机制砂配制泵送防水混凝土的研究和应用.pdf

2 0 1 3年第 1期 1 月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CO NCRE T E AN D C EME NT P RODUC 2 0 1 3 No 1 J a n u a r y 机制砂配制泵送防水混凝土的研究和应用 李 果 ， 白文辉 ( 1 绍兴职业技术学院， 3 1 2 0 0 0 ； 2 绍兴文理学院工学院， 3 1 2 0 0 0 ) 摘要 ： 针对隧道二次衬砌混凝土对 强度要 求较低 ， 对抗渗要 求较 高的情 况 ， 用低成本 的含石粉 机制砂 ，配 制 出 了强度等级为 C 2 5 ， 抗渗等级为 P 8的泵送混凝 土。试验表 明 ， 机 制砂 中石粉含 量为 1 2 1 4 时 ，配 制 出 的 混凝 土 强 度较 高 ； 石粉含量 为 8 一 1 6 时， 能满足使用要求 。 关键词 ： 机制砂 ； 泵送 防水混凝 土 ； 石粉 ； 应 用 Ab s t r a c t ：Ai mi n g a t t h e s i t u a t i o n t h a t t h e l o we r s t r e n g t h b u t h i g h e r p e r me a b i l i t y r e s i s t a n c e r e q u i r e me n t s f o r t h e t u n n e l s e c o n d a r y l i n i n g c o n c r e t e ，t h e C 2 5 p u mp i n g c o n c r e t e wi t h P 8 p e r me a b i l i t y r e s i s t a n c e i s p r e p a r e d wi t h t h e l o w c 0 s t s t o n e p o w d e r ma n u f a c t u r e d s a n d T h e e x p e r i me n t s h o ws t h a t wh e n t h e c o n t e n t o f s t o n e p o wd e r i s 1 2 1 4 ，t h e s t r e n g t I l o f c o n c r e t e i s h i g h e r , a n d w h e n t h e c 0 me n t o f s t o n e p o w d e r i s 8 1 6 ，t h e c o n c r e t e c a n s a t i s f y t h e a p p l i e a t i o n d e ma n d Ke y wo r d s ： Ma n u f a c t u r e d s a n d ； P u mp i n g wa t e r p r o o f c o n c r e t e ； S t o n e p o wd e r ： Ap p l i c a rl o n 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 3l 0 1 7 9 0 4 0前言 现有资料表明， 实际工程 中 C 2 5 C 3 5强度等级 的普通混凝土要占混凝土总用量的 8 0 9 0 _ l J 。隧 道二次衬砌对混凝土强度的要求较低 ， 但对抗渗防 水 的要求较高 ， 且通常要求泵送施工 。在隧道环境 里 ， 随着水的浸入 ， 混凝土会发生冻融破坏 、 溶析性 侵蚀 、 硫酸盐侵蚀 以及钢筋锈蚀等 ， 为 了避免这些 可能的破坏 ， 隧道二次衬砌混凝土宜选用防水型混 凝土 。目前 ， 防水混凝土主要有普通防水混凝土 、 外 加剂防水混凝土和膨胀水泥防水混凝土三种嘲 。对 于外加剂 防水混凝土 ， 使用河砂的配制技术 已经很 成熟 ， 而含有石粉的机制砂由于颗粒形貌和性质与 河砂不同 ， 目前应用在混凝土施工 中的一整套技术 还不是很成熟。尤其是随着当前水泥强度等级的提 高 ， 工程中往往存在使用高强度等级水泥配制低强 度等级混凝土 的情况。机制砂棱角多 ， 如果水泥用 量少就没有足够的浆体包裹集料 ， 混凝土流动性就 难 以达到要求 。对于地处山区、 不能保证河砂供应 的施工单位来说 ， 使用机制砂配制混凝土是必须 面 对的技术问题。 本文 以湖北谷竹高速公路某标 段隧道二次衬 砌采用的防水混凝土为例 ，对河砂 、机制砂+ 粉煤 灰 、全机制砂三种配合 比方案在拌合 物工作性 、 强 度、 抗渗性以及经济方面进行了对比， 并对全机制 砂泵送防水混凝土的配合 比进行优化设 计 ， 最后还 基金项目： 浙江省高校科研计划项 目( Y 2 0 1 2 2 4 2 8 0 ) 。 对机制砂的应用进行 了总结 。 工程实践表 明， 机制砂和石粉是一体而不可分 割的 ，机制砂 的棱角多流动性差可 由石粉来 弥补 。 本 工 程 中 ， 石 粉含 量在 1 2 一 l 4 时混 凝 土 的强 度 最 高， 石粉含量在 8 - 1 6 能达到使用要求。 1 原材料和技术路线 1 1 原材料 细集料 ： 河砂 和机制砂 ， 其 中 ， 机制砂 的原料为 石灰石母岩 ， 细集料的主要性能指标见表 1 。 表 1 河砂与机制砂的主要性能指标 粗集料 ： 石灰石碎石 ， 4 7 5 - 2 6 5 mm连续级配。 水泥 ： P 0 4 2 5级 。 外加剂 ： HL型 防水剂 ， 复合 型 ， 具有一 定 的减 水率。 粉煤灰 ： 级粉煤灰。 水 ： 自来水。 1 2 技术路线 根据设计要求 ， 隧道二次衬砌 防水混凝 土设计 强度等级为 C 2 5 ， 设计坍 落度 1 4 0 1 8 0 mm， 需满足 泵送混凝土要求， 且抗渗等级达到P 8 。 本研究初步拟定的三种方案分别是 ： 用河砂 一 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 1 期 混凝土与水泥制 品 总第 2 0 1 期 作为混凝土细集料 ；采用掺粉煤灰超量取代+ 机 制砂 ； 全部采用机制砂 ， 并优选 出强度最高且抗 渗性能符合要求时的石粉含量及配合 比。 以上三方案的粗集料 、 水泥 、 防水剂均采用相 同型号。 结合本工程特点 ， 对三种方案进行 了技术经济 分析 ： 河砂混凝土 的优点是施工工艺成熟 ， 可供 参考的资料 多 ， 配制 出的混凝土流动性好 ， 易于施 工 ， 强度及质量容易得到保证 ； 缺点是运距远 ， 货源 会 出现季节性不足 ，不能满足施工进度 的要 求 ， 且 价格高 ( 到场价格为 1 8 0元 m ) 。 而当地河砂 由于母 岩为板岩 、 页岩 ， 使砂总体呈现细长扁平颗粒状 ， 压 碎值及粒型极差 ， 并存在过度开采现象 。机制砂 粉煤灰混凝土的优点是混凝土流动性强 ，粘聚性 、 保水性均能得到保证 ， 混凝土前期强度虽低但后期 强度高 ， 且粉煤灰可降低水泥水化热。缺点是粉煤 灰本地最近货源运距为 2 4 0 k m， 且价格高( 平均价格 为 3 0 0元 t ) 。机制砂本地料源丰富， 质量易控制 ， 价格低 ， 到场价格仅为 8 0元 m ， 且通过对机制砂石 粉含量的控制 ， 同样可以配制出和易性好且强度满 足要求的混凝土。其缺点是机制砂细长扁平颗粒偏 多 ， 表面粗糙 ， 棱角性强 ， 级配不 良， 无法整形修复 ， 比表面积大 ， 所需水泥浆多。 货源供应是工程应用 的首要 问题 ， 通过 以上对 比分析 ， 本工程 确定选用机制砂混凝土 ， 并 针对机 制砂的缺点 ， 采取相应的技术措施进行解决 。 2机制砂防水混凝土的配合比设计 2 1 设计思路 按照 J G J 5 5 2 0 1 1 普通混凝土配合 比设计规 程 和 机制砂在混凝 土中应用技术指南 ， 研究水 灰 比、 砂率 、 石粉含量等对机制砂 防水衬砌混凝土 拌合物工作性 、 物理力学性能的影响规律 ， 确定二 次衬砌防水混凝土 的基 准配合比， 并提出原材料 的 控制指标 。 2 2 水灰 比的影响 根据 A b r a ms 的水灰 比定律 ： 对于给定 的材料 ， 混凝土的强度跟灰水比成正 比关系。水灰比的确定 是指导混凝土配合 比设计的核心 ， 为选取合适的水 灰 比，满足配制强度 的同时保证适 当的强度 富余 ， 通过试验 ， 确定机制砂混凝土水灰 比 W C与强度 的 关系。试验配合 比如表 2所示 ，其 中水粉 比里 的 “ 粉” 包括水泥和机制砂中的石粉。 表 2 机制砂 防水混凝土试验配合 比 所测得机制砂 防水混凝土 的强度 与灰水 比的 关系如 图 1 所示 。由图 1 可 以看出 ， 机制砂 防水混 凝土的抗压强度与灰水 比存在 良好 的回归关 系， 相 关性较好 。C 2 5强度等级机制砂混凝土的配制强度 为 3 3 2 MP a ， 为保证满足配制强度要求 ， 同时在配制 4 5 4 O 螽 3 5 暖 墨。0 2 5 2 0 2 O 2 1 灰水 比 图 1 机制砂 防水混凝土强度 与灰水 比的关 系 一 8 0一 强度基础上有合适 的强度富余 ， 2 8 d实际强度在 3 5 MP a左右 比较合适 ， 根据该 回归关 系 ， 选取水灰 比 W C=O 49。 2 - 3 砂率的选择 砂率 的变动会使骨料 的空 隙率 和骨料 的表 面 积显著改变 ， 从而对混凝土拌合物 的和易性产生很 大影响。机制砂混凝土的砂率一般较天然砂混凝土 高 3 - 6 ， 试验时宜按“ 五点法” 进行砂率优选 ， 即 在砂率 的 4 0 - 4 8 范围内每间隔 2 选取一个砂 率进行混凝土拌和物和易性试验 ， 以混凝土和易性 达到最佳为合理砂率 ， 用于泵送的混凝土应相应增 加砂率 。机制砂细度模数越小 、 级配越好 、 石粉含量 越大， 合理砂率越小。在保证混凝土拌和物粘聚性 良好的前提下， 应尽可能选取较小的砂率， 以保证 混凝土的弹性模量和干燥收缩。试验用具体配合比 见表 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李果 ， 白文辉 机制砂配制泵送防水混凝土的研究和应用 砂率对混凝土工作性及抗压强度 的影响如 图 2 和 图 3所示 ， 由图 可见 ： 舟 窆 骥 砂率 图 2 砂率对混凝土抗压强度 的影 响 4 O 4 2 4 4 4 6 4 8 砂率 图 3 砂率对混凝土坍落度 的影 响 ( 1 ) 砂率在 4 6 附近时， 能获得最大坍落度值 ， 同时 2 8 d抗压强度达到最大值 ， 7 d抗压强度最大值 在砂率在 4 4 附近 。 ( 2 ) 砂率对机制砂混凝土 的工 作性影 响较大 ， 而对混凝土抗压强度的影响相对较小 。 综合 以上分析 ， 本工程砂率选取 4 6 ， 混凝土 在获得较好流动性的同时 ， 粘聚性 、 保水性均 良好 ， 是使混凝土和易性达到最佳 的合理砂率。 2 4 石粉含量的影响 按照 J T 厂 r 8 1 9 2 0 1 1 公路工程水泥混凝土用 机制砂 规定 ， C 3 0强度等级以下混凝土所使用机制 砂含量在 MB值合格 时小于 1 0 ，比旧规范 的 7 放宽 ， 但实际生产 出的原状机制砂石粉含量大约在 1 0 2 0 ， 按照规范要求仍然要进行水洗 。 本项 目在 固定用水量条件下 ， 研究 了石粉含量 对低强大流态机制砂混凝土性能工作性 、 力学性能 的影响。固定用水量为 1 7 0 k g m ， 水灰比为 O 4 9 ， 砂 率为 4 6 ， 减水剂掺量为水泥用量的 4 ， 分别使用 石粉含 量为 8 、 1 0 、 1 2 、 1 4 、 1 6 、 1 8 的机制 砂进 行试 验 ，相 应 的水 粉 比分别 为 0 4 0 8 、 0 3 9 2 、 0 3 7 6 、 0 3 6 2 、 0 3 4 9 。 经过试验 ， 得到石粉含量对混凝 土工作和力学性能的影响， 结果见图 4和图 5 。 8 l 0 l 2 1 4 1 6 石粉含量 石粉 含量 对混凝土工作性能 的影 响 图 5石粉含量对混凝 土 2 8 d抗压强度 的影响 由图 4和图 5可以看出 ： ( 1 ) 随着石粉含量 的增加 ， 混凝土 的坍 落度先 增大后减小 ， 石粉含量为 1 2 - 1 4 时坍落度达到最 大 ， 粘聚性 、 保水性呈最佳状态。分析原因 ， 可能 由 于石粉含量较低时 ，仅靠水泥浆体不足 以包裹集 料 ， 浆体偏稀且松散 ， 导致泌水流浆 ； 石粉含量过高 时浆体过粘 ， 导致流动性不足。 ( 2 ) 随着石粉含量增 加 ， 混凝土 的抗压强度 先 增大后减小 ，在石粉含量为 1 2 1 4 时强度最大 。 混凝 土的工 作性直接决定 成型试件的密实度 和均 匀性 ， 工作性好 的混凝土 ， 强度也能达到要求 。这可 一 8 1一 舳 加 加 m 、 密 4 7 6 5 4 3 2 虱 3 3 3 3 3 3 W 越骥坦 加 舳 ， 1 1 g 瓣密 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 l 期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 1 期 能是石粉 的填充作用使混凝 土变得更密实 ， 所产生 的加速效应和活性效应 ， 类似于生产水泥时加入 的 石灰石粉。这在 2 8 d龄期以前表现得更 明显 ， 机制 砂混凝土 的抗压强度 明显高于河砂混凝土 3 1 ， 具体 试 验 数据 见表 5 。 由于所采用 的原状机制 砂石粉含 量在 1 0 2 0 ， 需要进行除粉 ， 采用轮式洗砂机 ， 每 m。 水洗砂 耗水量约为 2 4 m。 ，且污水难以处置。综合分析得 出， 石粉含量在 8 左右时不能满足坍落度要求 ， 机 制砂石粉最佳含量可控制在 1 2 一 1 4 ， 石粉含量在 1 0 1 6 时，混凝土均能达到坍落度和强度要求 。 这个结果是很有应用价值 ，因为在实际工程 中， 原 材料质量 随批次 、 母岩 、 运送 和储存方式 的变化波 动很大 ， 一个绝对的数字无疑会增加实际工程的难 度 ， 而一个范围则使施工单位增加了更多灵活性和 实地可操作性 。 3机制砂 与河 砂对 比试验 在上述试验的基础上 ，固定水灰 比为 0 4 9 ， 外 加剂掺量为胶材用量 的 4 ，采用河砂与石粉含量 1 4 的机制砂进行对 比。由于河砂细度模数较机制 砂小 ， 河砂砂率调整为 4 3 。试验配合 比见表 4 ， 两 种混凝土的工作性能和物理力学性能对比见表 5 。 表 4 河砂与机制砂对 比试验用配合比 3 -1 ( 机 制 砂 ) 3 - 2 ( 河砂) l 8 0 l 5 0 2 44 0 2 40 0 3 0- 2 2 7 6 3 9 1 3 5 8 粘聚性 、 工作性均很好 粘 聚性 略差 ， 工作 性较好 从表 4和 表 5可 以看 出 ： ( 1 ) 水灰 比相 同时 ， 近似掺量 的机制砂混凝 土 比河砂混凝土工作性好 ， 密实度较高。 ( 2 ) 机制砂混凝土 的 7 d和 2 8 d抗压强度 明显 高于河砂混凝土 ， 尤其是 2 8 d抗压强度 比河砂混凝 土 高 9 2 。 通过试验研究水灰 比、 砂率 、 石粉含量 等配合 比设计参数对 C 2 5机制砂 防水混凝土工作性与力 学性 能 的影 响规律 ， 结果 如 下 ： ( 1 ) 优选 出配合 比为 ： 水泥： 水： 机制砂： 碎石 ： 外 加剂= 3 4 6 ： 1 7 0 ： 8 8 0 ： 1 0 3 4 ： 1 3 8 4 ， 其中 W C = 0 4 9 ， 砂率 为 4 6 。 ( 2 ) 石粉含量范围控制在 l 2 1 4 。 由于本工程对二次衬砌 防水混凝土抗渗性 能 要求为 P 8级 ，试验优选出的配合比制作抗渗试件 进行试验 ， 加压至设计抗渗等级 P 8后继续加压 ， 提 高级别至 P I O， 经 8 h后第三个试件仍不渗水 ， 满足 设计要求 ， 说明该机制砂混凝土抗渗性能良好 。 4经 济效 益 使用机制砂配制泵送 防水混凝土成本 下降明 显 ， 每 m 混凝土可节省成本 5 1 8元 ， 本工程 防水混 凝土需 6 6 0 0 0 m ， 共计节约成本 3 4 1 8 8万元 。 一 8 2 5结 语 ( 1 ) 河砂和机制砂颗粒形状 、 级配组成不同 ， 如 按天然砂的配 比方案 ， 机制砂配成的混凝土工作性 难以达到要求 。但机制砂有其 自身的特点 ， 其砂率 要比同等粗细的河砂高 3 一 6 ， 所含石粉可能恰好 弥补了机制砂棱角多级配差 的缺点。 ( 2 ) 机制砂质量随母岩 、 批次波动较大 ， 应根据 试验确定用量。同强度等级 的机制砂混凝土 2 8 d抗 压强度和抗渗性明显高于河砂混凝土。机制砂石粉 的最佳含量为 1 2 - 1 4 ， 石粉含量在 8 1 6 时也 能达到使用要求 。 参考文献： 1 】 h t t p ： w w w s n g y w e o m 【 2 杜倩 混 凝土防水 的必要性 J 1 中国建筑防水 ， 2 0 1 1 ( 1 8 ) 3 蔡基 伟 ， 李 北星 ， 周明凯 ， 等 石粉 对中低强度机制 砂混凝 土性能 的影响【 J 1 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 2 7 3 0 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 1 1 - 2 6 作者简介 ： 李果 ( 1 9 8 1 一 ) ， 女 ， 硕士研究生 。 通讯地址 ： 浙江省绍兴市越城区山阴路 5 2 6号 联系 电话 ： 1 3 7 5 4 3 4 1 3 9 0 E -ma i l ： 8 5 9 2 5 5 9 7q q c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m