马 冬 哲

(北方工业大学土木工程学院，北京 100144)

0 引言

自密实混凝土(Self-Compacting Concrete,SCC)具有很高的流动性、匀质性和钢筋穿透性能，工作性能强于普通混凝土，在实际工程中有巨大的应用[1,2]。自密实混凝土往往采用天然砂作为细骨料，随着天然砂的匮乏，越来越多的工程开始使用机制砂，可以解决资源短缺问题。机制砂石粉含量高、级配较差、细度模数偏大，导致机制砂自密实混凝土稳定性较差，对自密实混凝土的工作性能有较大的影响。因此优化配合比，降低混凝土的造价和选材要求，改善机制砂自密实混凝土的工作性能是一个非常重要的问题[3]。混凝土的工作性能通常采用坍落扩展度、V漏斗、L形箱试验来共同评价[4]。通过本次试验，在满足混凝土工作性能和强度要求的前提下，降低自密实混凝土的材料成本，降低工程造价[5]。

1 试验概况

1.1 试验原材料

试验采用P.O42.5级水泥，密度为3.27 g/cm3；Ⅰ级粉煤灰密度为2.41 g/cm3，Ⅱ级粉煤灰密度为2.33 g/cm3；细骨料采用机制砂，细度模数为2.42，属于Ⅱ区中砂，表观密度为2.54 g/cm3，石粉含量为9.3%，石粉密度为2.5 g/cm3；粗骨料级配为粒径5 mm～10 mm掺量60%，粒径10 mm～19 mm掺量40%，混合石子表观密度为2.78 g/cm3，堆积密度为1.53 g/cm3；减水剂采用聚羧酸高效减水剂，减水剂与保塑剂的比例为1∶4。其中各原材料的成本如表1所示。

表1 混凝土各原材料成本 元/t

1.2 机制砂SCC工作性能试验

SCC研究的重点之一就是保证SCC拌合物的工作性能，国内外开发的许多测试方法中，通常采用坍落扩展度与V漏洞试验、L形箱，我国协会标准中对SCC的工作性能评价指标如表2所示[6]。

表2 机制砂自密实混凝土工作性能评价指标

1.3 机制砂自密实混凝土配合比

采用基于净浆流变阈值理论的自密实混凝土配合比设计方法，混凝土配合比见表3，其中水粉比为水与粉体材料的体积比；砂率为砂与砂浆的体积比；粉煤灰掺量指的是胶凝材料体积不变的前提下，粉煤灰与胶凝材料的体积比。

表3 机制砂自密实混凝土配合比(一)

对本组机制砂自密实混凝土进行坍落扩展度、V漏斗、L形箱、扩展度经时损失、强度检测试验，其工作性能参数和强度如表4所示。

表4 机制砂自密实混凝土工作性能和强度(一)

结合表1的混凝土原材料成本，经过计算，按照此配合比进行试配，一方混凝土的价格为369元，其扩展度、0.5 h扩展度损失、L形箱比例、V漏斗时间均满足工作性能评价指标。28 d强度为43.8 MPa，强度偏高，进一步优化考虑增加石子掺量[7]，可以降低胶凝材料的用量。

2 配合比优化

本次试验的目的是在满足混凝土工作性能评价指标和强度的需求下，优化混凝土的配合比，降低每方混凝土的成本，将试验编号1中的石子掺量由300 L/方增加到330 L/方，其余各参数保持不变，优化后的机制砂自密实混凝土配合比如表5所示，试验参数如表6所示。

表5 机制砂自密实混凝土配合比(二)

表6 机制砂自密实混凝土工作性能和强度(二)

经过计算，第2组混凝土的成本为364元/方，相较于第1组，每方混凝土节省了5元，且有效降低了强度，满足C30混凝土的强度要求。第2组混凝土的流动性能降低，但是满足机制砂自密实混凝土的工作性能评价指标。V漏斗时间较长，混凝土的匀质性较差，考虑将石子级配由小石子∶中石子=6∶4调整为小石子∶中石子=4∶6，同时将Ⅰ级粉煤灰替换为Ⅱ级粉煤灰，增加混凝土的匀质性[8]，且降低混凝土的成本。第3组混凝土的配合比如表7所示，混凝土的工作性能和强度参数如表8所示。

表7 机制砂自密实混凝土配合比(三)

表8 机制砂自密实混凝土工作性能和强度(三)

第3组混凝土的成本仅为358元，每方混凝土较第2组可以节省6元，强度略有上升，混凝土的扩展度降低，V漏斗时间减少，均满足混凝土的工作性能要求。本组混凝土的扩展度仅为620 mm，虽然满足指标要求，考虑到这一批Ⅱ级粉煤灰活性较差，吸水性比较大，导致混凝土的流动性略有降低，且保塑性能较差。将减水剂掺量增加至1.1%，增加混凝土的流动性能和保塑性能。优化后的混凝土配合比如表9所示。

表9 机制砂自密实混凝土配合比(四)

第4组混凝土的工作性能和强度如表10所示。

表10 机制砂自密实混凝土工作性能和强度(四)

本组混凝土的成本为359元/方，流动性能和保塑性能大于第3组混凝土，强度略有减小，满足混凝土的工作性能要求。为了进一步减小混凝土的成本，将第4组混凝土中的砂率由45%调整为47%[9]，减小胶凝材料的用量，调整后的混凝土配合比如表11所示，工作性能和强度如表12所示。

表11 机制砂自密实混凝土配合比(五)

表12 机制砂自密实混凝土工作性能和强度(五)

通过比较，本组混凝土的成本为355元/方，均小于以上4组混凝土，且流动性、保塑性，强度均满足C30混凝土的要求。相较于第1组基准配合比的混凝土，每方混凝土节省了14元，成本较为可观。

3 结语

本研究在机制砂自密实混凝土的基准配合比基础上，通过调整混凝土的水粉比、减水剂掺量、粉煤灰、石子掺量、石子级配、砂率，从而得到满足自密实混凝土工作性能评价指标和强度要求的混凝土配合比，得到以下结论：

1)优化后的混凝土较基准配合比的混凝土，每方混凝土成本减小了14元，从而减少了工程造价。

2)小石子∶中石子由6∶4调整为4∶6，混凝土的流动性能和匀质性有所提高。

3)增加每方混凝土的石子掺量、砂率，虽然强度有所下降，但是可以有效减小胶凝材料的用量，从而减小混凝土的成本。