机制砂在C70自密实混凝土中的应用

许玉辰

摘要：本文主要结合广州中新知识塔工程建设实际，全面阐述C70高强、自密实混凝土钢管柱使用机制砂配制混凝土的配合比设计、原材料选用、工程运用等方面工艺细节，供类似工程结构提供参考。

关键词：机制砂；混凝土配合比设计；自密实混凝土

一、前言

广州中新知识塔位于广州市黄埔区知识城九龙湖北岸，由中、新两国共同合作开发，设计高度达330米，为知识城在建“第一高”项目。其中地下室5层至±0以上11层楼的钢管柱全部设计全部使用C70自密实混凝土填充浇筑。

而在广东地区，一直以河砂为主的自然资源受过量开采、生态环境保护限制，可开采量呈不断下降趋势，除了价格不断攀升，且常常出现有价无货的现象。近年来，广州市政府积极推广机制砂的生产和应用，制砂技术日趋成熟，大部分制砂场所生产的机制砂颗粒级配完整、粒形稳定，质量稳定，是天然砂较好的替代品。因此，使用机制砂生产C70自密实混凝土的工作便成了知识塔工程混凝土的技术关键。

机制砂是经除土处理，机械破碎、筛分制成粒径小于4.75mm的岩石颗粒，相比天然砂，它表面粗糙、多棱角，同时又含有一定量的石粉末。导致使用机制砂生产高强、高流动性混凝土拌合物流动性较差、粘稠度增加的情况，使得混凝土的工作性能大幅度下降。为工程项目的如期顺利开展，针对上述技术要点形成了C70自密实混凝土配合比设计思路，并进行了一系列的试验和调整优化：

二、原材料选用

1、机制砂：使用广州市顺兴石场有限公司的产品。样品为中砂，按级配分属Ⅱ砂，经送第三方机构检测符合混凝土用砂的技术要求，碱活性无潜在危害。具体检测数据见表1所示。

表 1 机制砂的第三方机构检测数据

细度模数	表观密度kg/m3	堆积密度kg/m3	紧密密度kg/m3	紧密密度空隙率 %	吸水率 %	氯离子含量  %	石粉含量  %	MB值 g/kg	压碎指标 %
2.8	2620	1460	1660	37	0.8	0.001	4.8	0.60	11.6

2、水泥：使用英德海螺水泥有限责任公司生产的P.Ⅱ52.5水泥，相关的性能指标见表2所示。

表2 水泥的相关性能指标

比表面积（m2/kg）	标准稠度用水量（%）	烧失量（%）	初凝时间（min）	终凝时间（min）	力学性能				化学性能
					抗折强度Mpa		抗压强度Mpa		三氧化硫（%）	氧化镁（%）	氯离子（%）
					3d	28d	3d	28d
365	25.6	2.2	211	280	6.5	9.2	34.3	56.6	2.16	2.38	0.027

3、粉煤灰：选用广州黄埔电厂的产品，该粉煤灰属于Ⅱ级标准的原状粉煤灰，相关的性能指标见表3所示。

表3 粉煤灰的相关性能指标

细度（%）	需水量比（%）	烧失量（%）	强度活性指标（%）	化学指标		80倍放大镜下观察的情况
				三氧化硫（%）	游离氧化钙（%）
23.5	102	3.36	78	0.83	0.35	呈大量球状玻璃体微珠

4、矿渣粉：使用广东省韶关市曲江区韶钢嘉羊公司S95级矿渣粉，相关的性能指标见表4所示。

表4 矿渣粉的相关性能指标

比表面积（m2/kg）	烧失量（%）	流动度比（%）	活性指数（%）		化学指标
			7d	28d	三氧化硫含量（%）
422	0.52	100	78	103	0.84

5、外加剂：使用广东博众建材科技发展有限公司SPC型缓凝型高性能减水剂，相关的性能指标见表5所示。

表5 外加剂的相关性能指标

规格	减水率（%）	固含量（%）	密度（g/cm3）	PH值	泌水率比（%）	抗压强度比（28d/%）	凝结时间差（初凝/min）	氯离子含量（%）
缓凝型高性能减水剂	38	20.5	1.036	4.8	7	135	+135	0.01

6、微珠粉：使用北京江汉科技有限公司的uffa2.0型微珠，相关检测数据见表6所示。因自密实混凝土需要很大的流动性，C70高强混凝土的胶凝材料多，机制砂的表面粗糙，棱角多，表面积大，在混凝土中颗粒间的绞合力、摩擦力非常大，导致混凝土拌合物黏性很大，流动速度慢，扩展度小。而微珠粉是从粉煤灰中提取的物质，呈圆球状、连续颗粒分布、具有极高硬度的玻璃球体。用于混凝土时，可均匀分布于胶凝材料中，起滚轮作用，大大降低混凝土拌合物的黏聚性，增加密实度、流动性和抗压强度。

表6 微珠粉的相关性能指标

细度（%）	需水量比（%）	烧失量（%）	强度活性指标（%）	化学指标		80倍放大镜下观察的情况（图1所示）
				三氧化硫（%）	游离氧化钙（%）
11.7	91	1.3	98	0.30	0.20	呈大量球状玻璃体微珠

图1、微珠粉在放大镜下的形态

7、碎石：使用清远市铁路石场5-20 mm级配良好的花岗岩反击破碎石，颗粒圆润，含泥量0.2%，泥块含量和针片状含量为0%，压碎指标3.5%，堆积密度1510 kg/m3，表观密度2680 kg/m3。

8、搅拌用水：采用洁净的自来水。

三、配合比的确定

通过不断的试拌、调整验证，包括不同用水量、水胶比、掺合料用量、微珠粉用量、专用减少剂组分调整等等技术措施优化。经时数月试验，多组数据横向对比、总结，取得了良好的效果。混凝土拌合物的流动性、和易性、扩展度、倒桶排空时间等都能满足自密实混凝土的技术要求，同时力学性能、耐久性能也符合国家标准要求。确定配合比见表7所示。

表7 C70自密实混凝土配合比及性能

每立方米材料用量kg/m3									坍落度/mm	扩展度/mm	2h坍落度/mm	2h扩展度/mm	抗压强度（Mpa）
W/B	水	水泥	矿渣粉	粉煤灰	微珠粉	5-20mm石	机制砂	减水剂					7d	28d
0.28	150	359	80	54	43	1041	723	7.50	255	690	250	680	73.5	91.5

混凝土拌合物的倒桶排空时间是5-8秒，流速较快，包裹性好（见图2所示）。由于机制砂表面粗糙，与胶凝材料界面间的黏结力、咬合力大，对混凝土抗压强度有一定的贡献，经过不同批次的材料复核试配，28d的抗压强度始终能保持在设计强度值的120%以上。

图2、混凝土拌合物状态

四、工程应用

广州中新知识塔工程项目主体于2021年6月开始施工，C70钢管柱已经浇筑多批次，（见图3），混凝土在施工现场的和易性、保水性、流动性良好，施工使用情况顺利，钢管柱成型后经超声波检测，无质量缺陷，混凝土28d龄期的抗压强度均符合设计要求。

图3 施工现场情况图示

五、结语

     高强自密实混凝土在我单位首次使用机制砂生产，通过前期的大量试验验证，既解决了混凝土拌合物的流动性、黏聚性能需求又满足力学、耐久性要求。得益于反击破石子的粒形、原状粉煤灰中的玻璃珠体，对混凝土整体性能有很大改善，尤其是微珠粉的加入更是发挥了关键作用。组合各种原材料的优质特性，通过合理的搭配比例，达到了C70自密实混凝土的各种技术指标要求，并成功运用于工程实体结构中。