人工砂中石粉含量对碾压混凝土性能的影响.pdf

2 0 1 4年 第 4期 (总 第 2 9 4期 ) Nu mb e r 4 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 4 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 预拌混凝土 READY MD D C0NCRETE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 4 0 4 0 3 3 人工砂中石粉含量对碾压混凝土性能的影响 王立华 1 l 2 ，刘佳 1 l2 ，詹镇峰 。 ( 1 广东省水利水电科学研究院 ，广东 广州 5 1 0 6 3 5 ；2 。 广东省水利重点科研基地 ，广东 广州 5 1 0 6 3 5 ； 3 广州大学 ，广东 广州 5 1 0 0 0 6 ) 摘要 ： 就人工砂中石粉含量对新拌碾压混凝土和硬化后性能的影响进行系统研究 。 研究发现 ， 随石粉含量的增大 ， 碾压混凝 土 的 V C值和单位用水量线性增大 ， 石粉含量每增大 1 0 ， V C值增大 4 6 S ， 单位用水量增加约 7 5 k g m 3 ； 随着石粉含量增大 ， 碾 压混凝土的含气量先减小， 后增大 ， 1 8 最小 ； 随着石粉含量增大， 碾压混凝土的抗压强度 、 抗拉强度和抗冻性能提高， 干缩基本相 等。 水工碾压混凝土用人工砂的石粉含量控制在 2 3 以内在技术上是可行的， 在经济上是合理的。 关键词 ： 水工材料 ；石粉含量；材料试验 ；人工砂 ；碾压混凝土 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 1 1 5 0 4 I n f l u e n c e o f s t on e p o w d e r v on t e n t on t h e p r o p e r t i e s o f ma n u f a c t ur e d s a n d r ol l e d a n d c o m p a c t e d c o n c r e t e WANG Li hu a1 ,2 L U J i a1 ,2 ZHAN Zhe nf e n g ( 1 Gu a n g d o n gRe s e a r c hI n s t i t u t e o f Wa t e r Re s o u r c e s a n dHy d r o p o we r ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 3 5 ， Ch i n a ； 2 Gu a n g d o ngKe yRe s e a r c hBa s e o fW a t e rRe s o urc e s， Gu a ng z ho u 51 0 6 3 5， Ch i na； 3 Gu a n g z h o uUn i v e r s i t y， Gu a n g z h o u 5 1 0 0 0 6， C h i n a ) Abs t r ac t ： Th e i n f l u e n c e o f ma n u f a c t u r e d s a n d s t o ne po wd e r c o n t e n t o n t h e p r o p e r t i e s o f f r e s h a n d h a r d e n e d r ol l e d a n d c o mp a c t e d c o n c r e t e we r e s y s t e ma t i c a l l y s t u di e d i n thi s p a p e r Re s u l t s i n di c a t e tha t ， the s t o ne p o wd e r c o n t e n t i nc r e a s e s b y 1 0 ， the VC va l ue i n c r e a s e s b y 46 S a n d t h e u n i t wa t e r do s a g e i n c r e a s e s by a b o ut 7 5 k g m W i t h the i n c r e a s e o f t h e s t o n e p o wd e r c o n t e nt ， the a i r c o nt e n t o f r ol l e d a n d c o mp a c t e d c o n c r e t e fir s t l y de c r e a s e s an d t h e n i nc r e a s e s wh e n the s t o n e po wd e r c o nt e n t i s 1 8 ， the a i r c o n t e n t i s t h e mi n i mu m W i t h the i n c r e a s e o f t h e s t o ne po wd e r c o n t e n t ， the c o mpr e s s i v e s tre n gt h， t e ns i l e s t r e ng t h and fros t r e s i s t a n c e o f r o l l e d a n d c omp a c t e d c o n c r e t e a r e i m p r o v e d， and the d r y s h r i n ka g e a r e a p p r o xi ma t e l y e q u a 1 I t i s f e a s i b l e i n t e c h no l og y an d r e a s o na b l e i n e c on o my i n e c o no my that we c o n t r o l t he s t o n e p o wd e r c o n t e nt o fma n u f a c tur e d s a n d h y dr a u l i c r o l l e d a n d c o mp a c ted c o n c r e t e wi t h i n 2 3 Ke y w o r d s ： h y d r a u l i c b u i l d i n g ma t e r i a l s ； s t o n e p o wd e r c o n t e n t ； ma t e r i a l t e s t ； ma n u f a c t u r e d s an d ； r o l l e d a n d c o mp a c t e d c o n c r e t e 0 引言 由于基础建设的迅速发展 、 环境保护的压力 以及河砂 资源分布的不均衡， 人工砂在水利工程 中得到广泛应用 。 人 工砂 中石粉 降低碾 压混凝土 的 V C值 ， 增大用水量 ， 对碾 压混凝土 的性能造成影响 ， 因此我 国水利行业 的水工碾压 混凝土施工规范和质量评定标准对其含量都有 明确的限 制。 S L 3 8 1 9 9 2 水利水电基本建设工程单元工程质量等 级评定标准( 七 ) 水工碾压混凝土工程 第 l 】 1 2 条规定 ： 人 工砂 中石粉含量 ( d 0 1 5 m m 的颗粒 ) 含 量的质 量标 准为 6 1 2 。 S L 5 3 1 9 9 4 水工碾压混凝土施工规范 第 2 0 8 条 规定 ： 使用人工砂 时 ， 砂 中石粉含量 ( d 0 1 6 m m 的颗粒 ) 含量宜控制在 8 1 7 为宜 ， 超过 1 7 应经试验论证 。 棉花滩水 电站采用 黑云母 花 岗岩生产 的原状人 工砂 细度模数 2 2 2 8 ， 石粉含量 1 9 2 2 ， 石粉含量 1 6 混凝 土性 能最优 ， 石粉含量 2 1 次之 ， 但优 于石粉含量 1 2 1 J 。 黄丹水电站总装机容量 4 5 万 k W ， 混凝土浇筑约 2 8 万 m ， 人工砂采用 白云质灰岩及 石灰岩 ， 石粉含量控制标准( 1 8 2 ) ， 从机 口抽样 检查抗压强度 1 0 0 0多组 ， 强度合格率大 于 9 5 ， 离差系数小于 0 1 5 ， 强度保证率大于 9 0 c2 J 。 江垭 碾压混凝土大坝施工人工砂石粉含量达到 2 3 ， 大朝 山电 站人工砂石粉含量超过 2 2 圆 。 中国工程院院士谭靖夷提出 “ 碾压混凝土必须使用高石粉含量 的砂子” 。 因此 ， 对于人 工砂 中石粉在碾压混凝土 中的作用及其限值值得进一步 研究和探讨 。 1试 验 1 1 原材料 水泥为韶关昌山水泥厂有限公司生产 ， 粤海牌中热 硅 酸盐水泥 ， 强 度等级为 P MH 4 2 5级 ， 主要性能指标 见 表 1 、 2 。 粉煤灰为韶关市松尧环保建材有 限公司的 I 级粉 煤灰， 检验结果见表3 。 细集料为乐昌峡水利枢纽工程将军 收稿 日期：2 0 1 3 1 0 - 1 2 基金项 目：广东省水利科技创新项 目( 2 0 0 6 1 0 ) ； 乐昌峡水利枢纽工程管理处资助 l 1 5 山砂石场生产的石灰岩人工砂 ， 级配属 I I 区 ， 检验结果 见 表 4 、 5 。 粗集料为广东省乐 昌峡水利枢纽工程将军 山砂石 场生产 的石灰岩碎石 ， 物理性能指标分别见表 6 所示。 减水 剂为建标 F D N 4 4 0 T ， 萘系高效减水 剂 ， 掺量为 1 3 ； 引气 剂掺量 0 8 。 1 2配合 比 粗 骨料 为 灰岩 碎石 ， 三级 配 ， 经过 水 洗 ， 其 组 成 为 5 2 0 m m 占 3 0 、 2 0 - - 4 0 m m 占 4 0 、 4 0 8 0 mm 占 3 0 。 人工砂 石粉含量为 1 1 、 1 5 、 1 8 、 2 2 。 混凝 土配合 比 见表 7 。 表 1 水泥物理力学性能试验结果 细度( 0 0 4 5 m m筛余 ) 需水量比 烧失量 三氧化硫 含水率 种类及规格 表观密度 饱和面干表观密度 堆积密度 吸水率 含泥量 压碎指标 针片状含量 ( k g m ) ( k g m3 ) ( k g m3 ) 2试验 结 果 2 1 石粉含量对 VC值 的影响 碾压混凝 土的特定施工方法要求其拌合物必须具有 适 当的工作度 ， 既能承受住振 动碾在上行走不陷落 ， 也不 能拌合物 因过于干硬使振动碾难 以碾压密实 。 碾压混凝土 拌合物的工作度采用 V C试验方法测定 。 我国碾压混凝土 施工规范规定V C的取值范围一般为 5 1 5 s ， 近年来不少工 程为解决碾压混凝土施工过程中的层面结合问题， 倾向于 选择较低的 V C值 ， 甚至低于 5 S 。 由图 1 可见， 采用2 配合比， 随石粉含量的增大， 碾压 混凝土V C值增大， 呈线性关系， 相关性良好。 当石粉含量在 1 1 2 2 范围内， 石粉含量每增大 1 0 ， V C值增大 4 6 S 。 石粉颗粒细微 ， 比表面积大 ， 润湿表面所需水分多 ， 导致碾 压混凝土的工作性降低， V C值增大。 碾压混凝土 V C值一 人T砂石粉含量 h 关系式 ： 1 1 6 l U l 2U 2 石粉含量 图 1 石粉含量对碾压混凝土 V C值 的影响 VC= O 4 6 h一 2 - 3 ( 1 ) 式 中： c 碾压混凝土工作度 ， S ； 人工砂中石粉含量 ， 。 2 2 石粉含量对单位用水量的影响 由图 2 可见 ， 随石粉含量增大 ， 为达到相 同的 V C值 ， 碾压混凝 土单位用水量逐渐增大 ， 呈线性关系 ， 相关性 良 好 。 石粉每增加 1 0 ， 单位用水量增加约 7 5 。 石粉颗粒细 8 6 4 2 、 u 宕 、 * 芷 舟 石 粉 含 量 ， 图 2 石粉含量对碾压混凝土单位用水量的影响 微， 比表面积大， 润湿表面所需水分多， 为了使碾压混凝土 的 V C不变， 就需要增大单位用水量 。 碾压混凝土单位用水 量 一 人工砂石粉含量 h 关系式 ： W= O 7 5 h + 7 8 9 ( 2 ) 式 中： 碾压混凝土单位用水量 ， k g m 。 2 3 石粉含量对湿表观密度及含 气量的影响 由于抗冻性的要求 ， 碾压混凝土需要有一定的含气量。 由图 3可知 ， 采用 2 配合 比， 随着石粉含量增大 ， 碾压混凝 土的含气 量先减小 ， 后增大 ， 石粉含量 1 5 时 ， 含 气量 最 大 ， 2 2 次之 ， 1 8 最小 。由于碾压混凝土的表观密度随着 含气量增 大而减小 ， 因此 随着石粉含量增大 ， 碾压混 凝土 表观密度 先增大 ， 后减小 ， 石粉含量 1 8 时 ， 表 观密度 最 大 2 2 次之 ， 1 5 最小 。 3 - 0 2 5 芝 2 0 寸 1 O O 5 0 图 3 2 50O 1 5 1 8 22 石粉含 量 ， 石粉含量对碾压混凝土含气量的影响 l 5 l 2 2 石 粉含量 ， 图 4 石粉含量对碾压混凝土表观密度的影响 2 4 石粉含 量对抗 压强度 的影响 由图 5 可知 ， 当砂率 、 胶凝材料用量及水胶 比一定 时 ， 随着砂 中石粉含量增大 ， 碾压混凝土抗压强度提高 。 因为 人工砂的石粉， 增加了容易液化的浆体数量 ， 使混凝土拌 合 物易于振 碾密实 。 石粉在 硬化后 的混凝 土 中充 当微 集 料 ， 对混凝 土强度起改善作用 。 有学者认 为 ， 石灰石粉虽 不 具有火 山灰效应 ， 但与铝相反应形成 A F m5 - 7 1 。 还 有研究认 为， 一方面石粉 中的 C a C O 参 与 A ， C的水化反应生成水化 碳铝酸钙 ( C A C a C O 1 1 H 0) ， 阻止钙矾石 向单硫型转化 ， 囱 粉 舍 量 图 5 石粉含量对抗压强度的影响( W C = O 5 5 ) 另一方面石粉起着 晶核作 用 ， 诱 导水化产 物析 晶 ， 加速水 泥水化嘲 。 另外 ， 试 件成型时 ， 振动时间为 V C值 的 2 倍 ， 各 组试件的振动时间不一致 ， V C值大的试件振动时间较长 ， 可能会导致混凝土抗压强度偏高 。 研究表明， 随着成型振动 时间延长 ， 碾压混凝土的密实度提高 ， 抗压强度有所增大 ； 但若振动时间过长， 碾压混凝土的抗压强度反而有所降低。 这主要是由于过振 ， 灰浆 析出过多 ， 造成 内部灰浆减小 ， 骨 料分层 ， 影 响抗压强度。 2 5 石粉含量对劈裂抗拉强度的影响 由图 6 可知 ， 当水胶比相同时 ， 随着石粉含量增大 ， 2 8 、 9 0 d 龄期碾压混凝土劈裂抗拉强度增大 ， 呈线性关系 ， 相关 性 良好 。 当石粉含量 由 1 5 增大到 2 2 ， 2 8 、 9 0 d 抗压强度 和劈裂抗拉强度约增大 1 0 。 混凝土的抗拉强度与抗压强 度具有相关性 ， 石粉在增大碾压混凝土抗压强度的同时 ， 也 增大其抗拉强度。 -i 5粉 售 量 图 6 石粉含量对劈拉强度的影响 2 6 石粉含 量对干燥收缩 的影响 混凝土试件成型后 4 8 h 拆模 ， 并测试试件长度作为试 件基准长度 ， 并 以此 为起点计算测试龄期 ， 以进入干缩室 ( 温度 ( 2 0 2 ) 、 湿度 ( 6 0 5 ) ) 作为起点计算干缩龄期 。 收缩变形为正 ， 膨胀变形 为负 。 碾压混凝土 由于用水量少 ， 胶凝材料用量不 多 ， 且掺 有较大 比例 的粉煤灰 ， 因此 其干缩 远低 于常态混凝 土。 常 态混凝土 2 8 d 干缩率一般为 3 0 0 x l O 4 - 5 0 0 x l O ； 掺粉煤灰 的碾压混凝 土 2 8 d 干缩率一般为 1 3 0 x 1 0 2 5 0 x 1 0 4 o 但值 得注意 的是 ， 碾压混凝土的早期( 7 d内之 内) 干燥 收缩较 快。 因为在这个阶段， 碾压混凝土内凝胶体较少、 毛细孔较 发达 ， 混凝土 的强度 较低 。 因此 ， 施工过程中应加强养护 、 防止干缩裂缝出现 。 由图 7可知 ， 随着龄期增长 ， 碾压混凝土干缩早期增 长快 ， 3 0 d龄期后趋缓 ， 但到 9 0 d龄期 时， 混凝土干缩仍在 继续。 当混凝 土配合 比相同 、 人工砂石粉在 1 5 2 2 范围 11 7 0 O 0 O 0 如 如 ， l l 一 一 、 糖鼷 3OO 25 0 。 1 50 l O0 5 0 0 2 0 4 0 6 0 8 O 1 0 0 浸泡龄期 d 图 7 石粉含量对干缩的影响( W C = O 5 5 ) 内时 ， 随着人工砂石粉增大 ， 碾压混凝土干缩基本相等 ， 可 见碾压混凝土干缩值基本不受人工砂石粉含量的影响。 2 7 石粉含 量对抗 冻性能的影响 随着碾压混凝土筑坝技术的发展， 越来越多的工程直接 把碾压混凝土用作水工建筑物 的外部混凝土。 寒冷和严寒 地区使用碾压混凝土作为水_ T 二 建筑物的外部混凝土必须考 虑其抗冻性。 由表 8 可知 ， 综合质量损失率和动弹性模量相 对值来看 ， 随着人工砂 中石粉含量增大 ， 碾压混凝土抗冻性 能有所提高。 当水胶 比为 0 5 5 ， 碾压混凝土石粉含量 1 5 2 2 时 ， 人工砂碾压混凝土的抗冻强度等级均可达到 F I O 0 。 表 8 不同石粉含量碾压混凝土冻融情况 2 8 碾压混凝土用人 工砂 石粉含量 限值 的探讨 从国内人工砂生产的现状看 ， 未经处理的人工砂石粉 ( 0 1 6 m m) 含量一般为 1 3 2 3 。 当人工砂 中石粉含量 较 高时 ， 降低石粉含量的方法是洗砂机水洗 ， 但脱水后料 堆 易结块 ， 必须使用机械作业 ( 倒仓 ) 才能从放料 口放 出。 且湿法制砂工艺用水量大 ， 每生产 1 m 人工砂需 4 m。 水 ， 生产量小 ， 生产过程损耗大 。 洗砂不仅增加生产工序 ， 而且 浪费大量水资源 ， 污染环境 ， 占用土地 ， 消耗能源和劳动力 ， 减小产量 ， 增大生产成本 ， 降低 了人工砂生产企业的效益。 人工砂 中石粉每增加 1 0 ， 保持相 同的 V C值 ， 碾压 混凝土单位用水量约增加 7 5 k g ， 保 持水灰 t L ( O 5 5 ) 不变 ， 相应增加胶凝材料用量约 1 3 5 k g ； 当设计强度等级相同时 ， 上接第 1 1 4页 与粉煤灰用量合计 3 0 的质量比的要求( 大于 8 0 0 k g m ) ， 可享有营业税全面的政策优惠， 具有最低的综合材料成本。 2 0 1 1 年 7 月开始生产实际使用铁尾矿混合中砂， 至 2 0 1 2 年 l 2 月已达到 3 5 0 万 t 的用量， 生产预拌混凝土近 4 0 0 余万 m ， 取得了优 良的技术和经济效益。 4结论 ( 1 ) 使用 0 5 ml T l 尾矿粗砂与 0 3 m m 的尾矿细砂搭 配 ， 可以生产 出符合泵送混凝土要求的 I I 区混合 中砂中砂。 ( 2 ) 试验结果表明， 使用混合中砂的混凝土强度高于天 然中砂， 在保湿养护的条件下， 混合中砂的混凝土收缩更小。 1 1 R 由于石粉的增强效应约可节约胶凝材料 1 3 k g ， 两相抵消 ， 胶凝材料基本不变 ， 碾压混凝土的生产成本 相当。 石粉增 加 了浆体 ， 改善 了碾压混凝土的可碾 性和施 工性能 ， 改善 层 间结合 和施工质量 ， 降低 了施T成本 ， 也可增加施工单 位 的效益 ， 改善 了抗冻性能和抗渗性 能 ， 对混凝 土的耐久 性有利 ， 因此 ， 日前水丁碾压混凝土用人工砂 的石粉含量 控制在 2 3 以内在技术上是可行 的， 在经济上是合理。 3结 论 碾压混凝土 的 V C值 和单位用 水量随石粉含量 的增 大而线性增大 ， 相关系数接近 l 。 石粉含量每增大 1 0 ， V C 值增大 4 6 S ， 单位用水量增加约 7 5 k g m 。 随着石粉含量增大 ，碾压混凝土的含气量先减小 ， 后 增大 ， 石粉含量 1 5 时 ， 含气量最大 ， 2 2 次之 ， l 8 最小。 随着石粉含量增大 ， 碾压混凝土表观密度先增大， 后减 小 ， 石粉含量 1 8 时， 表观密度最大， 2 2 次之 ， 1 5 最小。 随着 石粉含量增大 ， 碾压混凝土 的抗压强度 、 抗拉强 度和抗冻性能提高 ， 干缩基本相等。 参考文献： 1 李兴贵 高石粉含量人工砂在混凝土中的应用研究l J l _建筑材料 学报 ， 2 0 0 4 ， 7 ( 1 ： 6 6 7 1 【 2 谭克忠 黄丹水电站人工砂石粉限值探讨及使用总结l J 1 四川水 利发电， 1 9 9 8 ， 1 7 ( 3 ) ： 4 4 4 5 、 8 9 3 】 路文典 人工砂石粉含量超标对常态混凝土性能的影响试验研 究l J 1 山西水利科技 ， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 6 3 6 7 4 徐健， 蔡基伟， 王谡良， 等人工砂与人工砂混凝土的研究现状l J J 国外建材科技， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 3 ) ： 2 0 2 4 【 5 】B ON AV E T T I V L ， I R AS S AR E F T h e E f f e c t o f S t o n e D u s t C o n t e n t i n S a n d J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 4 ， 2 4 ( 3 ) ： 5 8 0 5 9 0 【 6 】B ON AVE T T O V L， RA L HHA L V F， I RA S S A R E F S t u d i e s o n t h e e a r b o a l u mi n a t e f o r ma t i o n i n l i me s t o n e fi l l e r - b e l e n d e d c e me n t s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 1 ( 3 1 ) ： 8 5 3 8 5 9 7 P OP P E A M, S C HUT T E R G D C e me n t Hy d r a t i o n i n t h e p r e s e n c e 0 f h i g h fi l l e r c o n t e n t s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h 2 0 0 5 ( 3 5 ) ： 2 29 0 - 2 2 99 8 1 Z HO U Mi n g k a i ， P E NG S h a o mi n g ， XU J i a n， e t a 1 E f 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 o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s e t y o f T e c h n o l o g y ( M a t e r i a l s S c i e n c e s E d i t i o n ) ， 1 9 9 6 ， 1 1 ) ： 2 9 3 4 作者简介 联 系地址 联系电话 王立华( 1 9 7 2 一 ) ， 男 ， 高级工程师。 广州市天河区天寿路 1 1 6 号 广东水利大厦 B座 1 1 0 2 室( 5 1 0 6 3 5 ) l 3 92 4 0 7 6 72 8 ( 3 ) 大规模产业化应用结果证 明 ， 与天然 巾砂相 比混 合 中砂 的含石 、 含粉量波动小 ， 显著改善混凝土拌合物和 易性 的稳定性 ； 混凝土标养试块强度平均值上升 ， 标准偏 差降低， 强度保障率大幅提高。 ( 4 ) 采用尾矿混合 砂生产混凝 土 ， 可满足资源综合利 用政策 的要求用量 ， 综合材料成本显著降低。 作者简介： 陈旭峰( 1 9 6 2 一 ) ， 男， 教授级高工， 从事水泥混凝土技 术研发和生产质量管理工作。 联系地址： 北京市石景山区金鼎北街 6 9 号金隅大厦 北京建筑 材料科学研究总院有 限公 司( 1 0 0 0 4 1 ) 联系电话 ： 1 3 9 0 1 0 7 0 7 4 3