机制砂和细砂在高性能混凝土中的研究.pdf

2 0 1 2年第 1 期 1 月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 2 No 1 J a n u a r y 机制砂和细砂在高性能混凝土中的研究 胡 晓曼 ， 董献 国 ( 安徽省水利科学研究 院， 蚌埠 2 3 3 0 0 0 ) 摘要 ： 针 对安徽 省建筑 用砂 的特点 ， 采 用细河砂 与机 制砂混掺 ， 配 制 C 3 0高性 能混凝土 ， 通过 正交试验 优化 混凝 土配合 比。试验 结果表明 ， 用 6 0 的机制砂与 4 0 的天然细砂作 为细骨料 ， 能 够满足 高性能混凝土的各项技术 指标要 求 ， 与天 然中砂相 比， 其力学性能和耐久性能更 为理 想。 关键词 ： 机制砂 ； 高性能混凝土 ； 正交试验 ； 力 学性 能； 耐久性 Ab s t r a c t ： I n v i e w o f t h e c h a r a c t e r i s t i c o n s a n d u s e d i n c o n s t r u c t i o n i n d u s t r y o f An h u i P r o v i n c e， u s i n g t h e mi x t u r e o f fin e n u r a l s a n d a n d ma c h i n e ma d e s a n d ， t h e h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e o f C3 0 i s p r e p a r e d a n d t h e c o n c r e t e mi x p r o p o r t i o n i s o p t i mi z e d b y o r t h o g o n a l e x p e rime n t T e s t r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h r o u g h t h e mi x t u r e o f 6 0 ma c h i n e - ma d e s a n d a n d 4 0 fi n e n a t u r a l s a n d a s fi n e a g e g me s ，t h e p r e p a r e d c o n c r e t e c a n s a t i s f y t h e v a r i o u s t e c h n i c a l i n d e x e s o f h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e Co mp a r e d wi t h mi d d l e n a t u r a l s a n d ， t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d d u r a b i l i t y o f t h e p r e p a r e d c o n c r e t e a r e b e t t e r Ke y wo r d s ： Ma c h i n e - ma d e s a n d ；Hi g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e ；O rth o g o n a l e x p e ri me n t ；Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ；Du r a - b i l i t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 2 ) 0 1 1 3 0 4 0前 言 长江和淮河两大河流横贯安徽省 内， 过去建筑 用砂主要来 自这两大河流。随着开采量 的增大 ， 河 砂质量 13益下 降 ， 基本 以细砂为主 ， 但高性能混凝 土对建筑用砂提出了越来越高的要求 ， 细砂已不能 满足工程需求 ， 且随着环保力度 的加 大 ， 禁采范 围 越来越广。混凝土长期 以河砂为细骨料的安徽省不 得不探求砂资源的可持续发展 ， 机制砂引起 了越来 越广泛的关注和研究 。就全 国范围来看 ， 使用机制 砂替代河砂 已成 为混凝 土行业 可持 续发展的一种 趋 势 1 - 3 o 机制砂是 由机械破 碎 、筛分 制成 的粒径小 于 4 7 5 mm的岩石颗粒 ， 但不包括软质岩、 风化岩石的 颗粒 ， 由机制砂和天然砂混合制成 的砂为混合砂问 。 安徽省境 内用来生产机制砂的岩石分布 比较广泛 ， 储量丰富， 可缓解河砂紧张状况 5 1 ； 且机制砂可 以就 近开采就地使用 ， 节省运 费 ， 为砂资源的可持续发 展提供一条道路。 本文对省内主要机制砂产 区进行 了考察 ， 不同 产地机制砂性能指标见表 1 。 表 1 安徽省 内机制砂 主要性 能指标 一 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 期 混凝土与水泥制 品 总第 1 8 9期 从表 1可以看出，省内机制砂 以中粗砂为主 ， 这 与其它省份机制砂 的细度模数一致同 。结合省内 建筑用砂 以细砂为主的实际情况 ， 本文采用细砂和 机制砂混掺制得 中砂 ， 以满足高性能混凝土建筑用 砂 的需求 ， 提高混凝 土性能。 1 原材料 水泥： P 0 4 2 5级硅酸盐水泥。 细骨料 ： 六安产细河砂 ， 细度模数 1 8 ， 属区， 颗粒级配见表 2 ； 六安产 中砂 ， 细度模数 2 8 ， 属 区，颗粒级配见表 3 ；机制砂为庐江产 ，细度模数 3 5 ，属 I区，颗粒级配见表 4 ，其 中石 粉含量为 1 O 表 2 天然细砂颗粒级配 粗骨料 ： 巢湖散兵碎石 ， 连续粒级 5 2 5 m m。 粉煤灰 ： 淮南 I 级粉煤灰 。 外加剂 ： 合肥产 中效减水剂 ， 掺量为胶凝材料的 2 3 ， 减水率为 l 3 8 。 以上原材料经过试验 ，其性能指标均符合相应 的规范 、 标准要求。 2试 验方 法 混凝土力学性能按 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 普通混 凝土力学性能试验方法标准 进行 ， 混凝土耐久性能 按 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 普通混凝土长期性能和耐久 性能试验方法标准 进行 ， 其中抗氯离子渗透试验采 用 R C M法进行 ，干缩试验采用 弓形螺旋测微计测 量 。 3 试验结果与分析 3 1 C 3 0高性能混凝土配合比的优选 本试验混凝土配合 比的计算采用重 量法 ， C 3 0 初步配合 比如表 5所示。 以 C 3 0高性能混凝土为研究对象 ， 采用正交试 验优化混凝土配合 比，考察影响混凝土性能的关键 因素， 如表 6所示。 表 5 C 3 0初步配合 比 k m 。 由表 6 正交试验L 9 ( 3 3 可知， C 3 0 混合砂泵送混 凝 土 理 论 最 优 配 比 的 主 次顺 序 为 ：坍 落 度 C 1 B 2 A1 D1 ； 7 d抗压 强 度 A 2 C 2 B 2 D 2 ； 2 8 d抗压 强 度 Al C 2 B 2 Dl 。对混凝土和易性和 7 d 、 2 8 d抗压强 度而言 ， C 2 B 2即砂率 4 1 和外加剂掺量 2 3 是该 试验的最优掺量 。在 以往实际试验 的基础上 ， 粉煤 灰掺量 为 1 5 对 混凝土 的和易性和长期 耐久性起 积极作用 ， 因此 ， 粉煤灰掺量确定为 1 5 。从正交表 可知 ，影响坍落度的顺序从主到次为 ： C B A 一 一 1 4 一 D，影响 7 d 、 2 8 d抗压强度 的主次顺序为 ： A C B D 。由此可以看 出， 因素 D( 细度模数 ) 即机制砂 与河砂的混合 比例在四个因素 中占最次要位置 ， 考 虑到机制砂砂 源广 ，价格便宜且质量可 以人为控 制 ， 将机制砂掺量由 4 0 提高 到 6 0 ， 即细度模数 由 2 6提高到 2 8 。因此 ， C 3 0机制砂高性能混凝土 的最优配 比确定为 A 2 C 2 B 2 D 3 。 3 2 C 3 0混合砂混凝 土与河砂混凝土性能试验结 果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 胡晓曼 ， 董献 国 机制砂和细砂在高性能混凝土中的研究 以正交试验的最优配合 比为基础 ， 将混合砂用 细度模数相同的河砂代替 ， 研究两种混凝土施工性 能、 强度 和耐久性 能 ， 为工程实 际和科学研究提供 参考。 3 2 1 工作性和强度 表 7 、表 8分别为混合砂和河砂混凝土的配合 比、 工作性能与力学性能。 省 内机制砂筛余 0 3 1 5 mm 以下所 占的 比例较 小 ， 仅有 1 0 左右 ， 而天然细砂 的粒径 主要集 中在 0 3 1 5 ra m以下 ，与机制砂复合正好可填补 0 3 1 5 ra m 以下的累计筛余 ， 使细骨料具有 良好 的级配。与此 同时 ， 天然砂可减小机制砂之间的内摩擦力 ， 从 而 获得 良好 的施工性能 ， 因此 ， 混合砂混凝土的和易 性和流动度接近天然中砂混凝土的 ， 甚至工作性能 表 7 混合砂和河砂混凝土配合 比 k g m 更 好 。 混合砂混凝土 2 8 d抗压强度 、 抗折强度和劈裂 强度均高于河砂混凝土 ，其中抗压强度提高 1 2 ， 抗折强度提高 1 0 ， 劈裂强度提高 7 。这是 因为 ： 首先 ， 机制砂表面结构优 于天然河砂 ， 其表面没有 风化层 ， 均是新鲜 的岩 面且棱角 丰富 ， 与水泥浆 的 咬合力增大 ； 其次 ， 机制砂 中含泥量较小 ， 机制砂 中 低强度 的轻物质含量较河砂少 ； 第三 ， 机制砂 中含 有 5 1 5 左右的石粉 ，石粉弥补了机制砂 中细颗 粒偏少 的缺 陷 ， 有效填充 了细骨料 间的孔隙 ， 不但 使混凝土 中的毛细孔得到细化 ， 孔隙率减小 ， 混凝 土更加密实 ，而且改善 了水泥浆与骨料间的粘结 ， 使机制砂混凝土 的断裂能 比同条件下河砂混凝 土 的断裂能大 。同时， 在中低强度等级混凝土中， 石粉 在水泥水化过程 中起到一定的晶核作用 ， 诱导水 泥 水化产物析晶 ， 可加速水泥水化并参与水化物的形 成 7 1 。因此， 机制砂混凝土的抗压 、 抗折、 劈裂强度均 优于河砂混凝土。 3 2 2 耐久性 分别对表 7中的混合砂混凝土和河砂混凝土 做抗 渗性能和干缩性能进行试验研究 ， 其结果见表 9。 一 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 9期 从表 9可以看出， 混合砂混凝土的氯离子扩散 系数为 1 6 2 x 1 0 c m s ，河砂混凝土的氯离子扩散系 数为 1 8 1 x l O 趣 c m s ， 均可满足高性能混凝土氯离子 扩散系数不大于 3 0 0 x 1 0 4 m2 s ( 即 3 x 1 0 趣 c m2 s )的 要求 ， 这表明 C 3 0混合砂混凝土和河砂混凝土具有 较好的抗氯离子渗透性能。混合砂混凝土的氯离子 扩散系数比河砂混凝土的降低 了 1 0 5 ，说明混合 砂混凝 土的抗渗性能 比相同细度模数 的河砂混凝 土抗渗性能好 。这可能是机制砂等量取代河砂后 ， 机制砂中的石粉起到了分散水泥粒子 的作用 ， 使水 泥水化更加均匀 、 一 致 ， 生成的水泥石中有 害的大 孔减少 ， 封闭的小孔增 多 ， 从而改善了混凝 土的孔 隙结构 ， 降低 了氯离子扩散系数 ， 提高 了抗渗性能 ， 增强了抵抗外界侵蚀环境的破坏能力。 从表 9中还可以看 出， 除早期 ( 即 i d 、 3 d ) 河砂 混凝土的干缩值低于混合砂混凝土外 ， 7 d以后河砂 混凝土的干缩值都高于混合砂混凝土的。这可能是 C 3 0混凝土中胶凝材料用量较少 ，机制砂中的石粉 含量相当于增加 了浆体的体积 ， 填补了混凝土骨料 之间的空隙 ， 使新拌混凝土的工作性随石粉含量 的 增加逐步改善 ， 密实度提高 ， 对干缩的抑制能力增 强 。 4结论 ( 1 ) 利用正交试验对 C 3 0混合砂高性能混凝土 配合 比进行优化 ， 试验结果表明 ： 用 6 0 的机制砂 与 4 0 的天然细砂作细骨料能配制出和易性 、 力学 性能良好 的高性能混凝土。 ( 2 ) 通过正交试验得出的混合砂混凝土最优配 比与细度模数相 同的河砂 混凝土进行耐久性能试 验 ， 结果表明 ， 机制砂混凝土的抗 氯离子渗透性能 和干缩性能均优于河砂混凝土 ， 说 明混合砂混凝 土 配合 比进行合理优化后 ， 其耐久性也优于河砂混凝 土 。 一 1 6一 ( 3 )结合实际情况 ， 省内中粗机制砂 和天然细 砂按合适 比例混掺后可以替代河砂配制高性能混 凝土 ， 缓解省 内建筑用砂矛盾 ， 不仅具有一定的经 济性和适应性 ，还 具有一定 的环境效益和社会效 益。由于机制砂的生产不受气候 、 季节的影响， 在生 产工艺上能有效控制 ，因而其性能指标相对稳定 ， 对混凝土拌合物性能 、 力学性能及耐久性能都有明 显改善 ， 有利于提高建筑工程的质量。 参考文献 ： 1 蒋正武 ， 石连 富， 孙振平 用机制砂 配制 自密实混凝土的研 究【 J J 建筑材料学报 ， 2 0 0 6 ， 1 0 ( 2 ) ： 1 5 4 1 6 0 1 2 陈 欣 声机 制 砂在 商 品 混凝 土 中的 应 用工 程 机 械 ， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 1 1 ) ： 7 4 7 5 3 】 徐健 ， 蔡基伟 ， 王稷 良， 等 机制砂与机制砂混凝 土的研究 现状 J 国外建材科技 ， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 3 ) ： 2 0 2 4 4 】 Z h o u Mi n g k a i ， P e n g S h a o mi n g ， X u J i a n ， e t a 1 E f e c t o f S t o n e P o w d e r o n S t o n e C h i p p i n g s C o n c r e t e J 1 J o u rna l of Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 1 9 9 6 ， 1 1 ( 4 ) ： 2 9 - 3 4 5 】 胡 晓曼 ， 彭建 和， 等 水利工 程建设使 用人工 砂的技 术经 济分析 J 江淮水利科技 ， 2 0 0 9 ， 2 2 ( 4 ) ： 2 6 2 7 6 】 方 锐 ， 陈卫兵， 等 重 庆地 区机制砂 的性 能研 究及 工程应 用【 J 交通科技与经济 ， 2 0 1 1 ， 6 3 ( 1 ) ： 2 7 2 9 【 7 】 Z h o u M i n g k a i ， P e n g S h a o mi n g ， X u J i a n ， e t a 1 E f e c t o f S t o n e P o w d e r o n S t o n e C h i p p i n g s C o n c r e t e【 J J J o u rna l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 1 9 9 6 ， 1 1 ( 4 ) ： 2 9 - 3 4 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 1 - 2 0 作者简介 ： 胡晓曼 ( 1 9 7 9 一 ) ， 女 ， 工程 师。 通 讯地址 ： 安徽 省蚌埠市治淮路 7 7 1 号 联 系电话 ： 1 3 8 5 6 9 7 0 9 7 3 E - ma i l ： h u x m0 7 2 7 1 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m