机制砂在C50混凝土中的应用研究.pdf

Aug.2023年8 月Shanxi Science&Technology of TransportationNo.4第4期（总第2 8 3期）山西交通科技机制砂在C50混凝土中的应用研究吕子龙，李晓旭，刘小强？（1.山西省交通科技研发有限公司，山西太原030032;2.山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原030032)摘要：为推动机制砂混凝土在山西的应用研究，采用隧道弃渣制备的机制砂来配置C50混凝土，研究水灰比、砂率、石粉含量对C50机制砂混凝土工作性和抗压强度的影响。研究表明：利用隧道弃渣制备的机制砂可以配制出工作性优良、强度合格的C50混凝土；C50机制砂混凝土对水灰比的变化比较敏感，水灰比建议取值0.32 0.34之间；混凝土中砂率的合适范围在41%44%；石粉可以改善混凝土的工作性，并且提高抗压强度，其含量不能超过9%。关键词：机制砂混凝土；隧道弃渣；水灰比；砂率；石粉含量中图分类号：U414.18文献标识码：A文章编号：10 0 6-352 8（2 0 2 3)0 4-0 0 12-0 4Research on Application of Manufactured Sand in C50 ConcreteLU Zilong,LI Xiaoxu,LIU Xiaoqiang?(1.Shanxi Transportation Technology Research&Development Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030032,China;2.Shanxi Transportation Survey&Design Institute Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030032,China)Abstract:In order to promote the application of manufactured sand concrete in Shanxi Province,thispaper used the manufactured sand produced by tunnel waste slag to prepare C50 concrete,and studied theinfluences of the water-cement ratio,sand ratio,and stone powder content on the working performance andcompressive strength of the C50 manufactured sand concrete.The research showed that the manufacturedsand produced by tunnel waste slag could be used to prepare C50 concrete with excellent workingperformance and qualified strength.The C50 manufactured sand concrete was sensitive to the change in thewater-cement ratio,so the water-cement ratio was recommended to be in the range of 0.32 to 0.34.Theproper range of the sand ratio in the concrete was 41%to 44%.The stone powder could improve theworking performance and compressive strength of the concrete,and its content should be below 9%.Key words:manufactured sand concrete;tunnel waste slag;water-cement ratio;sand ratio;stone powdercontent0引言随着经济的高速发展，国家不断加大对桥梁、道路等基础设施的投人，对水泥混凝土的需求逐年攀升。作为原材料的天然砂日益短缺，部分地区又无天然砂可用，远距离运输无疑会增加工程成本。山西地区山脉众多，在道路建设中产生大量隧道弃渣，而利用隧道弃渣就近加工成机制砂应用于工程，既可以解决砂资源短缺的问题，又可以降低建设成本。机制砂作为细骨料在广东、贵州、四川等省份的工程中已经得到大量应用，江丰 将机制砂与特细砂复配取代中砂，掺配矿粉配置的C50混凝土应用在重庆嘉陵江复线桥工程收稿日期：2 0 2 2-12-0 1；修回日期：2 0 2 3-0 6-16作者简介：吕子龙（19 9 3一），男，山西运城人，工程师，工学硕士，2 0 18 年毕业于长安大学道路材料科学与工程专业；李晓旭（19 8 5：），男，内蒙古赤峰人，高级工程师，工学硕士，2 0 11年毕业于西南交通大学岩土工程专业；刘小强（19 8 7 一），男，山西临县人，高级工程师，工学硕士，2 0 13年毕业于中国地质大学（北京）地质工程专业。基金项目：山西交科创新发展计划项目（2 0-JKCF-38）13吕子龙制砂在C50混凝土中的应用研究2023年第4期中；南水北调某标段中应用了不同等级的C10、C 40、C50泵送和非泵送的机制砂混凝土 2 。此外，在我国的一些大型工程中也有机制砂的应用案例，例如三峡水利工程、黄河小浪底工程等。山西省内也开展了对机制砂混凝土的应用研究，罗建国等 3 在忻阜高速建设过程中研究了机制砂质量的影响因素，对机制砂在公路工程中的应用提供了实践参考；吴志俊等 4 将忻阜高速中产生的隧道弃渣制备成机制砂，混凝土每立方节约成本30 元；翟鹏飞5 采用机制砂取代部分天然砂配制的C50粉煤灰机制砂混凝土在G208线夏店互通立交桥成功应用。机制砂在山西省的工程建设多局限于低强度等级混凝土，部分业主对于机制砂应用于高标号混凝土仍心存疑虑。针对上述问题，本文结合工程实际，采用吕梁大万山隧道弃渣制备机制砂，开展C50机制砂混凝土性能试验，探究隧道弃渣机制砂应用于高标号混凝土的可能性，为山西地区隧道弃渣的处理及机制砂的发展应用提供试验参考。1原材料与试验方法1.1原材料a）水泥使用P052.5水泥，购自山西吉港冠宇水泥厂。b)细集料大万山隧道弃渣制备的石灰石机制砂，采用立轴冲击式破碎机生产，其物理性能指标见表1。表1机制砂物理性能指标表观密度/碱集料反应/石粉含量/空率/%细度模数(kgam)%2.680410.063.09c)粗集料该项目采用的5 10 mm、10 2 0 m m级配碎石由吕梁岚县上会村石料厂提供，其性能指标见表2。表2粗集料物理性能指标规格/表观密度/堆积密度/含泥量/泥块针片状压碎坚固空隙mm(kg?m)(kgm)%含量/%含量/%值/%性率%510271514700.502.614.6145.9102027261 4600.303.518.6146.4d)减水剂使用聚羧酸高效减水剂，减水率为31%，由中铁六局公司提供，减水剂掺量为胶凝材料总量的1.4%。e）水拌合用水为自来水1.2试验方法a)落度按照普通混凝土拌合物性能试验方法标准（GB/T500802016）进行测试。b)抗压强度按照混凝土物理力学性能试验方法标准（CB/T50081一2 0 19）进行测试。抗压试件尺寸为150 mm150mm150mm立方体，每组配比成型6个试件，养护至规定龄期后分别测试7 d及2 8 d抗压强度。对静兴高速全线结构混凝土等级统计分析可知，高标号混凝土主要应用于梁体、端横梁、现浇接头、湿接缝、封锚等处，高标号混凝土以C50为主，故本文的研究对象确定为C50机制砂混凝土，C50机制砂混凝土的设计强度为59.9 MPa，落度指标为18 0 2 2 0 mm。本文首先研究水灰比和砂率对C50机制砂混凝土性能的影响，然后固定水灰比和砂率，研究石粉含量对混凝土落度和抗压强度的影响规律，进而为机制砂的生产和推广应用提供理论指导。2结果与分析2.1水灰比对C50机制砂混凝土性能的影响减水剂掺量为1.4%，砂率为43%，水灰比为0.32 时的C50机制砂混凝土配合比见表3。水灰比是决定混凝土性能的主要因素 6 ，固定减水剂和砂率不变，研究水灰比变化对C50机制砂混凝土性能的影响规律，水灰比对混凝土工作性和抗压性能的影响分别见表4和图1。表3C50机制砂混凝土基准配合比水泥/机制砂/碎石/水/减水剂/水灰比砂率/%(kgm)(kgm3)/(kgm3)(kgm)(kgm)0.324346978410411506.57表4水灰比对C50机制砂混凝土工作性能的影响序号水灰比落度/mm工作性10.30192流动性差20.32216良好30.34229良好40.36243泌水70-7d28d65/6055500.300.320.340.36水灰比图1水灰比对C50机制砂混凝土抗压强度的影响从表4来看，水灰比增加，落度逐渐增大，工作性逐渐得到改善。这是因为水灰比增加会导致水泥浆体增多，流动性改善。机制砂混凝土对水灰比的变化比较敏感，水灰比由0.30 增加到0.36 时，落度提高了51mm，水灰比仅变化了0.0 6,混凝土的工作状态由拌合困难发展变化到出现泌水现象，因此C50机制砂混凝土生产过程中不得随意增减用水量，调节用水量时14山西交通科技2023年第4期需在较小的范围内变动。从图1可知，水灰比的变化对C50机制砂混凝土早期抗压强度的影响较大；抗压强度随着水灰比的增加而减少。其原因在于水泥水化并不需要过多的水分，随着水灰比的增大，会导致水化过程产生的孔隙及收缩过程产生的裂纹增多，进而导致混凝土力学性能降低。当水灰比为0.30 时其7 d和28d抗压强度达到最大，但其工作性不佳，不易振捣密实；水灰比为0.36 时发生泌水现象，但其2 8 d强度仍可以达到59.2 MPa。综合分析建议该项目C50机制砂混凝土水灰比取值为0.32 0.34。2.2砂率对C50机制砂混凝土性能的影响水灰比保持0.32 不变，仅改变砂率，研究砂率变化对C50机制砂混凝土性能的影响，砂率对混凝土工作性和抗压性能的影响分别见表5和图2。表5砂率对C50机制砂混凝土工作性能的影响序号砂率/%落度/mm工作性540183泌水严重，包裹性差641195稍微泌水742203流动性良好843216流动性良好944192黏稠，流动性差70r7d28d65F605550454041424344砂率/%图2砂率对C50机制砂混凝土抗压强度的影响由表5可知，当砂率小于41%时，C50机制砂混凝土容易出现离析泌水现象；砂率在41%44%之间其工作性能和抗压强度都能满足设计要求。当砂率为44%时，机制砂混凝土黏稠性增大，流动性降低，虽仍能满足使用要求，为保障良好的工作性，建议C50机制砂混凝土生产过程中砂率不要超过44%。结合图2 可知，随着砂率的增大，C50机制砂混凝土的落度和抗压强度均表现为先增大后减小，其原因在于当砂率较低时，机制砂相对较少，机制砂与水泥胶浆形成的胶凝材料过少，不足以包裹填充粗集料 7 ，就容易发生离析泌水现象，工作性能降低，抗压强度也变差。当砂率偏大时，骨料表面积增加，且机制砂表面粗糙多棱角，粗集料表面的浆体相对减少，造成骨料之间的内磨阻力增大，使得混凝土的和易性变差，影响混凝土的密实性，进而造成抗压强度降低。2.3石粉对C50机制砂混凝土性能的影响机制砂是由母岩经机械破碎而成，在母岩的破碎过程中会产生一定量的石粉，其矿物组成与母岩相同。我国对机制砂中的石粉含量限值规定比较严格，普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准（JGJ52一2 0 0 6）中规定：C55C30混凝土机制砂或混合砂中石粉含量7.0%（M B9%后，石粉含量增加，混凝土黏聚性随之增大，落度逐渐减小；当石粉含量为11%时，混凝土拌合物过于黏稠，流动性较差，拌和困难；石粉含量在5%9%之间C50机制砂混凝土具有良好的工作性。原因在于机制砂由机械破碎成型，相比于河砂棱角众多，内磨阻力增大，需要更多的水泥浆体来包裹，而石粉的细度与水泥相当，随着石粉含量的增加，石粉不仅可以提高水泥浆体总量，而且还可以填充密实骨料之间的空隙，改善C50机制砂混凝土的保水性和黏聚性；但当石粉含量超过一定限度后，石粉的需水量急剧增加，会导致拌合上接第11页）152023年第4期吕子龙机制砂在C50混凝土中的应用研究物过度黏稠影响泵送性，因此C50机制砂混凝土的生产过程中必须严格控制石粉的含量，不宜超过9%。由图3可知，C50机制砂混凝土7 d抗压强度增长迅速，石粉含量3%11%时7 d强度均已超过50 MPa，当石粉含量在5%9%范围内变化时，混凝土2 8 d抗压强度均超过了6 0 MPa，完全满足C50混凝土的强度设计要求；C50机制砂混凝土7 d与2 8 d强度随着石粉含量的提高均出现了先增长后下降的趋势，这与任文莲9 的研究结果相同，机制砂中的石粉含量存在最佳区间，此时各龄期强度最佳，这是因为石粉的引人可以完善混凝土的孔隙结构，提高水化产物与集料界面区的密实度 0 。另外一部分粒度较小的石灰岩石粉可以作为成核剂，促进水化产物Ca(OH),和C-S-H晶体的形成，加速了水化反应过程，因此适量的石粉可以提高混凝土的抗压强度。当石粉含量超过一定限度后，过多的石粉在混凝土中起了惰性作用，同时减小了混凝土中粗集料的骨架作用!,石粉吸收过量的水分导致浆体黏稠度过大，影响了混凝土的密实结构，造成强度降低。3结论本文采用隧道弃渣制备的机制砂来配置C50混凝土，研究水灰比、砂率和机制砂石粉含量对C50机制砂混凝土工作性和抗压强度的影响，通过试验数据分析得出如下结论：a)C50机制砂混凝土对水灰比的变化比较敏感，在混凝土的拌合生产过程中需严格控制用水量的变化，建议C50机制砂混凝土水灰比取值为0.32 0.34之间。b）砂率控制在41%44%之间可以配置得到工作性能优良，力学性能符合要求的C50机制砂混凝土。d)RTFOT脱硫胶粉改性沥青的车辙因子最大，表明老化后的脱硫胶粉改性沥青抗车辙性能相对其他样品最优。从老化方面讲，普通胶粉改性沥青的软化点、旋转黏度均远高于脱硫胶粉改性沥青，脱硫胶粉改性沥青的蠕变速率远高于普通胶粉改性沥青，普通胶粉改性沥青的抗老化性能强于脱硫胶粉改性沥青。参考文献：1黄文元，张隐西.路面工程用橡胶沥青的反应机理与进程控制 J.公路交通科技，2 0 0 6,2 3（11)：5-9.2胡吉良，杜丹超，李晓林，等，硫化胶粉与脱硫胶粉改性沥青性在配合比设计过程中，应避免砂率低于41%的情况；当砂率高于44%时，应注意调整水灰比或者减水剂的掺量，来保证混凝土具有良好的工作性能。c)机制砂中的石粉含量并不是越低越好，石粉可以改善机制砂混凝土的保水性和黏聚性，并参与水化过程提高抗压强度；但石粉含量超过9%后会产生不利影响，因此C50机制砂混凝土的生产中需严格测定每一批次机制砂的石粉含量，控制石粉含量不能超过9%，当石粉含量变化浮动较大时需及时调整配合比。参考文献：1江丰，孟昭富.机制砂配制高性能混凝土在大跨度预应力T型刚构桥中的应用 J.建筑技术开发，2 0 0 3,30（4：4.2 张会芝，刘纪峰.南水北调某标段全机制砂混凝土配合比试验 J.河南科技大学学报（自然科学版），2 0 13，34（1）：6 4-6 8.3 罗建国，荆禄波，梁胜国.浅谈机制砂的制备技术与质量管理 J山西交通科技，2 0 0 9（5）：43-4553.4吴志俊，田瑞芳，赵秀文，等.隧道弃渣在忻阜高速公路中的综合应用 J.公路交通科技（应用技术版），2 0 11，7（4）：11-12.5翟鹏飞.粉煤灰机制砂混凝土在G208线夏店互通立交桥中的应用 J.科学之友（B版），2 0 0 9（2）：2 3-2 4，2 6.6薛翠真，申爱琴，郭寅川，等.基于正交试验的掺CWCPM的小型混凝土配合比优化设计 J.材料导报，2 0 16，30（16)：115-119.7刘秀美.机制砂作混凝土细骨料的研究 D.济南：济南大学，2013.8中国建筑科学研究院.普通混凝土用砂石质量及检验方法标准：JGJ52一2 0 0 6 S.北京：人民交通出版社，2 0 0 7.9】任文莲.浅谈机制砂在水泥混凝土中的应用 .山西交通科技,2 0 17(2):8-10.10李北星，尹立愿，冯紫豪，等.石粉含量对C60机制砂海工混凝土耐久性的影响研究 J.混凝土，2 0 17（10)：16 9-17 3.11解鹏丽.天津地区人工砂在市政工程混凝土中应用技术研究 D.天津：天津大学，2 0 0 8.能研究 J.特种橡胶制品，2 0 14（5）：5-8.3 夏夏娟，吴旷怀，凌宏杰.脱硫过程对废胶粉改性沥青粘度的影响 J.石油沥青，2 0 0 9,2 3（3）：4-6.4吕泉，黄卫东，柴冲冲.Terminal Blending橡胶沥青的特性与应用前景 J.重庆交通大学学报（自然科学版），2 0 14,33（4）：5-7.5 徐全鹏，侯宗良，杨波，等.脱硫胶粉/SBS复合改性沥青的制备与性能研究 J.土木工程,2 0 2 1,10(2)：14-17.6交通部公路科学研究所.公路沥青路面施工技术规范：JTGF40一2 0 0 4 S.北京：人民交通出版社，2 0 0 4.7单双成，陈维勇，刘瑶.改性沥青及其胶浆的黏度与压实温度研究 J.公路，2 0 15，6 0（8)：2 10-2 13.