人工砂碾压混凝土的性能试验研究.pdf

2 0 1 3 年 第 8 期 (总 第 2 8 6 期 ) Nu mb e r 8 i n 20 1 3( To t a l No 28 6 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M AT ERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 8 0 2 5 人工砂碾压混凝土的性能试验研究 王立华 1 ,2 1刘佳 1 ,2 ，詹镇峰 。 ，陈理达 1 I 2 ( 1 广东省水利水电科学研究院，广东 广州 5 1 0 6 1 0 ；2 广东省水利重点科研基地 ，广东 广州 5 1 0 6 1 0 ； 3 广州大学 ，广东 广州 5 1 0 0 0 6 ) 摘要： 人工砂碾压混凝土具有 良好的性能， 得到广泛的应用。 系统研究了人工砂碾压混凝土的力学性能、 变形性能 、 耐久性能 和热学性能。 研究发现 ， 随着胶水 比增大， 碾压混凝土抗压强度 、 劈裂抗拉强度 、 轴向抗拉强度和极限拉伸增大 ， 呈线性关系。 随着 龄期增长， 碾压混凝土抗压强度增大 ， 呈对数关系。 当灰岩人工砂石粉含量 1 8 、 水胶比 0 6 0 - 0 5 0 、 使用 4 2 5 级中热硅酸盐水泥 时 ， 9 0 d 龄期时 ， 碾压混凝土抗压强度 2 0 3 0 MP a ， 于缩约 2 5 0 x 1 0 ， 弹性模 量约 3 0 G P a ， 自生体积变形 2 8 x 1 0 ， 线膨胀系数约 4 5 x 1 0 4， 抗冻强度等级可达 F 1 0 0 ， 抗渗等级 W2 - W4 ， 2 8 d绝热温升 1 6。 关键词 ： 人工砂 ；碾压混凝土；性能 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 8 0 0 9 4 0 4 E x p e r i me n t a l r e s e a r c h o n t h e p r o p e r t i e s o f m a n u f a c t u r e d s a n d r ol l e d c o m p a c t e d c o n c r e t e WAN G Li h u a1 , 2 ， LI U J i a1 , 2 ZHAN Zhe n f e n g ， CHEN Li d a ( 1 G u a n g d o n g R e s e a r c h I n s t i t u e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o we r ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 1 0 ， C h i n a ； 2 K e y S c i e n t h fi c R e s e ar c h B a s e o f G u a n g d o n g ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 1 0 ， C h i n a ； 3 G u a n g z h o u U n i v e r s i t y ， G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： M a n u f a c t u r e d s a n d r o l l e d c o mp a c t e d c o n c r e t e h a s b e e n u s e d wi d e l y f o r i t s g o o d p e rfo r man c e T h e me c h an i c a l p r o p e r t i e s d e f o r ma t i o n p r o p e rt i e s ， d u r a b i l i ty p r o p e r t i e s a n d t h e r ma l p r o p e r t i e s we r e s y s t e ma t i c a l l y s t u d i e d i n t h i s p a p e r Re s u l t s i n d i c a t e t h a t ， t h t h e i n c r e a s e o f b i n d e r wa t e r r a t i o， c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ， s p l i t t i n g t e n s i l e s tr e n g t h， a x i a l t e n s i l e s tr e n gth a n d u l t i ma t e t e n s i l e o f r o l l e d c o mp a c t e d c o n c r e t e in c r e a s e l i n e a r l y Al o n g wi t h t h e a g e g r o wt h， c o mp r e s s i v e s tr e n gth o f r o l l e d c o mp a c t e d c o n c r e t e i n c r e a s e b y l o g a r i t h mi c r e l a t i o n s h i pW l i me s t o n e man uf a c t u r e d s a n d s t o n e p o wd e r c o n t e n t 1 8 ， wa t e r - bi n de r r a t i o O 6 0 0 5 0 an d the c e me n t PMH4 25， the 9 0 d c o rn p r e s s i v e s t r e n g t h o f r o l l e d c omp a c t e d c o n c r e t e i s be t we e n 2 0 MPa and 30 MPa， 9 0 d d r y s hr i n k a g e i s a b o u t 2 5 01 0 ， 9 0 d mo d ul u s ofe l as t i c i ty i s a b o u t 3 0 GP a ， s e l f - gro wi n g v o l u me d e f o r ma t i o n i s 2 8 x 1 0 o r s o ， c o e ffic i e n t o f l i n e ar e x p a n s i o n i s a b o u t 4 5 x 1 0 4 ， f r o s t r e s i s t a n c egra d e r e a c h e sFI O0 Ant i pe r me a b i l i t ygra d ei sb e t we e nW 2 a n dW 4 a n d2 8 da di a ba t i ct e mp e r a t ur e r i s e sb y1 6 Ke y wo r d s ： ma n u f a c t u r e d s a n d ； r o l l e d c o mp a c t e d c o n c r e t e ； p r o p e rt i e s 0 引 言 碾压混凝土坝不设纵缝 ， 采用通仓薄层铺料 、 连续上 升的施工方法， 施工速度快， 工期短， 发挥效益早 ， 水泥用 量 少 ， 绝热温升低 ， 温控简单 ， 工程造价低 ， 从而得 到广泛 的应用。 人工砂可提高碾压混凝土的可碾性 、 降低湿陷性 ， 改善其施工性能 ， 提高混凝 土的抗压强度 、 抗拉强度 、 抗渗 性能和抗冻性能 ， 减小水泥用量 ， 降低热强 比， 改善碾压混 凝土的性能和经济效益， 因此， 近年来 ， 人工砂在碾压混凝 土得到了广泛应用和推广 1 。 本试验对人工砂碾压混凝土的 力学性能、 变形性能、 耐久性和热学性能进行了系统研究。 1 原材料 水泥为韶关 昌山水泥厂有限公 司生产 ， 粤海牌中热硅 酸盐水泥 ， 强度等级为 P MH 4 2 5 ； 粉煤灰 为韶关 市松尧 收稿日期：2 0 1 3 - - 0 2 1 6 基金项 目：广东省水利厅和乐 昌峡水利枢纽工程管理处资助( 2 0 0 6 1 0 ) 9 4 环保建材有限公司的 I 级粉煤灰 ， 掺量为胶材用量的 1 0 ， 检验结果见表 3 ； 减水剂为建标 F D N 4 4 0 T ， 萘 系高效减水 剂 ， 掺量 为 1 3 ； 引气剂掺量 0 8 ； 粗骨料为乐 昌峡水利 枢纽工程将军 山石场灰岩碎石 ， 三级配 ， 经过水洗 ， 其组成 为 5 - 2 0 mm 占 3 0 、 2 0 4 0 mm 占4 0 、 4 0 8 0 1 T I n 1 占 3 0 。 细集料为乐昌峡水利枢纽工程将 军山石场灰岩人工砂 ， 石 粉含量为 1 8 。 混凝土配合 比采用饱 和面干为基准 ，粉煤 灰掺量 为 6 0 ， 砂率 为 3 4 ， 水胶 比为 0 6 0 、 0 5 5 、 0 5 0 ， 配 合 比见表 8 ， 主要性 能指标包括抗压强度 、 劈裂抗拉强度 、 轴 向抗拉强度 、 极限拉伸 、 静力抗压弹性模 量 、 干缩 、 自生 体积变形、 抗渗等级、 抗冻和热学性能等。 表 1 水泥物理力学性能试验结果 表 2 水泥化学组成 表观密度( k g m ) 松散堆积密度( k g m3 ) 细度模数 吸水率 石粉含量 泥块含量 云母含量 级配区间 编号石 量 水胶 比粉 量 2抗压 强度 由图 1 可知 ， 当砂率 、 粉煤灰和水 泥用量相 同时 ， 随着 水胶 比减小 ， 碾压混凝土抗压强度增大 ， 7 、 2 8 、 9 0 d龄期碾 压混凝 土抗 压强度与胶水 比呈线性关 系。 7 d 龄期碾 压混 凝土抗压强度 。 ) 胶水 比( P ， w) 关 系式 ： 0 - 6 7 9 5 P W - O 9 0 1 ( 1 ) 2 8 d龄期碾压混凝土抗压强度一 胶水 比关 系式 ： ，0 = 9 3 9 6 P W- O 1 9 4 ( 2 ) 9 0 d 龄期碾 压混凝土抗压强度一 胶水比关系式 ： ，o =1 6 2 2 7 P W- 5 4 2 9 ( 3 ) 由于在碾压混凝土中使用了较多的掺合料 ， 其早期抗压 胶水 比 图 1 胶水比对碾压混凝土抗压强度的影响 强度较低， 至2 8 d 以后， 由于掺合料中活性氧化硅等与水泥 水化过程中产生的 C a ( o H) 发生二次水化反应 ， 生成水化硅 酸钙凝胶等水化产物， 使胶凝材料不断密实， 强度不断提高。 所以， 掺粉煤灰的碾压混凝土， 2 8 d 龄期到 9 0 d 龄期的强度 增长率 比不掺粉煤灰的碾压混凝土高得多 。 由图 2 可知 ， 与 普通混凝土类似 ， 碾压混凝土抗压强度一 龄期关 系呈对数关 系 ， 2 8 - 9 0 d 龄期的抗压强度增长率为 3 9 4 7 ， 平均 4 3 。 龄 期 ， d 图2 龄期对碾压混凝土抗压强度的影响 当水胶 比 0 6 0 时 ， 碾压混凝土抗压强度 ，旷龄期 t 关 系式 ： o - - 4 3 9 5 1 n ( t ) + 1 7 4 2 ( 4 ) 当水胶比O 5 5 时， 碾压混凝土抗压强度厶 ，旷龄期 t 关 系式 ： 95 ，0 - - 4 8 7 5 1 n ( t ) + 1 2 4 5 【 5 ) 当水胶 比 0 5 0 时 ， 碾压混凝土抗压强度 厂 叫 旷龄期 t 关 系式 ： 0 - - 5 5 9 1 1 n ( f ) + 1 3 7 6 ( 6 ) 3 劈裂抗拉强度 由图 3 可知 ， 当砂率 、 粉煤灰和水泥用量相 同时 ， 随着 水胶比减小， 碾压混凝土劈裂抗拉强度增大， 2 8 、 9 0 d龄期 劈裂抗拉强度与胶水 比呈线性关系 ， 相关性 良好 。 2 8 d 拉压 比 5 I4 o 7 2 ， 平均 6 3 ； 9 0 d 拉压 比7 0 8 5 ， 平均 7 8 ； 9 0 d 拉压比明显较 2 8 d 大。 随着龄期增长 ， 劈裂抗拉强度增 大 ， 2 8 d 龄期到 9 0 d 龄期 的抗拉强度增长率为 4 3 9 3 ， 平均 7 1 。 劈裂抗拉强度增长的速度较同龄期的抗压强度 大。 这是因为粉煤灰玻璃珠表面较致密 ， 不易水化 ， 2 8 d以 后才开始大量水化 ， 到 9 0 d 龄期时， 玻璃珠表面产生大量水 化硅酸钙等水化产物 ， 它们相互交错搭接 ， 形成很高的黏结 强度。 同时硬化胶凝材料与骨料的黏结面处显微硬度也相 应提高 ， 因此混凝土的抗拉强度提高较显著。 同样 9 0 d 龄期 以后碾压抗拉强度增长也明显高于抗压强度的增长速率。 胶 水 比 图 3 胶水比对碾压混凝土劈拉强度的影响 4 轴向抗拉 强度 由图 4 可知 ， 当砂率 、 粉煤灰和水泥用量相 同时 ， 随着 水胶 比减小 ， 碾压混凝 土 9 0 d 轴向抗拉强度增大 ， 呈线性 关 系 ， 相关性 良好 。 拉压 比 5 2 5 8 ， 平 均 5 5 ， 比人工 砂普通混凝土低。 胶 水 比 图 4 胶水比对碾压混凝土轴拉强度的影响 5 静 力抗压 弹性模量 由表 9可知 ， 当砂率 、 粉煤灰和水泥用量相 同时 ， 随着 水胶 比由 0 6 0 减小到 0 5 0 ， 碾压混凝土 2 8 、 9 0 d 静 力抗压 弹性模量有所增大。 随着龄期增长， 碾压混凝土的弹性模量 增大， 2 8 9 0 d龄期的增长率 8 2 2 ， 平均值 1 4 。 一般 9 0 d龄期抗压强度为 1 0 2 0 M P a的高粉煤灰含量碾压混 凝土， 其弹性模量大约为2 5 3 1 G P a 。 6 极 限拉 伸 碾压混凝土的极限拉伸值是指碾压混凝土在拉伸断 9 6 表 9 碾压混凝土静力抗压弹性模量 裂时的拉伸变形能力， 该值是衡量碾压混凝土抗裂性能的 一 个重要 的参数 ， 对碾压混凝土坝的抗裂 、 抗剪和层面结 合等具有重要影响作用。 碾压混凝土的极 限拉伸值 主要受 胶凝材料用量 、 混凝土 的抗拉强度 、 骨料 品种 、 骨料 的弹性 模量及混凝土的弹性模量等的影响。 由图 5 可知 ， 当砂率 、 粉煤灰 和水泥用量 相同时 ， 水灰 比 0 6 0 0 5 0时 ， 极 限拉伸值为 4 7 x 1 0 5 8 x 1 0 ， 随着水胶 比减小 ， 碾压混凝土极 限拉伸值增大 ， 9 0 d龄期极 限拉伸 值 与胶水 比呈线性关系 ， 相关性 良好。 胶 水 比 图 5 胶水比对碾压混凝土极 限拉伸的影响 7 干燥收缩 由图 6 可知 ， 随着龄期增长 ， 碾压混凝土干缩早 期增 长快， 2 8 d 龄期后趋缓， 但到 9 0 d龄期时， 混凝土干缩仍在 继续。 当人工砂石粉含量 1 8 、 当水胶比 0 6 0 0 5 0 时 ， 9 0 d 龄期 的干缩 为 2 4 3 x 1 0 2 5 0 x 1 0 ， 随着水胶 比减小 ， 碾压 混凝土干缩基本相等 ， 可见碾压混凝土干缩值基本不受水 胶 比的影响。 2 5 O 2 0 0 宝1 5 0 1 0 0 5 0 0 2 0 4 0 6 O 8 0 1 0 0 龄期 ， d 图 6 胶水比对碾压混凝土干缩的影响 碾压混凝土 由于用水量少 ， 胶凝 材料用量也较少 ， 且 掺有较大比例的粉煤灰 ， 因此其干缩远低于常态混凝土。 常态混凝土 2 8 d 干缩率一般为 3 0 0 x 1 0 5 0 0 x 1 0 ； 掺粉煤 灰的碾压混凝土 2 8 d 干缩率一般为 1 3 0 x 1 0 2 5 0 x 1 0 。 8 自生体积 变形性 能 由图7 可知， 碾压混凝土在各龄期内自生体积变形均 为收缩 ， 早期收缩较快， 后期趋缓， 但到 9 0 d龄期收缩尚未 停止。 碾压混凝土自生体积变形值 9 0 d 龄期时仅 2 7 5 1 0 ， 比人工砂普通混凝土和河砂普通混凝土小得多 ， 对混凝 土 抗裂有利 。 宝0 一 1 0 - 2 0 蛏 一 3 0 I 4 o 0 2 0 4 0 6 O 8 0 1 0 0 龄期， d 图 7碾压 混 凝土 自生体积 变形 一 龄 期关 系 图 碾压混凝土 中水泥用量少 ， 掺用 的粉煤灰主要水化反 应发生在后 期 ， 因此 ， 自生体积变形较小 ， 碾压混凝土 的自 生体积变形通常只有常态混凝 土的 5 0 左右。 9 线膨胀 系数 线膨胀系数与混凝土的配合 比及骨料性质有关 。 随着 混凝土 中骨料用量 的增大 ， 线膨胀 系数减小。一般混凝土 的线膨胀 系数在 6 x 1 0 - 6 1 2 x 1 0 叫之 间。 配合 比编号为 A 群的碾压混凝 土线膨胀 系数为 4 5 l 0 ， 比人工砂普通混 凝土和河砂普通 混凝土小得 多 ， 可见碾压混凝土抗温度裂缝 的能力远大于普通混凝土 ， 尤 其适合大体积混凝 土。 1 0 抗渗 等级 碾压混凝土的抗渗性除关系到混凝土的挡水作用外 ， 还直接影响混凝土的抗冻性及抗侵蚀性等性能 。 碾压混凝 土的抗渗性主要取决 于配合 比及混凝 土的密实度。 高粉煤 灰含量碾压 混凝 土由于水胶 比较小 、 施工密实 ， 故原生孑 L 隙较少 。 随着龄期的延长 ， 粉煤灰逐渐水化 ， 水化产物不断 填充原生孔 隙， 使粗孔细化 ， 细孔堵塞 ， 部分连通孔隙变成 封闭孔隙， 因此抗渗性能随着龄期的延长而明显提高 。 这是 高粉煤灰含量碾压混凝土的一个明显特点回 。 由表 1 0 可知， 当砂率、 粉煤灰掺量和人工砂石粉含量 相同时， 随着水胶比减小 ， 碾压混凝土抗渗等级提高， 抗渗 性能提高 。 随着龄期增长 ， 人工砂混凝土 的抗渗等级提高 。 平均来说 ， 9 0 d 龄期较 2 8 d 龄期 ， 人工砂混凝土抗渗等级提 高一级， 而且， 水胶比由 O 6 0减小到 0 5 0 ， 龄期增长对抗渗 等级提高影响更大 。 表 1 0 碾压混凝土抗渗等级 1 1 抗冻 强度等级 随着碾压混凝土筑坝技术 的发展 ， 越来越 多的工程直 接把碾压混凝土用作水 工建筑物 的外部混凝土 。 寒冷和严 寒地区使用碾压混凝土作为水工建筑物的外部混凝土必然 要考虑其抗冻性。 由表 1 1 可知， 当砂率 、 粉煤灰掺量和人工 砂石粉含量相同时， 随着水胶比减小， 碾压混凝土抗冻强度 等级提高 ， 抗冻性能提高 。 当水灰 比为 0 5 0 0 6 0 ， 石粉含量 1 8 时， 人工砂碾压混凝土的抗冻强度等级均可达到 F 1 0 0 。 胶水 比 图 8 胶水 比对碾压混凝土渗透系数的影响 表 1 1 碾压混凝土抗冻强度等级 1 2 热 学性能 配合 比编 号 为 A 的碾 压 混 凝 土 比热 为 1 0 0 5 k g ( ) ， 导温系数为 0 0 0 3 3 1 m g h ， 导热系数为 7 0 9 l ( J ( m h ) 。 绝热温升过程线见图 9 ， 随着龄期增长 ， 由于水 泥水化不断深入， 水化热释放， 碾压混凝土绝热温升不断升 高， 早期升高快， 7 d 后升高速度变缓， 2 8 d 后趋于稳定。 按指 数形式进行拟合， 见式( 7 ) ； 按倒数形式进行拟合 ， 见式( 8 ) 。 _l _ e t ( 7 ) 1 6 6 ! ! ： ( 8 ) 时 司 ， d 图 9 碾压混凝土绝热温升曲线 1 3结 论 随着胶水 比增大 ， 碾压混凝土抗压强度 、 劈裂抗拉强 度 、 轴 向抗拉强度和极 限拉伸增 大 ， 呈线性关 系。 随着龄期 增长 ， 碾压混凝土抗压强度增大 ， 呈对数关系。 当灰岩人工砂石粉含量 1 8 、 水胶比0 6 0 0 5 0 、 使用 4 2 5 级中热硅酸盐水泥时， 碾压混凝土抗压强度 2 0 3 0 MP a ， 9 0 d 龄期的干缩约 2 5 0 x 1 0 ， 弹性模量约 3 0 G P a ， 自生体积 变形 2 8 1 0 ， 线膨胀 系数 约 4 5 x 1 0 - 6 ， 抗 冻强度等级可 达F 1 0 0 ， 抗渗等级 P 2 P 4 ， 2 8 d 绝热温升 1 6。 参考文献： 1 】1徐健， 蔡基伟， 王谡良， 等 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 ， 2 5 ( 3 ) ： 2 0 2 4 2 黄绪通， 韩正江 人工砂石粉含量对混凝土性能影响的研究与 应用 水利发电， 1 9 9 5 ( 1 ) ： 8 7 9 0 作者简介： 王立华( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 高级工程师， 硕士， 主要从事水工 混凝土、 特种混凝土及新型建筑材料开发、 研究、 推厂。 联系地址： 广州市天河区天寿路 1 0 1 号 广东省水利水电科学研 究院( 5 1 0 6 l O ) 联系电话 ： 1 3 9 2 4 0 7 6 7 2 8 9 7