C50预应力混凝土配制和性能研究

近年来，我国基础建设的速度突飞猛进，混凝土的用量也大大增加。砂石作为混凝土中的主要原料，由于天然砂资源的日益枯竭，国家环保、能耗双控政策的实施，大规模推广机制砂，是保持混凝土行业可持续发展的必然举措[1-2]。但是由于我国机制砂的区域特性，生产工艺，质量控制标准的参差不齐导致机制砂混凝土在应用过程中存在一系列问题，比如级配不良、粒形较差、石粉含量偏高等缺点，为配制高流动性、高耐久性混凝土带来一定的困难[3-4]。为此，论文以云南某高速公路为依托，该项目地处云南高原地区，昼夜温差大，大风气候多，T梁采用C50预应力混凝土，水化热较高，当地无河砂资源，且普通机制砂由于级配不良，石粉含量高，易导致T梁开裂等问题。针对此问题，论文通过水洗机制砂质量控制，配合比设计，研究了不同变量条件下C50预应力混凝土工作性，抗压强度和早期开裂性能的变化规律，获得工作性能、力学性能和抗开裂能力优异的C50预应力混凝土。

1原材料

1.1水泥

水泥为云南弥勒某厂生产的P·O52.5级水泥，性能指标见表1。

1.2掺合料

粉煤灰为云南宣威某公司生产的Ⅰ级粉煤灰，性能指标见表2，矿渣粉为云南某公司生产的S75级矿渣粉，性能指标见表3。

1.3集料

细集料技术指标见表4；粗集料技术指标见表5。

2试验方法

T梁C50预应力混凝土工作性能、力学性能及早期抗裂性能分别根据GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》、GB/T50082-2009《普通混凝长期性能和耐久性能试验方法》进行试验。

3试验结果与分析

3.1砂种类对混凝土性能的影响

在配合比其他参数不变的条件下，改变砂的种类，研究其对T梁C50预应力混凝土工作性能和力学性能的影响规律，试验配合比与结果见表7和表8。根据表8可知，对于混凝土的工作性能，用河砂配制的效果最好，普通机制砂配制的效果最差，而水洗机制砂在两者之间。对于混凝土的抗压强度，用水洗机制砂配制的强度最高，普通机制砂配制的强度最低，河砂配制的混凝土强度在两者之间。这是因为河砂表面光滑、颗粒圆润，且级配合理，所以用其配制的混凝土不仅具有较好的工作性能，而且混凝土比较密实，抗压强度也较高；普通机制砂则是因为中间级配颗粒较少，存在“两头大中间小”的断级配现象，且其表面多棱角，所以用其配制的混凝土工作性能较差，并且由于普通机制砂石粉含量较多，易导致混凝土开裂，级配不良的机制砂造成混凝土孔隙率增加，多重因素的作用下导致混凝土的抗压强度降低；而水洗机制砂其颗粒级配连续，细度模数适中，但因其表面有棱角没有河砂圆润，造成其流动性稍差。另一方面，用其配制的混凝土比较密实，且水洗机制砂表面的棱角性导致其与水泥浆的界面结合力较强，配制的混凝土抗压强度最高。

3.2砂率对混凝土性能的影响

保持其余参数不变，改变砂率，研究水洗机制砂掺量对混凝土工作性和强度的影响，试验结果如表9所示。由表9可知，随着水洗机制砂掺量的增加混凝土的坍落度、扩展度以及抗压强度呈先增加后减小的趋势，水洗机制砂的砂率为40%和42%时，混凝土工作性能较好，砂率为40%时，混凝土的抗压强度最高。这是由于水洗机制砂掺量较小时，在水胶比一定的情况下，砂浆量较少，不能完全包裹粗骨料的表面和填充骨料间的空隙，造成混凝土中粗骨料堆积，空隙率增加，使混凝土的工作性较差，硬化后的混凝土抵抗荷载的能力较低；而随着水洗机制砂掺量的提高，浆体量逐渐增加，在一定范围内可以完全包裹骨料和填充空隙，达到最优掺量，使混凝土的工作性和密实性达到最佳状态，抗压强度也随之增加；但过高的水洗机制砂掺量，在水泥浆体一定时，水泥浆体用于包裹砂颗粒的量增多，可以自由流动的浆体量变少，所以混凝土的流动性变差，另一方面砂率过高时，混凝土中粗集料减少，其骨架作用降低，界面结合力减弱，导致抗压强度有所下降。

3.3矿物掺合料对水洗机制砂混凝土性能的影响

根据上节试验结果，选用水洗机制砂，其余参数不变，改变矿物掺合料的种类和掺量，分析混凝土性能的变化，试验结果见表10。根据表10可知，矿物掺合料掺量增加同时，混凝土的工作性能逐渐变好，而抗压强度随之降低。且粉煤灰对混凝土工作性能的改善要优于矿渣粉，而矿渣粉对混凝土早期强度的作用优于粉煤灰。因为矿物掺合料的加入可以充分发挥其“微集料效应”、“形态效应”，填充于混凝土结构中，改善混凝土的和易性。但粉煤灰微观形态为表面光滑的玻璃微珠，能起到良好的滚珠作用，增强流动性，而矿渣粉的微观形貌是不规则结构，对混凝土工作性的改善弱于粉煤灰[5]。力学性能方面，粉煤灰本身不具备水化硬化的特点，只有在硅酸盐水泥等条件的激发下，才具有强度,且参与水化反应的速度缓慢；而矿渣粉自身能水化硬化，参与水泥水化反应速度快，活性能充分发挥，所以用矿渣粉配制的混凝土早期强度要高于粉煤灰。而水胶比一定时，矿物掺合料掺量增加，水泥用量不断减小，水化反应生成的Ca（OH）2减少，反应速率降低，导致混凝土的抗压强度随矿物掺合料掺量的增加而下降。

3.4水洗砂石粉含量对混凝土抗裂和抗碳化性能的影响

调整水洗砂的石粉含量，分别以2%、5%、7%、10%的掺量进行试验，其余参数不变，根据《普通混凝长期性能和耐久性能试验方法》GB/T50082-2009，选用平板刀口约束法进行开裂试验，结果如图1所示。混凝土的抗水渗性能采用渗水高度法来进行试验，结果如图2所示。由图1和图2可知，当石粉含量增加，混凝土的最大裂缝宽度和单位面积上总开裂面积，以及渗水高度呈先降低后增大的趋势，混凝土抗开裂性能和抗水渗性能在石粉含量为7%时最优。这是由于石粉对混凝土性能的影响是相对的，石粉含量变化时，石粉的“正负效应”强弱也不同[6]。当水洗机制砂中石粉含量偏低时，水洗机制砂整体偏粗，配制出的C50预应力混凝土和易性较差，密实度较低，混凝土内部渗水通道增加，因此抵抗开裂和渗水的能力较弱。但石粉含量过高时，水泥石或界面过渡区中出现游离态的石粉，界面结合力减弱，且石粉也易飘浮于混凝土表面，硬化后在混凝土表面形成软弱层，易引起开裂，增加水和有害离子的侵入风险，从而降低混凝土性能。所以在石粉含量变化的过程中，存在一个最佳的石粉含量，能充分发挥石粉的“填充效应”，可以增加混凝土拌合物的密实度和稳定性，达到增强混凝土抵抗开裂和抵御水及外来有害物质的侵蚀能力。

4工程应用情况

以云南某高速公路为依托，当地无河砂资源，普通机制砂含粉较重，级配不良，因此根据上文研究结果，结合项目昼夜温差大，大风气候多的气候条件，为避免混凝土开裂，采用水洗机制砂搭配粉煤灰，控制石粉含量在7%左右，40%的砂率，粉煤灰掺量为49kg/m3，配制T梁C50预应力混凝土。浇筑期间工作性良好，浇筑完成后对混凝土进行保温、保湿养护，后期对混凝土和实体构件进行检测，采集大量数据，结果表明：试块的3天评定强度为48.6MPa，7天评定强度为55.2MPa，28天评定强度为64.5MPa，28天实体回弹强度为62.2MPa，各项指标满足施工设计要求，且实体构件外观良好，无裂缝、气泡等不良问题产生，如图3所示。

5结论

①用水洗机制砂配制C50预应力混凝土的工作性能介于河砂混凝土与普通机制砂混凝土之间，而力学性能优于其它两种砂配制的同配合比混凝土。②混凝土的坍落度、扩展度以及抗压强度随着砂率的增加呈先增加后减小的趋势，当砂率为40%时，混凝土工作性能和力学性能的综合效果最好。③水洗机制砂配制C50预应力混凝土，使用粉煤灰的综合效果要优于矿渣粉，当粉煤灰掺量为49kg/m3时，效果最佳。④当水洗砂石粉含量为7%时，C50预应力混凝土的抗裂性能和抗水渗性能最好，并成功应用于昼夜温差大，大风气候多的环境中。

参考文献：

[1]刘坤连.水洗机制砂在罗阳高速的研究与应用[J].广东交通职业技术学院学报，2016，015（003）：18-23.

[2]柴天红，邹小平.机制砂混凝土存在的问题及应用探讨[J].江西建材，2021（12）：3.

[3]余胜伟.机制砂混凝土早期开裂及抗水渗透性能影响因素研究[J].湖南交通科技，2021，47（2）：4.

[4]宁朝阳，刘龙龙，胥琳琳，等.国内外机制砂和机制砂混凝土应用技术指标研究[J].交通节能与环保，2021，17（5）：7.

[5]刘超群，李雅楠，鞠知超，等.机制砂应用过程中存在的问题及质量控制措施[J].中国检验检测，2021，29（4）：3.

[6]刘贞鹏，王晶，陆芳，等.机制砂及机制砂混凝土研究应用现状综述[J].黑龙江交通科技，2017（2）：2.

作者：李翔 党飞 张亚峰 单位：云南建投绿色高性能混凝土股份有限公司