机制砂级配对混凝土性能的影响规律与作用效应.pdf

2 0 1 3 年 第 1 期 (总 第 2 7 9 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 7 9 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 3 0 1 0 2 1 机制砂级配对混凝土性能的影响规律与作用效应 艾长发 ，彭浩 ，胡超 z ，周永武 s ，屠凌波 。 ( 1 西南交通大学 道路工程四川省实验室，四川 成都 6 1 0 0 3 1 ；2 中铁二院工程集团有限责任公司 ，四川 成都 6 1 0 0 3 1 ； 3 四川纳黔高速公路有限责任公司 ，四川 成都 6 1 0 0 4 1 ) 摘要 ： 为揭示机制砂级配对混凝土性能的影响规律与作用效应 ， 以 1 1 8 m m筛孑 L 为分界点 ， 将机制砂颗粒组成分成 I ( 粒径 1 1 8 mm颗粒 ) 、 I I ( 粒径 1 1 8 mm颗粒 ) 组分 ， 设计并进行 了 6 种不 同级配类型机制砂及其混凝土性能的试验 。 试 验结果表明 ： 细度模数仅是表征机制砂的粗细程度的宏观指标 ， 无法反映颗粒级配的真实情况 ， 决定机制砂 品质好坏的内在因素是颗粒级 配， 生产时应得到严格控制 ， 为提高混凝土强度及工作性能 ， 应尽 量使颗粒级 配曲线具有骨架密实特征 ； 机制砂 I 组分主要影 响混凝土的泌水性 ， I I 组分主要影响混凝土的保水性及黏聚性 ， 为保证混凝土的工作性能 ， 应使 I 、 I I 组分 的含量比例保持在 1 ： 2 左右 ， 并有效控制 I 组分颗粒组成 比例 ； 为充分发挥 I 组分的填充密实与次骨架结构作用效应 ， 以提高混凝土的整体性能， 宜将 1 1 8 mm筛档累计筛余百分率控制在级配中值附近， 且 4 7 5 、 2 3 6 、 1 1 8 i n to三筛档累计筛余百分率按 2 ：3 ： 1 进行控制。 研究成果为 机制砂颗粒级配的控制及混凝土性能的优化提供 了有力支撑。 关键词： 混凝土 ；机制砂 ；级配 ；颗粒组分 ；抗压强度 ；工作性；作用效应 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 7 3 0 4 I n f l u e n c e l a w a n d a c t i on e ffe c t o f m a n u f a c t u r e d s a n d gr a d a t i o n on c o n c r e t e p e r f o r m a n c e AJCh a n g- f a ， PENG Ha o ， HU Ch a o2 , ZHOU Yo n g - wu。 ， TU Li n g - b o ( 1 Hi g h wa yE n g i n e e r i n g Ke yL a b o r a t o r yo f S i c h u a nP r o v i n c e ， S o u t h we s t J i a o t o n gUn i v e r s i t y ， C h e n g d u6 1 0 0 3 1 ， Ch i n a ； 2 C h i n a Ra i l wa y E r y u a n E n g i n e e ri n g G r o u p ， C h e n g d u6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ； 3 S i c h u a n Na q i a nE x p r e s s w a y L i mit e d L i a b i l i t y C o m p a n y ， C h e n g d u 6 1 0 0 4 1 ， C h i n a ) Abs t r act ： I n o r de r t o r e v e a l t h e i n flue nc e l a w a nd a c t i o n e ffe c t o f ma n uf a c t u r e d s a nd g r a d a t i o n o n c o n c r e t e pe r f o r man c e t h e ma nu f a c t u r e d s a n d wa s d i v i d e d i n t o two p a r t s a c c o r d i n g t o t h e s i z e ， t h e o n e wa s b i g g e r t h a n 1 1 8 i n n 1( p a r t I ) and t h e o the r o n e wa s s ma l l e r than 1 1 8 mm( p a r t I I ) J m d t h e n t h e t e s t s a b o u t the p e rf o r ma n c e o f c o n c r e t e we r e d o n e h e r e f o r s i x d i ff e r e n t g r a d a t i o n s o f t h e manu f a c t u r e d s a n d T h e t e s t r e s u l t s s h o w e d ：th e fi n e n e s s c o u l d n t r e f l e c t t h e a c t u a l c o n di t i o n o f t h e g r a i n g r a d a t i o n ， i t w a s j u s t th e m a c r o s c o p i c i n d i c t s f o r e x p r e s s i ng t h e d e gre e o f c o a r s e pa ni c l e i n ma n uf a c t u r e d s a n d， an d t h e gra i n gra d a t i o n wa s the i n t rins i c i n dic t s for t h e man u f a c t u r e d s a nd q u a l i t y， wh i c h s h o u l db e c o n t r o l l e d s t r i c t l yi np r o d u c t i o n ， a n da l s ob e d e n s e f r a me wo r ki n o r d e r t oi mp r o v et h e s tre n g t handwo r k a b i l i ty o f the c o n c r e t e t h e manu f a c t u r e d s and o f p a n I h a d a n e ff e c t o n wa t e r p e rm e a b i l i t y o f c o n c r e t e w h i l e the p a r t I I m a i n ly e ff e c t o n th e wa _ t e r r e t e n t i o n an d c o he s i v e ne s s To e ns u r e t h e p e r f orm an c e o fc o nc r e t e， the c o nt e n t r a t i o o ft h e t wo pa r t s s h ou l d be k e e p by 1 ：2， and the p ar- t i c l e o f p a r t I s h o u l d b e c o n t r o l l e d e f f e c t i v e l y ( T h e c u mu l a t i v e s i e v e r e s i d u e o f 1 1 8 i n t n s h o u l d b e c o n t r o l l e d n e arl y the me d i an g r a d a - t i o n， an d t h e c um ul a t i ve s i e v e r e s i d ue o f4 75 mm ， 2 3 6 n L r n， 1 1 8 r n lT l s h o ul d be c on t r o l l e d b y t h e r a t i o o f2： 3 ： 1 ， whi c h we r e f a v o r a b l e for t he fil l i n g r o l e a nd s u b fra me wo r k a c t i o n of p a r t I The r e s e a r c h r e s ul t s a r e u s e f u l for c o n t r o l l i n g t h e g r a i n gra d a t i o n o f t h e ma n uf a c t u r e d s an d an d he l p i ng t h e c o n c r e t e pe r f o rm a n c e o p t i mi z a t i o n Ke y wo r d s ： c o n c r e t e ； ma n u f a c t u r e d s and； gra d a t i o n； p a r t i c l e c o mp o s i t i o n ； c o mp r e s s i v e s tre n g t h ； wo r k a b i l i ty； a c t i o n e ff e c t 0 引 言 随着西部大开发 战略的快速推进 ， 以及基础设施建设 过程 中节能环保和水土保持的需要 ， 天然砂资源逐渐短缺 ， 开采限制也 日趋严格 ， 因此 ， 应用机制砂替代天然砂已成 为混凝土行业可持续发展的一种趋势 1 1 。 为掌握机制砂的 特性 ， 扩大其在混凝 土工程 中的应用范 围， 广大研究工作 者对机制砂生产工艺、 混凝土配制技术及其性能做了大量 研究工作 ， 并在多项重要工程 中得 到成 功应用 2 卅 。 机制砂 的主要性能参数包括颗粒形状 、 级 配 、 细度模数 以及石粉 含量 、 含泥量、 压碎值指标等， 文献 5 8 】 从不同侧重点分别 就这些主要参数对混凝土性能的影 响规律开展 了研究 ， 并 提出了控制标准建议值 。 文献 9 对相 同级配河砂和机制砂 混凝 土工作性与强度特性进行 了研究 ， 提出应用 比表面积 指标来表征机制砂 的粒形和表 面特征 。 在机制砂主要性能 参数 中， 颗粒级配作为机制砂质量控制的关键指标， 其对 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 7 1 2 基金项目：四川省交通厅科技项 目( S C 2 0 0 8 1 3 1 ) ； 中央高校基本科研业务费专项资金项 目( S WJ T U1 2 Z T 0 5 ) 7 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混凝土性能有着重要影响 ， 然而从 目前的生产现状来 看 ， 常存在级配不 良或超 出级配范 围的情况 ， 有关机制砂级配 如何合理控制是工程 中重点关注的问题之一。 为此 ， 本试 验以 1 1 8 m m筛孔为分界点 ， 将机制砂颗粒组成分成 I ( 粒 径 1 1 8 m m颗粒 ) 、 I I ( 粒径 1 1 8 to n i 颗粒 ) 组分 ， 从各组 分的含量及颗粒组成 比例角度 ， 深入研究机制砂颗粒级配 对混凝土性能 的影响及其作用效用 ， 为机制砂颗粒级配控 制及其在混凝土工程 中的应用提供技术指导。 1 试验方案与结果 1 1 试 验 材 料 结合工程建设材料实际情况 ， 粗集料 采用石灰岩 ， 将 其 5 1 6 I n lT I 、 1 6 2 5 m m两档料按最 大紧密堆积密度进行 掺配 ， 最 终掺配合 比例 为 4 0 ： 6 0 。 细集料 选用石灰 岩经破 碎而成的机制砂 ， 水泥等级为 P 04 2 5 R， 粉煤灰为 I 级 ， 减 水剂为聚羧酸型高效减水剂， 减水率为 2 5 ， 掺量为 0 8 。 混凝土等级为 C 5 0 ， 坍落度 1 8 0 mm， 混凝 土设计 强度 5 9 8 MP a ， 根据优 化试验结果 ， 粉煤灰掺量为 1 0 ， 机制砂 石粉含量为 7 ， 其余指标均满足要求 ， 混凝土配合 比参数 见表 1 。 表 1 混凝土配合比设计参数 k 砂 率水 泥粉 煤 灰水机 制 砂 塑 减 水 剂 kg kg k g kg 5 -1 6mn l 1 6 2 5mm k g 0 3 3 3 9 41 8 46 1 5 3 7 1 5 6 7 1 44 7 3 71 2 1 2 机制砂级配类型及参数测定 本试验以二区砂的颗粒级配范围为基准， 设置了 6 种 级配类型 ， 即 ： 级配上限、 级配中值 、 级配下限 、 级配上限到下 限 、 级配下限到上限及级配不良等 6 种类型 ， 以研究级配变 化对机制砂物理参数及对应 C 5 0 混凝士I生能的影响。 根据本 研究机制砂颗粒级配组成 的设置情况 ， 作如下定 义： 粒径范 围 1 1 8 m m 的组成部分为 I 组分 ， 1 1 8 m m 的组成部分为 I I 组分。 各种机制砂基本参数见表 2 ， 颗粒级配曲线见图 1 。 表 2 试验分组及参数测定结果 1 00 90 8 0 褂 7 0 60 罢 5 0 壕 4 0 3 0 j2 0 1 0 0 O 0 6O 1 1 8 2 36 4 7 5 筛孔尺寸 mm 各类型机制砂颗粒级配曲线 类型 1 类型2 类型3 类型4 类型5 类型6 规范 下限 规范中值 规范 上 限 由表 2及图 1可知 ， 由类型 1 到类型 6 ， 机制砂的细度 模数逐渐增大 ， 并逐步 由细砂变为粗砂 ， 其 中， 类型 1 为细 砂 ， 类型 2 、 3 、 4为中砂 ， 类型 5 、 6 为粗砂 。 根据规范【 I【” 中有 关二 区砂级配上 、 下 限范 围的情况 ， 除类型 6级配超 出范 围外 ， 其他类型均符合 2 区砂 的级配要求。 另外 ， 类 型 2 、 类 型 4的级配类似于沥青混合料 的间断级配 ， 分别具有 “ 倒 S 型” 、 “ S型” 级配特征 ， 前者有利于形成骨架结构 ， 后者更 容易形成悬 浮结 构 ； 类型 3属于连续级配 ； 类型 1 、 5 、 6 均 可归结为不 良级配。 1 3 机制砂 混凝 土性 能测 定 根据表 1 的配合 比设计参数 ， 分别配制 了 6种不同级 配类型的 C 5 0 高强度等级混凝土 ， 其工作性能及强度测试 结果见表 3 。 表 3 ( 3 5 0混凝土性能测试结果 2 试验结果分析 2 1 机制砂基本物理性质分析 根据表 2可得各类 型机制砂细度模数 与表观密度及 空隙率的关系 ， 如图 2 、 3 所示 。 74 由图 2 、 3 可以发现 ， 由类型 1 到类 型 6 ， 虽然其细度模 数逐渐增大， 但其表观密度、 堆积空隙率、 紧密空隙率均表 现 出“ 先降一 后增一 再降” 的变化趋势 ， 说明细度模数与这三 个指标之间并没有直接相关关系 ， 细度模 数仅是表征砂 的 粗细程度的宏观指标 ， 无法反映颗粒级配的真实情况 ， 不能 0 1 图 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 吕 邑 、 柱 霞 薹 僻 细度模数 图 2细度模数与表观密度的关系曲线 类型1类型2 类型3 类型4类型5类型6 Z U Z Z 2 4 Z b Z j U j Z j 4 细度 模数 图 3 细度模数与空隙率的关系曲线 作为判断砂 品质好坏 的衡量指标。 另外 ， 由于类 型 1 6 ， 其级配组成具有不 同的特征 ， 致 使各类 型砂的表观密度 、 自然堆积空隙率 、 紧密堆积空 隙 率不相同。 其中， 由类型 1 到类型 2 ， 1 1 8 mm以上颗粒增多 ， 即 I 组 分( 以下简称 I 组分 ) 含量增 多 ， 1 1 8 m m 以下颗粒 略有减少 ， 即 I I 组分( 以下简称 I I 组分 ) 含量略有减少 ， 其 表观 密度 、 堆积空 隙率 均减小 ； 由类 型 2到类型 4 ， I 组分 含量减少 ， I I 组分含量也减少 ， 其表观密度 、 堆积 空隙率均 增大 ； 由类型 4 到类型 6 ， I 组分含量增多 ， I I 组分含量减少 ， 其表观密度、 堆积空隙率均减小。 同时 ， 对于类型 1 和类型 4 ， 砂的颗粒主要由I I 组分构成， I 组分严重缺失 ， 组成较单一， 其表观密度、 堆积空隙率均较大。 以上分析表明， 颗粒级配 是表观密度、 堆积空隙率大小的决定因素， 且 1 1 8 4 7 5 m n l 颗粒 ( 即 I 组分 ) 主要 影响砂的堆积空 隙率 ， 0 1 5 1 1 8 1T l n q 颗粒( 即 I I 组分 ) 主要影响砂 的表观密度 。 要获得较小 的堆 积空隙率 ， 必须增大 I 组分 的含量 ， 适 当增加 I I 组分含量 ， 使 I 组分颗粒之间的间隙被 I I 组分填充 ； 要获得较大 的表 观密度 ， 必须增大 I I 组分 的含量 ， 减少 I 组分 的含量 ， 使砂 的颗粒级配偏细 ； 要 同时获得较 大的表观密度 、 较小 的堆 积空隙率 ， 则必须 同时增 大 I 、 I I 组分的含量 ， 即砂 的颗粒 级配具有骨架密实特征 ， 如类 型 2 。 因此 ， 在机制砂生产过 程中， 必须根据使用要求及原材料的破碎情况， 及时调整 筛孔尺寸 ， 才能获得品质优 良的机制砂。 2 2 混凝土工作性能分析 根据表 3 可得不同级配类型机制砂所对应混凝土坍 落度与扩散度 的变化情况 ， 如图 4所示 。 可知 ： ( 1 ) 由于类 型 1 、 5 、 6机制砂均属 于不 良级配 ， 其 所配 制 的混凝土工作 性能均较差 。 其 中 ， 类型 1 的级 配 中 I 组 分 含量过少 、 I I 组分含量过多 ， 所 配制 的混凝土较黏 ， 和易 宜 昌 、 宝 级 配 类 型 图 4 混凝土工作性能变化 曲线 性差， 但保水性好； 而类型 5 、 6的级配中I 组分含量过多、 I I 组分含量过少， 1 1 8 m m筛档含量均大于4 5 ， 所配制的 混凝土表现出离析、 泌水、 骨料堆积 、 和易性差等特点。 因 此 ， 在机制砂 中， I 、 I I 组分含量过多或过少 ， 均会导致混凝 土工作性能变差 。 当 I 组分含量过多时 ， 混凝土泌水 ， 骨料 堆积离析 ； 当 I I 组分含量过多时 ， 混凝 土黏稠 ， 难以浇筑 。 ( 2 ) 相 比之下 ， 类 型 2 、 3 、 4的级配优于类型 1 、 5 、 6 ， 其 I 、 I I 组分 的含量 比例保持在 1 ： 2 左 右 ， 所配制 的混凝土工 作性能明显更好 ， 充分发挥 出 I 组分在整个混凝土中承接 着使混凝土集料之间更连续的作用。 另外， 在类型2 、 3 、 4 中， 其 I 组分的颗粒组成 比例有所不同 ， 特别是类型 4缺少粒 径 2 3 6 m m以上的颗粒 ， 其所对应混凝土的坍落度、 扩展 度均小于类型 2和类型 3 。 因此 ， I 、 I I 组分含量 多少及 I 组 分颗粒 间的组成 比例 ， 即机制砂颗粒级配及其颗粒间连续 程度 ， 是决定混凝土工作性能优劣的关键 因素。 2 3混凝土强度分析 根据表 3 可得不 同级 配类 型机制砂 所对应混凝土强 度的变化情况 ， 如 图 5 所示。 日 山 皇 、 鼎 出 级 配 类 型 图 5 混凝土强度变化 曲线 根据 图 5 可知 ， 在原材料配合 比相 同的情况下 ， 由于 机制砂颗粒级配不同 ， 所配制的混凝土强度具有明显差异 。 其中 ： 对于机制砂不 良级配类型 1 、 5 、 6 ， 其所配制的混凝 土强度均较低 ； 虽然类 型 2 、 3 、 4级配规 范要求 ， 但 由于 类型 4的I 组分中2 3 6 、 4 7 5 m m筛档颗粒严重缺失 ， 导致 混凝土强度明显偏低 ， 其 7 、 2 8 d强度比类型 2降低 8 8 2 、 8 2 7 MP a ； 而类型 2 、 3的 I 组分 中含有 2 3 6 、 4 7 5 n l i n 筛档颗 粒且按一定比例组成， 其所配制的混凝土强度明显提高。 其中 ， 类型 2的颗粒组成偏 于骨架结构 ， 其对应混凝土强 度最高 。 因此 ， 机制砂颗粒级 配是影响混凝 土强度的一个不容 忽视 的因素 ， 且机制砂 I 组分 的含量大小及 颗粒 间组成 比 例是影响混凝土强度的主要因素。 7 5 O 0 0 0 0 O O 0 0 如 如 加 船钉 们 ” ：2 卯 卯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 作 用效应分析 表 2显示各类机制砂 紧密堆积空 隙率大小关系为 ： 类 型 6 类 型 5 类型 2 类型 3 类型 1 类型 4 ， 按此顺 序建 立 机制 砂紧密空隙率与其混凝土强度 的变化 关系如 图 6 所 示。 由图 6 可知 ， 混凝土强度与空隙率具有二次非线形 相关性 ， 强 度峰值介于最大与最小空隙率之间。 再结合不 同类型机制砂 I 、 I I 组分 颗粒组成情 况 ， 进 一步说 明机制 砂I 组分在混凝土 中的双重作用效应 ， 即 ： 既起到填充粗集 料骨架间隙使混凝土更加密实作用 ， 又起 到为机制砂 I I 组 分提供骨架支撑使水泥浆分散更加均匀作用 。 这种双重作 用效应有利于提高混凝土的整体性能。 紧 密 堆 积 空 隙 翠 图 6混凝 土强 度与 空隙率 变化 关 系 分析认 为 ， 混凝 土试件在受压过程 中， 裂缝首先在粗 集料一 水 泥石黏结面滋生_ l 1 2 J ， 随着受压作用的增 大 ， 裂缝 逐渐 向水泥石延伸 ， 由于机制砂 的比表面积大 ， 与水泥石 的黏结强度往往较高 ， 机制砂 I 组分在混凝土破坏特征中 基本属于 断裂破坏 ， 参与混凝土抗压剪过程 ， 在水泥石 中 能起 到“ 加筋 ” 效 果 。 根据吴 中伟先生 中心质假 说认为 I 3 】 细集料在混凝土 中形成次级 中心质效应 ， 尤其是 I 组分颗 粒间形成的次骨架结构( 相对粗集料形成的骨架结构而言 ) ， 混凝土中的次骨架能进一步阻止裂缝在水泥石 中的延伸 ， 并 改变裂缝发展方 向 ， 同时阻止混凝土 的侧 向变形 ， 并与 水 泥石共 同形成界 面区 ， 为粗集料提供抗压支撑 ， 延缓 了 试件破坏 ， 从而提高了混凝土断裂韧度及强度 。 因此 ， 机制 砂 I 组 分颗粒含量及其颗粒 问组成 比例对细集料次骨架 结构 的形成 、 混凝土强度 的提高与工作性能的改善具有重 要作用 。 4 结论与建议 ( 1 ) 细度模 数仅是表征砂 的粗 细程度的宏观指标 ， 无 法反映颗粒级配的真实情况， 不能作为判断砂品质好坏的 衡量指标 。 颗粒级 配才是机制砂 品质好坏 的内在决定 因 素， 对混凝土强度及工作性能影响效果显著， 生产时应得 到严格控制， 并使颗粒级配曲线具有骨架密实特征。 ( 2 ) 以 1 1 8 m m筛孔 为分界点 ， 将机制砂颗粒组成分 成 I 、 I I 组分 。 I 组分主要影响混凝 土泌水性 ， I I 组分主要影 响混凝土的保水性及黏聚性 。 为保证混凝土具有 良好的工 作性能 ， 应使 I 、 I I 组分 的含量 比例保持在 1 ： 2左右 ， 并有效 控制 I 组分颗粒组成 比例。 ( 3 ) 在机制砂 中， I 组分含量及颗粒组成比例是影响混凝 土强度 的关键 因素 。 由试验结果可得 ， 宜将 1 1 8 m m筛档累 计筛余百分率控制在级配中值附近， 且 4 7 5 、 2 3 6 、 1 1 8 mm 三筛档 累计筛余百分率按 2 ： 3 ： 1 进行控制 ， 有利于充分发 挥 I 组分的填充密实与次 骨架结构作用效应 ， 从而提高混 凝土的整体性能。 参考文献 ： 【 1 】 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 J 国外建材科技 ， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 3 ) ： 2 0 2 4 2 】石新桥 机制砂在高性能混凝土中的应用研究【 D 】 天津： 天津大 学 ， 2 0 0 7 【 3 】王稷良 机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究【 D 】 武汉： 武汉理工大学 ， 2 0 0 8 【 4 李婷婷 机制砂在吉茶高速公路中的应用研究 D 】 武汉： 武汉理 工大学 ， 2 0 0 9 5 】易文 ， 马健霄 ， 聂忆华 机 制砂混凝土性能研究l J I 中外公路 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 3 ) ： 1 5 1 - 1 5 3 【 6 李北星， 柯 国炬 ， 赵尚传 ， 等 机制砂混凝土路用性能的研究【 J J 建筑材料学报， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 4 ) ： 5 2 9 5 3 4 【 7 岳海军 ， 李北星， 周明凯 ， 等 水泥混凝土用机制砂的级配探讨 与试验 昆 凝土， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 9 1 9 4 【 8 1蒋正武， 潘峰， 吴建林， 等 机制砂参数对混凝土性能的影响研 究 J 1 混凝土世界， 2 0 1 1 ( 8 ) ： 6 6 7 0 9 】 季韬， 李锋 ， 庄舟， 等 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他 醯 船 驰 B d 窆、 越 骥出 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m