机制砂与河砂混凝土30m T梁足尺模型混凝土性能对比试验研究.pdf

2 0 1 5年第 1 2期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 1 4 7 文章编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 5 ) 1 2 0 1 4 7 - 0 5 机 制砂 与河砂混凝土 3 0 n l T梁足 尺模型 混凝土性能对 比试 验研 究 全青青 ， 徐 文冰 ， 秦明强 ， ， 周 玉娟 ( 1 中交 武汉 港湾工程设计研究 院有 限公 司 ， 湖北 武汉4 3 0 0 4 0 ； 2 长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室 湖北 武汉4 3 0 0 4 0 ； 3 海工 结构新材料及维护加 固技术湖北省重点实验 室 ， 湖北 武汉4 3 0 0 4 0 ； 4 宁波 市高等级公路建设指挥部 ， 浙 江 宁波3 1 5 1 9 2 ) 摘 要 ： 以“ 2 8 d龄 期 同强度 等级 ” 为 目标优 选 配合 比 ， 开展 了 C 5 0机 制 砂 与河砂 混 凝 土 3 0 m T梁足 尺模 型试验 。 对比研究机制砂与河砂混凝土的力学性能、 耐久性能、 实体结构的抗裂性能。研究结果表明 ： 机 制砂 混凝 土 通过 优选 配合 比 ， 具备 不 劣于 河砂 的 良好 的施 工性 能 ； 机 制砂 混凝 土 比河砂 混凝 土在 力 学性 能方面优势明显 ； 机制砂混凝土的抗氯离子渗透性能及实体梁的抗裂性能与河砂混凝土相近； 用机制砂 配制 的海 工混凝 土 用 于实体 结构 是 可行 性 的 。 关键 词 ： 机 制砂3 0 i n T梁 模 型试验 海工 混凝 土 中图分 类号 ： T U 5 2 8 1 文献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 5 1 2 3 8 一 直以来 ， 建设工程 中主要 采用优质河砂作为混 凝 土细集 料 ， 但 现今 河砂 资源 稀缺 ， 淡 化海 砂质 量难 以 保证 ， 并且很多沿海城市的建设 工程 中已明确禁止使 用淡 化 海砂 ， 使 得 国 内众 多 跨海 桥 梁结 构 混 凝 土 不 得 不 寻找 其他 细集 料 来 代 替 天 然河 砂 。 。跨 海 桥 梁 结 构 物一 般 服役 环境 恶劣 ， 结构 形 式复 杂 ， 对 海工 混凝 土 的性能和质量提出了较高要求。 本 文 采用 机械 破碎 而成 的机制砂 配 制机制 砂 海工 混凝土， 对 比研究机制砂与河砂混凝土的配合 比及性 能特点 ； 再 通 过机 制砂 与河 砂混 凝 土的 3 0 m简 支 T梁 足尺模 型 试验 ， 研 究 机制 砂 对 实 体 梁 结 构性 能 的影 响 规 律 ； 并与 河砂 混凝 土 梁进 行对 比 ， 以验 证机 制砂 海工 混 凝 土在 原材 料 、 配合 比 、 力 学 性能及 耐 久性 能等 方 面 是 否满 足 相关 要求 ， 以及 利 用 机 制 砂 配 制 的海 工混 凝 土在实体结构应用 的可行性及可靠性。 1 原 材料及试 验方法 1 1试 验原 材料 胶 凝材 料采 用 宁波港 物质 有 限公 司生产 的高耐 久 性 建筑 混 合 料 ( 主 要 由 P 04 2 5普 通硅 酸 盐 水 泥 、 级粉煤灰 、 $ 9 5矿粉及调整剂复配而成 的复掺体系 ) ， 其物理 性 能见表 1 。 表 1 水泥混合料物理性能指标 砂采用 2级 配区的机制砂 与天然河 砂 ， 机制 砂 由凝 灰岩破碎 而成 ， 机制砂 与河砂 的物理性 能指标见表 2 。 表 2 机 制砂 与 河 砂 物 理 性 能 指 标 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 0 8 1 2 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 5 0 9 2 2 基金项 目： 宁波市交通运输委员会科技项 目( 2 0 1 2 1 0 ) ； 浙江省 交通厅科 技计划项 目( 2 0 1 3 H2 8 - 2 ) 作者简介 ： 全青青( 1 9 9 1 一) ， 男 ， 助理工程师 。 碎石 应选 用粒 形 和级配 良好 、 压碎 值高 、 针 片状含 量低 、 含 泥量低 、 无 碱活 性 的反击破 碎 石 。试 验采 用象 山磊顺石 料 有 限公 司 生 产 的 52 5 m m 连 续 级 配 碎 石 ， 表观 密度 2 6 2 0 k g m ， 紧密 堆积 密度 1 5 8 0 k g m ， 1 4 8 铁道建筑 压碎 值 5 7 ( 参 照 建 设 用 卵 石 、 碎 石( G B T 1 4 6 8 5 -2 0 1 1 ) ) ， 含 泥量 0 4 。 机 制砂及 河砂 海工混 凝土 减水 剂均采 用 中交 二航 武汉港 湾新材 料有 限公 司生产 的聚羧 酸高 性能减 水剂 ( L N S P ) ， 减水率 2 9 。拌合水采用洁净的自来水 。 1 2测 试方 法 混凝土拌合物性能试验按 普通混凝土拌合物性 能试验方法 ( G B T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 ) 进行。混凝土力学 性能试验按 普通混凝 土力学性能试验方法( G B T 5 0 0 8 1 2 o 0 2 ) 进行 。混凝土抗氯离子渗透性能按 普 通混 凝 土 长 期 性 能 和 耐 久 性 试 验 方 法 ( G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ) 的 R C M 法进 行 。 1 3显 微硬 度测试 原理 选择一定的荷载 ， 把显微硬度仪压头压人试件表 面并保持一定的时间， 卸去荷载 ， 试样表面压出一个底 面为 正方形 的正 四棱锥 压痕 ， 如 图 1 所示 。测 量正 四棱 锥压痕两条对角线的长度平均值 d ， 则压痕面积 F为 ， ， 2 F = ( 1 ) 其 中： 0为压头与材料表面的接触角， 0= 6 8 。 。 再 求得 显微 硬度 日 为 HV= P ( 2 ) 其中， P为载荷。 图 2为显 微硬 度测 点示意 。根 据 图中所示 的测 点 分布在试件 的抛光面上进行显微硬度测试 ， 测试步长 为 1 0 m。 试 样 边 界 ( b ) 压痕俯视图 图 l 显 微 硬 度 仪 压 头形 状 测点 一 一 +一 - 图 2 显微硬度测点示意 2 试 验结果分析 2 1混凝 土配合 比优选 根据 3 0 I l l T梁足尺模型试验 C 5 0机制砂及河砂 混凝土的技术要求 ， 以“ 2 8 d龄期 同强度等级” 为 目标 开展机制砂与河砂混凝土配合比设计和优选。混凝土 试验配合 比及工作性能见表 3 。 表 3 C 5 0机 制砂与河砂混凝土试验配合 比及工作性能 从 表 3可 以看 出 ， 机 制砂 1 ， 2 在水胶 比和用水量 较低时， 混凝土工作性能不良， 主要表现为坍落度和流 动度小 ， 黏聚性差 ， 骨料无法被浆体充分包裹 ； 机制砂 3 ， 4 在增加 了胶凝材料和用水量后 ， 坍落度增大 ， 整 体流动性和黏聚性 明显改善 ， 骨料被浆体充分包裹 ， 具 有 良好 的工作 性能 。河砂 混凝 土 的工作性 能 总体上 略 好于机 制砂混 凝 土 。与 天然 砂 相 比， 机制 砂 颗 粒 多呈 三角形 或方 矩体 ， 颗粒表 面粗糙 ， 棱 角多 ， 球 形度 小 ， 增 大了混合材料之间的摩擦力 4 。进行机制砂配合 比 设 计 时 ， 选择 合适 的胶 凝 材料 用 量 、 砂 率 及 减水 剂 掺 量对 机制砂 混凝 土 的工 作性 能具有 明显影 响 。 图 3为 C 5 0机 制砂 与河 砂 混 凝 土 的力 学 性 能 对 比。可 以看 出， 在力学性能方面 ， 机制砂混凝土各龄 期( 4， 7 ， 2 8 d ) 的抗压强度均优于河砂混凝土 ， 尤其是 早期 强度 ( 4， 7 d ) ， 机 制砂混凝 土与河砂 混凝 土相 比优 势 明显 。 l 5 0 铁道建筑 表 4 C 5 0机制砂及 河砂混凝土 留样及取芯试块的氯离子 扩 散 系数 1 0 m s 从 表 4可 以看 出， 标 准养 护条 件下 ， 机制 砂混 凝 土 的氯离子扩散 系数 比河 砂混 凝土 略高 。河砂 混凝 土 与 机制砂混凝土 2 8 d和 5 6 d的标准养护条件下试样氯离 子扩散系数均 1 51 0 m s ， 达到 混凝 土质 量 控 制标准 ( G B 5 0 1 6 4 -2 0 1 1 ) 中 R C M V级； 自然养护条件 下 ， 河砂混凝 土与 机制 砂混 凝 土 4 6 d的取 芯 试样 氯 离 子扩散 系数 均 2 5 X 1 0 i n s ， 达 到 G B 5 0 1 6 4 -2 0 1 1 中的 R C M IV级。 取 芯试样 的 4 6 d氯 离 子扩 散 系 数 比标 准养 护条 件 下 的 2 8 d氯离 子扩 散系数 高 ， 一方 面是 由于标 准养 护条件下的试样由振捣棒振捣成型 ， 混凝土密实 ， 而 自 然养护 的取 芯试 样 的混 凝 土 由 附着 式 振 捣 器 振 捣 成 型， 密实效果 比前者略差 ； 另一方面， 标准养护条件下 试 样养 护水 分充 足 ， 二 次水化 反应 充分 ， 混 凝土 结构 密 实， 而 自然养护条件下气温较高， 湿度较低 ， 养护水分 较 少 ， 取芯试 样 内部孔 隙较 多 ， 因此 抗氯离 子扩 散性 能 略差 。 2 3显微硬 度测 试分析 对采用河砂和机制砂混凝土两组试验配合 比所成 型 的制作光 片进 行显 微 硬 度测 试 ， 对 比分 析河 砂 和 机 制砂混 凝 土的界 面过 渡区 和显微 硬度性 能特 征 。 河砂和机制砂混凝土的界面过渡区形貌如图7所 示。从 图中可以看出， 机制砂混凝土界面过渡区比河 砂混 凝 土界面 过渡 区窄 ， 河 砂 表 面形 貌 相 对 于机 制 砂 更加 光 滑 ， 机制 砂表 面更加 粗糙 ， 机制 砂粗糙 的表 面为 C S H凝 胶 的粘 结提 供 了 良好 的界 面 ， 因此 机制 砂 在 界面过渡区细骨料与 c s H凝胶 的结合更为紧密 ， 提 高 了界 面过渡 区 的粘结 强 度 ， 使 得 机制 砂 混 凝 土 的力 学性 能较 河砂混 凝 土高 。 一 ( a ) 河砂 ( b ) 机制砂 图 7 河砂和机制砂混凝土的界面过渡区形貌 河 砂 和机制砂 混凝 土界 面过渡 区 的显 微硬 度测试 结果如 图 8所 示 。可 以看 出 ， 机 制 砂 混凝 土界 面 过 渡 区的 c s H凝胶的显微硬度值 比河砂 的高 ， 而随着距 骨料 边缘 距 离 的增加 ， c s H凝 胶 的显微 硬 度 值 也 相 应地升 高 。 1 8 0 一 河砂 甘 - 机制砂 烈。 8 0 L 一 距骨料边缘 距离， u m 图 8 河砂和机制砂混凝土的界面过渡区显微硬 度 2 4开裂试 验 河砂与机制砂混凝 土试验 T梁分别 以跨 中双支 点加 载 ( 间距 6 m) 的形 式 ， 分 1 2 8级荷载 进行 加 载 ， 最大荷 载 为 1 1 8 0 k N。河 砂 混凝 土 T梁 在 第 1 5级 加 载后 出现 裂缝 ， 对应 开 裂荷 载 为 5 7 2 0 6 0 0 6 k N， 机 制砂 混凝 土 T梁在 第 1 8级 加载后 出现 裂缝 ， 对应 开裂 荷载为 6 2 9 2 6 8 6 4 k N。 河砂混凝土 T梁首先在跨 中区域 处出现底板横 向裂缝 和腹 板垂 直裂缝 ， 随 着荷载 的增 加 ， 裂 缝 区域 由 跨 中 向两 边延展 ， 裂缝 条数 不断增 加 ， 并 沿腹 板 出现斜 向裂 缝 ， 裂 缝长度 不 断延 展 ， 裂 缝 宽 度逐 渐 变 宽 ， 在 第 2 8级荷载加载完毕后 ， 河砂混凝土 T梁裂缝分布区域 为 6 2 7 2 4 0 9 i n ， 裂缝 最 大宽 度 为 0 6 1 fi l m； 机制 砂 混凝 土 T梁 的 裂缝 出 现 及 发 展 规 律 与河 砂 混 凝 土 T 梁 基本一 致 ， 但 机 制 砂 混 凝 土 T梁 裂 缝 分 布 区 域 为 5 4 3 2 4 0 7 I n ， 裂缝 最大宽 度为 0 8 1 mm。 卸载 后 ， 河砂 混凝 土 T梁 与机 制砂 混 凝土 T梁 均 出现裂缝闭合和裂缝宽度变小现象 ， 河砂混凝土 T梁 未 闭合裂 缝最 大宽 度 为 0 2 1 mm， 机 制砂 混 凝 土 T梁 未 闭合裂 缝最 大宽 度为 0 1 9 1T i m。 3 分析与讨论 试验所用的混合胶凝材料 中掺人 了大量的粉煤灰 和 矿粉 ， 导致 混凝土 水化 c s H凝胶 生成慢 ， 早 期强度 偏 低 ； 而机 制砂混 凝 土 由于 机 制 砂表 面 粗糙 ， 棱 角 多 ， 界面新鲜 ， 使得机制砂一水化凝胶之间表现 出了更好 的嵌集咬合 效应， 骨料紧密堆积效应更强 ， 因此机 制砂 混凝土 早期具 有更 高力 学性 能 。 试 验用 机制砂 由凝 灰 岩破 碎 而 成 ， 河砂 则 为 天 然 冲刷而成 ， 在岩性方面的差别 ， 使得机制砂具备 比河砂 更 高的坚 固性 ； 另一 方面 ， 由于机 制砂 粗糙 的表面 和多 2 0 1 5年第 1 2期 全青青等 ： 机制砂 与河 砂混凝土 3 0 m T梁足尺模型混凝土性能对 比试验研究 1 5 l 棱角形状增强了 自相嵌 固作用 ， 使混凝土各部位的 协 同受 力变 形 能力 增 强 ， 体 积 稳 定 性 更 好 ， 变 形 较 小 ， 刚 度较 大 ， 因此机 制 砂混 凝 土 的 弹性 模 量 比河 砂 混 凝 土 高 。 机 制砂 采 用破 碎 成 型 的工 艺 ， 导致 机 制 砂 颗 粒 内 部存在微裂纹 ， 孔隙率大， 开 V I 相互贯通的孔隙多 ， 形 成氯 离 子扩 散渗 透 的 通 道 ， 因 而 机 制砂 混 凝 土 比河 砂 混凝 土 的氯 离子 扩散 系数 高 。 4 结 论 通过 C 5 0机 制砂 与 河 砂混 凝 土 3 0 i n T梁 足 尺 模 型试验 ， 对 机 制砂 与河 砂混 凝土 的工 作性 能 、 力 学 性能 和耐 久性 能进 行研 究 ， 结论 如下 ： 1 ) 机 制砂 混凝 土 通 过 调节 单 方 用 水量 、 优 选 外 加 剂并适当增大掺量 ， 具备不劣于河砂混凝土的 良好施 工性 能 。 2 ) 2 8 d龄 期 同强 度 等 级 条 件下 ， C 5 0机 制砂 混凝 土 与河砂 混凝 土相 比具 有 更 高 的 早 期 力学 性 能 ， 力学 性能优势 明显。同样荷 载条件 下 C 5 0机制砂混凝 土 与河砂混凝土实体结构裂缝发展变化规律相似。 3 ) C 5 0机制砂混凝土抗氯离子渗透性能虽然略低 于河砂混凝土 ， 但其 2 8 d和5 6 d标准养护试样的氯离 子扩散系数均达到 G B 5 0 1 6 4中的 R C M V级 。 参 考 文 献 1 王稷 良 石 粉对机制砂混凝土抗渗透性和抗冻融性能的影 响 J 硅酸盐学报 ， 2 0 1 4 ( 1 1 ) ： 4 8 2 4 8 6 2 刘慈军 机制砂 石粉和泥粉含量对 C 5 0箱梁混凝土性能 的 影响 J 铁道建筑 ， 2 0 1 3 ( 1 O ) ： 1 3 2 - 1 3 5 3 易文 机 制砂 混 凝 土性 能研 究 J 中外 公路 ， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 1 51 1 53 4 芮捷 机制砂级配对高强混凝土性能的影响研究 J 中外 公路 ， 2 0 1 4 ( 1 ) ： 2 9 8 3 0 0 5 姚志立 C 5 0 T型梁机制砂混凝土 的配合 比设计 J 公路 工程 ， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 8 2 8 4 6 NAN THAG OP AL AN P， S ANT HANA M MF r e s h a n d Ha r de n e d Pr o p e r t i e s o f S e l f _ c o mpa c t i ng Co nc r e t e Pr o du c e d wi t h Ma n u f a c t u r e d S a n d J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 1 l ， 3 3( 3) ： 3 5 3 3 5 8 7 王稷 良 C 5 0 T型梁机制砂混凝土 的配制 与应用研究 J 公 路 ， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 1 5 7 1 6 0 8 柯 国炬 路面机制砂水泥混凝土耐磨性影 响因素灰 色关 联 分析 J 硅 酸盐 通报 ， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 2 1 6 2 1 9 9 李凤 兰 C 4 5级原状 机制 砂混凝 土试验 研究 J 混凝土 ， 2 0 1 0( 2 )： 8 4 8 6 1 0 徐建 人工砂与人工砂混凝土的研究现状 J 国外 建材科 技 ， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 2 0 2 4 Co mp a r a t i v e e x p e r i me n t a l s t u d y o n c o n c r e t e p e r f o r ma n c e o f 3 0 m T- s h a p e d b e a m f u l l s c a l e mo de l r e s p e c t i v e l y u s i n g ma c h i n e - m a d e s a n d a n d r i v e r s a n d Q U A N Q i n g q i n g ， X U We n b i n g ， Q I N Mi n g q i a n g ， Z HO U Y u j u a n ( 1 cc cc Wu h a n Ha r b o r E n g i n e e r i n g D e s i g n Re s e a r c h C o ， L t d ， Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 4 0， C h i n a ； 2 Ke y La b o r a t o r y o f L a r g e s p a n Br i dg e Co n s t r u c t i o n Te c h no l o g y， W uh a n Hu b e i 43 0 04 0， Ch i n a； 3Hu be i Ke y La b o r a t o r y o f Ad v a nc e d Ma t e r i a l s& Re i n f o r c e me nt Te c hn o l o g y Re s e a r c h f o r Ma r i n e Env i r o n me nt St r u c t u r e s Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 4 0， C h i n a ； 4 Ni n g b o E x p r e s s wa y C o n s t r u c t i o n He a d q u a r t e r s ， Ni n g b o Z h e j i a n g 3 1 5 1 9 2， C h i n a ) Ab s t r a c t ： The “ 28 d wi t h t he s a me s t r e ng th l e ve 1 ” s t a n da r d wa s u s e d i n C5 0 c o nc r e t e m i x de s i g n wi th ma c hi ne ma d e s a nd a nd r i ve r s a nd， r e s p e c t i ve l y A 3 0 m T s ha p e d b e a m f ul l s c a l e m o de l t e s t wa s c on du c t e d The me c h a ni c a l pr o pe r t i e s， dur a b i l i t y a n d c r a c k r e s i s t a nc e we r e s t udi e dThe m e c h a n i c a l pr o p e r t i e s of th e c o nc r e t e wi th ma c h i ne - ma de s a nd o ut we i g h thos e o f c o nc r e t e wi th r i v e r s a nd， wi th t he s a m e wo r ka bil i t y， c h l o r i n e pe ne t r a t i o n r e s i s t a nc e， c r a c k r e s i s t a nc e Th i s s t ud y ha s v e r i f i e d th a t the f e a s i bi l i t y of the m a c h i n e - m a d e s a nd us e d f o r m a r i n e c on c r e t e i n s t r uc t ur e s Ke y wo r d s： M a c hi n e - ma d e s a nd； 3 0 m T- s ha p e d b e a m ； M od e l t e s t ； M a r i ne c o nc r e t e ( 责任审编 周彦彦)