含量对C55机制砂自密实混凝土的工作性能(坍落扩展度、J环扩展度、T500时间、V形漏斗流出时间和U箱回填高差)、力学性能(抗压强度、静压弹性模量)、体积稳定性(抗裂性)以及耐久性(电通量、抗冻性)的影响规律。
2结果分析与讨论
2.1不同石粉含量对自密实混凝土工作性的影响
由图1可以看出，石粉含量分别为6％和8％时，混凝土拌合物的坍落扩展度和J环扩展度分别为645mm／600mm和645mm／610mm，满足C55机制砂自密实混凝土的配制要求，并且经观察均无泌水离析现象。石粉含量小于6％时，混凝土的流动性能较差，存在离析现象。这是由于机制砂内石粉含量较少，细颗粒缺乏，对粗骨料的包裹性能变差，进而导致混凝土和易性变差，出现离析泌水现象。
当石粉含量超过8％时，混凝土拌合物的坍落扩展度和J环扩展度随着石粉含量增加逐渐减小。这主要是由于石粉含量过高，石粉的表面粗糙度较高，对水的吸附能力很强，石粉含量的加入导致机制砂自密实混凝土的需水量大大增加，在用水量不变的情况下，混凝土稠度增加，流动性能变差，进而导致坍落扩展度和J环扩展度减小。
图1 不同石粉含量时的扩展度
图2 不同石粉含量时T500
从图2可以看出自密实混凝土流动到500mm直径所用的时间T500随着石粉含量的增大而逐渐增加。当石粉含量超过10％后，如果继续增加石粉含量，T500将显著降低。石粉含量低于6％时，石粉含量较小时，体系中浆体总量相对较少，集料包裹性能较差，流动性能不良，随着石粉含量的增加，包裹砂浆体积增加，流动性良好；当石粉含量超过8％以后，石粉含量过多，混凝土稠度增大，流动性能不良，尤其是在通过间隙的时候，粗集料之间还有粗集料和钢筋之间的碰撞几率增大，导致了间隙通过性变小。
由图3可以看出混凝土的V形漏斗流出时间在石粉含量为6％～8％时时间最短，并且连续流出且速度均匀，出料口无堵塞现象；随着石粉含量的增加，V形漏斗流出时间呈现出先逐渐减小的变化趋势；当石粉含量超过8％后，V形漏斗流出时间延长，且自密实混凝土流出速度不均匀，开始快后来慢，成不连续状，最后还有粗集料堵塞出料口，混凝土和易性明显达不到自密实效果。石粉含量低于6％时，石粉含量较小时，胶凝材料比例相对较少，集料之间摩擦增加，流动性能不良，流出时间延长。自密实混凝土填充效果如图4所示，石粉含量为6％～8％时自密实混凝土在U形箱中的A室和B室高度一样填充效果良好。
图3 不同石粉含量下V型漏斗时间
图4 不同石粉含量时U型箱高差
2.2不同石粉含量对自密实混凝土力学性的影响
不同石粉含量的混凝土各龄期(3d、7d、28d和90d)抗压强度试验结果如图5所示，从图5中可以看到，混凝土的各龄期抗压强度随石粉含量的增长存在一个最优值。石粉含量存在两方面的作用一方面提高了包裹性砂浆的浆体体积，另一方面降低了机制砂中刚性颗粒的体积率。机制砂的石粉含量较低时，石粉含量的加入可以显著提高混凝土中的浆体体积，随着石粉含量的增加，机制砂自密实混凝土的强度逐渐增大。当石粉含量超过8％时，石粉含量继续增大，机制砂自密实混凝土的强度逐渐降低。这是因为多余的石粉作为不具胶凝特性的“惰性材料”，会破环硬化后混凝土结构密实性与完整性。经过分析认为，C55机制砂自密实混凝土的抗压强度随石粉含量的增长存在一个最优工作区间：6％～8％。静压弹性模量试验结果如图6所示，可以看出混凝土的弹性模量随石粉含量的增长也存在一个最优值。当石粉含量在6％～8％范围时，弹性模量达到最大值，石粉含量过大或者过小则会导致弹性模量的降低。在石粉含量较低的时候石粉颗粒可以填充集料间空隙，改善界面过渡区的密实性，从而提高界面过渡区的粘结强度。但是过多的石粉则会因为石粉的活性比水泥的低而导致界面过渡区的粘结强度下降，从而其弹性模量也变小。
图5 不同石粉含量下抗压强度
图6 不同石粉含量时弹性模量
2.3不同石粉含量对自密实混凝土耐久性的影响
选取不同石粉含量的各试验配比进行混凝土56d电通量测试，以电通量的值来衡量混凝土的抗渗性，具体试验结果如图7所示。从图7可以看出，随着石粉含量的增加，混凝土的电通量先降低后增加。当石粉含量为6％时，电通量达到最小值。
图7 不同石粉含量下电通量
石粉发挥晶核效应，促进水泥早期水化；同时，石粉CaCO3、成分与C3A反应生成水化碳铝酸钙，也会对水泥水化起到促进作用。适量的石粉可以减少混凝土界面过渡区空隙，改善界面过渡区的密实性，从而提高机制砂混凝土的抗渗性能，降低电通量。石粉含量超过8％后，其电通量却有所增大，这是因为石粉作为“惰性材料”几乎不具胶凝活性，多余石粉会对混凝土密实性能产生不利影响，导致硬化混凝土中的毛细管道增加而使电通量增大。选取不同石粉含量的各自密实混凝土配合比制备抗裂试件试件，测试结果如表2示。从图8中可看出随着石粉含量的增加，自密实混凝土的干燥收缩是不断变小的，抗裂性能增强。这是由于石粉的增加使得自密实混凝土内部结构更密实、空隙率减小，从而改善混凝土的体积稳定性能。但是随着石粉含量超过8％后，自密实混凝土的干燥收缩持续增大，抗裂性能降低。这是由于石粉活性低于水泥，多余石粉会对混凝土密实性能产生不利影响，石粉含量的增加，会导致硬化混凝土中的毛细管道增加而使抗裂性能降低。
图8 不同石粉含量下的干燥收缩率
图9 不同石粉含量下抗冻强度损失
图10 不同石粉含量下质量损失
表2 不同石粉含量下混凝土抗裂性
选取不同石粉含量的各试验配比进行混凝土抗冻性能试验，结果如图9和图10所示，分析表明抗冻性能值存在存在一个最优值。当使用石粉含量偏小的机制砂，会使混凝土密实性能较差，导致混凝土骨料外露、空隙率增大，严重影响混凝土的抗冻性能。当使用石粉含量偏大的机制砂，会严重影响混凝土的和易性能，导致混凝土出现离析泌水、包裹性差等问题，同时由于粉煤灰活性较低，不能完全水化成凝胶导致浆体微观密实度不够从而降低了自密实混凝土的抗冻性能。
3结语
石粉含量对C55机制砂自密实混凝土的工作性能、力学强度和耐久性能有着显著影响。通过对这三个参数进行优选，结果表明，对于机制砂自密实混凝土来说都存在一个最优工作区间，即石粉含量为6％～8％，超出此区间机制砂自密实混凝土的服役性能出现不同程度的降低。
< 完 >
