高性能机制砂混凝土在高速公路中的应用.pdf

第 3 9卷 ， 第 1 期 2 0 1 4年 2 月 公 路 工 程 Hi g h wa y Eng i n e e r i n g Vo 1 3 9，No 1 F e b， 2 0 1 4 高性能机制砂混凝土在高速公路中的应用 尹 明 ( 湖南省高速公路管理局 ， 湖南 长沙4 1 0 0 0 0 ) 摘 要 根据工程实际需要 ， 分别采用机制砂 和天然砂 配制了高性能混凝 土 ， 并进行 了相关性 能研究 。试验 结果表明 ， 高性能机制砂混凝土的抗压强度略高于高性能天然砂混凝土。高性能机制砂混凝土 的早期 收缩大 于高 性能天然砂的早期 收缩 ， 但两者后期相差不大。高性能机制砂混凝土的抗渗性能更强。高性能机制 砂混凝土 的抗 碳化能力更强。 关键词 高性能混凝土 ；机制砂 ； 天然砂 ； 力学性 能；耐久性能 中图分类号 】U 4 1 4 1 【 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 1 8 0 0 4 Ap p l i c a t i o n o f Hi g h Pe r f o r ma n c e Co n c r e t e t h M a n u f a c t u r e d S a n d i n t h e Hi g h wa y YI N M i ng ( Hu n a n P r o v i n c i a l E x p r e s s w a y A d mi n i s t r a t i o n ，C h a n g s h a ，H u n a n 4 1 0 0 0 0， C h i n a ) A b s t r a c t I n t h i s p a p e r ，b a s e d o n e n g i n e e r i n g r e q u i r e m e n t ，t h e ma n u f a c t u r e d s a n d a n d n a t u r a l s a n d w e r e u s e d t o p r e p a r e h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e( H P C ) ， r e s p e c t i v e l y ， a n d c o r r e l a t i v e p e r f o r m a n c e s o f t h e HPC we r e s t u d i e d I t i S s ho we d t h a t t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f HP C wi t h ma n u f a c t u r e d s a n d wa s s l i g h t l y h i g h e r t h a n t h a t o f HPC wi t h n a t u r a l s a n dTh e e a r l y s hr i n k a g e o f HPC wi t h ma nu f a c t ur e d s a n d wa s l a r g e r t h a n t h a t o f HP C wi t h n a t u r a l s a ndb u t t he r e we r e l i t t l e d i f f e r e n c e i n l a t t e r s h r i n k a g e b e t we e n HPC wi t h ma n u f a c t u r e d s a n d a n d HPC wi t h n a t u r a l s a n dTh e i mp e r me a b i l i t y a n d c a r b o n a t i o n r e s i s t a n c e o f HPC wi t h ma nu f a c t ur e d wa s s t r o ng e r t h a n t h a t o f HPC wi t h na t u r a l s a n d Ke y w o r d s h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e ；m a n u f a c t u r e d s a n d ；n a t u r a l s a n d ；me c h a n i c a l p e r f o r m- a n c e；d u r a b i l i t y O 引 言 随着 我 国基 础 设施 的大 力 发展 ， 混 凝 土 的用 量 逐年增大 ， 对建筑材料的需求量也越来越大。然而， 这些建筑材料往往分布很不均匀 ， 且属于短期 内不 可再生资源， 尤其是西部山 区， 天然砂 已近枯竭 ， 使 得很多地区需要采用机制砂取代天然砂。和天然河 砂不同， 机制砂颗粒往往形状粗糙尖锐 、 多棱角、 内 部微裂纹多、 孑 L 隙率大、 比表面积大 、 石粉含量高， 使 得采用机制砂配制的混凝土和采用天然河砂配制的 混凝土具有一定的性能差异 。 国外对机制砂 的研究已有几十年的历史， 并将 机制砂列人国家标准 中 ， 而 国内对机制砂混凝土 的研究还不系统完善。尽管机制砂在重庆嘉陵江复 线桥工程 】 、 玉三高速公路七 里塘大桥 、 三 峡工 程、 小浪底等工程得到了应用 ， 但对高性能机制砂混 凝 土 的性 能 研究仍 然 局 限于 力 学性 能 方 面 ， 而 对 耐 久性研究仍然有限。湖南省某高速公路 的混凝土用 量大 ， 由于处于山区， 需从较远地区运输天然砂 ， 但 运 来 的天然 砂级 配 不 良， 配制 出的 混 凝 土极 易 离 析 泌 水 ， 对混凝 土 的强度 和耐 久性 不利 。鉴 于此 ， 本 文 将采用机制砂和天然砂配制高性能? 搬 土 ， 并对 比 研究了相关力学性能和耐久性能 ， 以解决机制砂在 高速公路混凝土推广应用的关键问题 。 1 原材料及试验方案 1 1 原材 料 水泥( C ) ：雪峰 P O 5 2 5水泥 ， 化学成分及主 收稿 日期2 0 1 3 一 1 0 2 1 作者简介尹明( 1 9 8 1 一) ， 男 ， 湖南 邵阳人 ， 硕士研究生 ， 工程 师， 主要从事高速公路建设管理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 尹 明 ： 高性 能机 制砂 混凝 土在高 速公路 中的应 用 1 8 l 要性能指标见表 1和表 2 ； 粉煤灰 ( F A) ： 湘潭 电厂 生产的风选超细粉煤灰 ， 比表面积为 5 6 0 m k g ， 化 学成分见表 1 ； 矿渣( S G) ： 涟钢泰基牌磨细矿渣， 比 表面积为 4 6 0 m k g ， 化学成分见表 l ； 砂 ( S ) ： 河砂， 级配合格 ， 细度模数 2 7 ， 符合 区要求 ； 机制砂 ( 卜 S ) ： 粒径为 0 4 7 5 m m连续级配 ， 细度模数为 3 2 ， 其筛分结果见表 3 ， 石粉含量为 3 5 ， 其各项指标 符合 建筑用砂中规定 的 类砂要求 ； 碎石 ( G) ： 粒径为 5 2 5 mm的连续级配， 含泥量为 0 6 ， 针 片状含量为 6 2 ， 压碎值为 1 1 2 ， 各项指标符合 G B T 1 4 6 8 5 - 2 0 1 1中 类碎石的要求； 水( W) ： 自来 水 ； 减水剂( S ) ： 聚羧酸减水剂。 表 1 水泥、 粉煤灰和 矿粉的化 学成 分 Ta b l e 1 T he c o mp o s i t i o n o f c e me n t ，fly a s h a n d s l a g 表 2 雪峰牌 P 0 5 2 5水泥性 能指标 Ta bl e 2 The p r o p e r t i e s o f x u e f e ng PO 5 2， 5 c e men t 表 3机制砂的筛分结果 Ta bl e 3 S c r e e n i ng r e s u l t s o f ma n u f a c t u r e d s a nd 筛孔 尺寸 累计筛余 筛孔尺寸 累计筛余 am il l m 4 7 5 O 1 O 3 8 8 6 2 3 6 l 8 2 O 1 5 9 4 0 1 1 8 4 8 7 0 0 7 5 9 6 4 0 6 6 8 5 1 2试 验 方 法 根据 普通 混 凝 土力 学 性 能试 验 方 法 标 准 ( G B T 5 0 0 8 1 - 2 0 0 2 ) 测试混凝土的工作性能和各项 力学性能 ， 根据 普通混凝土长期性能和耐久性能试 验方法 ( G B J 8 2 8 5 ) 测试混凝土的各项耐久性能。 2 高性能机 制砂 混凝土配合 比设计 2 1 高性 能混凝 土 配合 比设计 法 则 高性能混凝土应有 良好的工作性能、 力学性能、 耐久性能和体积稳定性 ， 因此 ， 配制高性能混凝土应 尽量减少用水量 ， 以提高混凝土的渗透性 ； 应尽量减 小水泥用量 ， 以提高混凝土的体积稳定性 ； 优化颗粒 级配， 使混凝土达到最大堆积密度 ； 双掺活性掺合料 和高效减水剂， 以减少用水量 ， 提高混凝土密实度， 改善混凝土 的耐久性 。由于机 制砂含有一 定数 量 的石 粉 ， 因此 ， 在 水 泥 和 减 水 剂 用 量 一 定 的 情 况 下 ， 达到相同坍落度的机制砂混凝 土的用水量一般 高于天然砂混凝土 ， 鉴于此 ， 配制高性能机制砂混凝 土的减水剂掺量应略大于天然砂混凝土。机制砂一 般略粗于天然砂 ， 在制备混凝土时应适当增大砂率。 2 2水胶 比 的选择 根据水泥强 度 ( 5 2 5 MP a ) 、 粗骨料 种类 及 C 5 0混凝土的配制强度 o ( 5 9 9 MP a ) ， 按混凝土 强度公式计算 出所要求 的水胶比： 4 厂 c 。 C f c u 0+ A- B c e 丽 = 0 3 95 9 9 0 4 6 0 0 7 5 2 + 5 。 根据 混 凝 土 强 度 耐久 性 设 计 规范 ( G B T 5 0 4 7 6 2 0 0 8 ) ， 耐久性 C 5 0混凝土的最大水胶 比为 0 3 6 ， 故 将 高性 能 混凝 土 的水 胶 比初 步 确 定 为 0 3 5。 2 3用水量 的选择 根据 混 凝 土 强 度 耐久 性 设 计 规范 ( G B T 5 0 4 7 6 2 0 0 8 ) ， 耐久性 C 5 0混凝土的胶凝材料最大 用量为 4 8 0 k g m ， 故初步确定 耐久性 C 5 0混凝 土 的胶凝材料用量为 4 6 0 k g m 。根据 2 2初步确定 的水 胶 比， 高 性 能 混 凝 土 的用 水 量 初 步 确 定 为 4 60 k g m 0 3 5= 1 61 k g m 。 2 4砂 率 的选择 混凝土的砂率过大时 ， 骨料的总表面积及空隙 率都会增大 ， 在水泥浆含量不变的情况下 ， 而使混凝 土拌合物的流动性减小。相反 ， 当混凝土的砂率过 小时， 又不能保证在粗骨料之间有足够的砂浆层 ， 也 会降低混凝土拌合物 的流动性。因此， 砂率有一个 合理 值。试 验 对机 制 砂 和天 然砂 分 别在 3 5 一 4 3 和 3 2 一 4 0 进行 了试配， 从 图 1及图 2可以 看出 ： 高性能机制砂混凝 土的最佳砂率为 4 0 ， 高 性能天然砂混凝土的最佳砂率为 3 6 ， 此时混凝土 的坍落度最大 ， 分别为 1 8 0 m m和 2 0 0 m m。 2 5配 合 比 的 确 定 根据上述理论计算和试验结果 ， 确定天然砂和 机制砂高性能混凝土的配合比。为达到相近的工作 性能， 相对于天然砂配制的高性能混凝土 ， 机制砂的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 2 公路工程 3 9卷 图 1 砂率对高性能 机制砂混凝土坍落度的影响 Fi g u r e l Th e i n flue n c e o f s a n d r a t i o o n t h e s l u mp o f HP C wi t h ma n uf a c t ur e d s a n d 暑 甚 、 斑 蜜 图 2 砂率 对高性能天然砂混凝土探路度的影响 Fi g ur e 2 Th e i n flu e n c e o f s a nd r a t i o o n t h e s l u mp o f HPC wi t h na t u r a l s a n d 砂率和减水剂掺量略高。天然砂配制高性能混凝土 的砂 率 为 3 6 ， 而 机制 砂 配 制 混凝 土 的砂 率 为 4 0 ， 天然砂高性能混凝 土的减水剂掺量为 1 0 ， 而机制砂混凝土的减水剂掺量为 1 2 ， 见表 4 。 表 4 天然砂和机制砂高性能 混凝 土的配合 比 Ta b l e 4 The p r o p o r t i o n o f hi g h p e r f o r ma n c e e o n e r c t e wi t h n a t u r a l s a n d a n d ma n u f a c t u r e d s a n d ( k g m一 ) 3 高性能机制砂混凝土的性能研究 3 1 高性 能机 制砂 混凝 土 的强度 混凝土强度是工程设计 和质量控制的重要依 据 ， 本文对比研究了机制砂 和天然砂配制高性能混 凝土在不同龄期下的强度 ， 结果见 图 3 。从图 3中 可以看 出： 使用机制砂配制高性能混凝土的强度均 略高于使用天然 砂配 制 的高性能混 凝土。A h me d 的研究也表明， 采用机制砂拌制 的混凝土 2 8 d抗压 强度 比天然砂 的高 出 3 。 。 。这 主要 是 由于机 制 砂 表面粗糙棱角多 ， 可以跟水泥石粘结的更紧密， 降低 界面的孑 L 隙率 ， 从而提高了混凝土的强度。 图 3高性能混凝 土的强度 Fi g u r e 3 T he c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f hi g h pe r f o r ma n c e c o n c r e t e 3 2 高性能机 制砂 混凝 土 的收缩 变形 混凝土的收缩主要包括 自收缩、 干燥收缩 、 塑性 收缩 、 碳化收缩 、 温度收缩等， 是引起混凝土在非荷 载作用下产生裂缝的一个主要原因。采用机制砂和 天然砂配制的高性 能混凝 土收缩试验结果见图 4 ， 由图 4可以看出：机制砂混凝 土的早期收缩比天然 砂混凝土的收缩大， 但机制砂混凝 土的后期收缩值 跟天然砂混凝土比较接近。其原因归结于机制砂含 有一定量 的石粉 ， 石粉会加速水泥的水化 ， 促进水化 碳铝酸盐 的形成 ， 使得机制砂配制的混凝土早期产 生更大的 自收缩 。而且 ， 机制砂配制 的高性能混 凝土掺人 了更多的减水剂 ， 也会增大混凝 土的收缩 变形。本文所用 的机制砂石粉含量 只有 3 5 ， 石 粉含量不大 ， 对混凝土收缩的影响有限， 从而导致了 采用机制砂配制高性能混凝土的后期收缩值跟天然 砂配制的高性能混凝土相近。 48 0 45 0 42 0 3 9 O 36 0 占 3 3 0 3 0 0 褂 2 7 0 婚 2 4 0 2 1 0 l 8 0 l 5 O 1 20 90 6 0 图 4 高性能混凝土的收缩 曲线 Fi g ur e 4 Th e s h r i nk a g e c ur v e o f hi g h p e r f o r ma nc e c on c r e t e 3 3 高性能机制砂混凝土的抗渗性 混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗压力水渗透的 能力 ， 跟混 凝 土 的耐 久性 最 重 要 的指 标 。从 混 凝 土 舳 仰 如 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 尹 明 ： 高性 能机制砂混凝土在高速公路中的应用 1 8 3 抗渗性试验结果来看 ， 高性 能机制砂混凝 土的透水 高度为 1 9 mm， 高性能机制砂混凝 土的透水高度为 2 3 mm， 混凝土的抗渗性能均较好 ， 说 明配制的高性 能混凝土具有较高的密实度。这主要是由于高性能 混凝土的水胶比较小 ， 且掺入 了大量的粉煤灰和矿 渣， 矿物掺合料可以改善混凝土的孔径分布和几何 形状 ， 水化产生的 C S H凝胶可堵塞水的渗透通 道 ， 提高了混凝土的抗渗能力。 采用机制砂配制的高性能混凝土抗渗性略高于 天然砂配制的高性能混凝 土， 这是 由于机制砂 中的 石粉可促进水泥的水化 ， 生成更多的水化产物填充 水泥石的孑 L 隙。而且石粉可阻断混凝土中的透水通 道 ， 改善混凝土的抗渗性 。 3 4 高性 能机制 砂 混凝 土的抗 碳化 性 水泥的水化产物是碱性物质 ， 因此， 混凝土的孔 溶液呈碱性 ， 对钢筋有 良好的保护作用。然而 ， 当硬 化后 的混凝土暴露于空气中， 在适当的湿度下 ， 空气 中的二氧化碳会和混凝 土中的碱性物质发生反应 ， 降低混凝土的碱度， 使混凝土产生收缩， 并造成钢筋 锈蚀 ， 混凝土开裂 ， 这个过程称为碳化 。 本文对 比研究了机制砂和天然砂配制高性能混 凝 土 的抗 碳化 性 能 ， 结 果 见 图 5 。由 图 5可 以看 出 ： 采用机制砂和天然砂配制的高性能混凝土都 比较密 实 ， 其抗碳化能力很高 ， 机制砂配制的高性能混凝土 的抗碳化性能略优于天然砂配制的高性能混凝 土。 这是 由于机制砂提高了混凝土 的抗渗性 ， 使外界的 二氧化碳较难渗入到混凝 土中， 从而提高了混凝 土 的抗碳化性能。 妄 r - 、 餐 龄期 d 图5混凝土碳化深度 Fi g u r e 5 The c a r b o ni z a t i o n de p t h o f c o nc r e t e 4 结论 本文采用机制砂和天然砂分别配制 了高性能混 凝土 ， 并进行了相关力学性能和耐久性能研究 ， 取得 如下结论 ： 机制砂表面粗糙 ， 棱角 多， 与水 泥石粘结更 紧密 ， 配制的高性能混凝土略 比采用天然砂配制 的 高性能混凝土抗压强度高。 机制砂里的石粉可以加速水泥的水化， 使得 高性能机制砂混凝土的早期收缩大于高性能天然砂 的早期收缩 ， 但两者后期相差不大。 高性 能机制砂混凝土 比高性能天然砂混凝 土更密实， 透水高度分 别为 1 9 n l r l l 和 2 3 m l n ， 高性 能机制砂混凝土的抗渗性能更强。 由于高性能机制砂混凝土的抗渗能力更强， 外界 的二氧化碳更难渗入 到混凝土内部， 其抗碳化 能力也更强。 从试验结果来看， 采用机制砂和天然砂配制 的高性能混凝土的相关力学性能和耐久性能都符合 工程实际要求 ， 因此 ， 可用机制砂配制的高性能混凝 土应 用 于本工 程 中 。 参考文献 1 P e d r o Ne l Q u i r o g a ，B S ，M S c T h e E f f e c t o f t h e A g g r e - g a t e s Ch a r a c t e r i s t i c s o n t h e Pe r f o r ma nc e o f P o r t l a n i i Ce me n t C o n c r e t e ： D A m e r i c a ：T h e U n i v e r s i t y o f T e x a s a t A u s t i n De c e mb e r ，2 0 0 3 2 美国 内务部 恳务局 ，王圣培等译 混凝土手册 M 北 京 ： 水 利 电力 出版社 ，1 9 9 0 3 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 钢构桥 中的应 用 J 建筑技 术开发，2 0 0 3 3 0 ( 4 ) ： 3 13 4 4 周大庆， 张道友 ， 赵 华耕， 等机制砂高性能混凝 土配合 比设计 的研究 J 国外建材科技 ， 2 0 0 5， 2 6( 3 ) ： 2 0 2 3 5 吴晓明苏通大桥高性能混 凝土应 用研究 D 南京 ： 东南 大 学 ， 2 0 0 9 6 AEAh me d ，AAE 1 一Ko u r d P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e i n - c o r p o r a t i n g N a t u r a l a n d C r u s h e d S t o n e V e r y F i n e S a n d( J ) A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ，1 9 8 9， 8 6 ( 4 ) ： 4 l 7 4 2 4 7 VMMa l h o t r a ，G GC a r e t t e P e rf o r m a n c e o f C o n c r e t e I n c o r p o r a t i n g Li me s t o n e Du s t a s P a r t i a l Re p l a c e me n t f o r S a n d ( J ) AC I J o u r n a l ，P r o c e e d i n g s ， 1 9 8 5 ， 8 2 ( 3 ) ： 3 6 33 7 1 8 B E H u d s o n Ma n u f a c t u r e d S a n d f o r C o n c r e t e A 5 t h I C A R S y mp o s i u m ，E22 1 Au s t i n，T e x a s 1 9 9 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m