人工砂粉煤灰水工混凝土配合比设计研究.pdf

试验研究 人 工砂粉 煤 灰 水 工混凝 土 配合 比设计研 究 爨邓兆勋 ( 中国水利水电第十一工程局有限公司) 【 摘要】 本 文结合龙 口水利枢 纽提 出了人 工砂粉 煤灰 水工混凝 土配合 比设 计 方法 ，在 此基础 上 开展 配合 比试 验研究，确定各参数的取值范围，并用正交试验研究了各因素对混凝土性能的影响，最终提 出适用于工程的混 凝 土 施 工 配 合 比 。 【 关键词】 人 工砂粉 煤灰配合比 1 工程概 况 龙 口水利枢 纽位 于黄 河 中游北 干流托 克 托龙 口段 尾部 、山西省和 内蒙古 自治区 的交界 地带 ，左 岸是 山西 省忻州市 的偏 关县和 河 曲县 ，右岸 为 内蒙古 自治 区鄂 尔 多斯市 的准格 尔旗 。该 工程 为混 凝土 重力 坝 ，坝顶 高 程 9 0 0 m，坝顶 全长 4 0 8 m，最大坝高 5 1 m。大坝为常态混凝 土 ，方 量 约 9 5万 m。 。 工程前期，大坝混凝土采用河 曲大东梁天然砂作 为混凝 土 细 骨 料 ，但 大 坝 粗 骨 料 生 产 过 程 中产 生 了 2 5 左 右 的石 屑 ，大 量 石 屑既 占用 了 生产 场地 又 污 染 了环境 。而 施 工 单 位 生 产 混 凝 土 所 用 天 然 砂 运 距 远 、 成 本高 ，亟须 寻 找低 成 本 替 代 原材 料 。如何 利 用 人 工 砂 配制 低成 本 、高耐 久 性 、温 度 变 形 小 、具 有 良好 物 理 力学 性能 的水 工 大体 积 混 凝 土 ，从 原材 料 选 择 及 配 合 比试验的技术路线两方面确定 了相应的配合 比设计 方 案 。 2 混凝 土配合 比的技术要 求 ( 见表 1 ) 表 1 混凝 土施 工配合 比技术要 求 坍落度 强度保 极限拉伸值 序号 技术要求 水泥品种 级配 证率 ( 1 0 - 4 ) ( ram) ( ) ( 2 8 d ) 1 C 2 5 F 2 。 0 W 6 P ( ) 4 Z 5 5 O 7 O 9 5 O 8 5 2 C 2 5 F 3 0 0 W 4 p ( ) 4 2 5 5 0 7 O 9 5 0 8 5 3 C20F2O OW 6 P( ) 425 5 0 7 0 95 O 85 4 C o 2 5 F 3 O O W 4 P 04 2 5 5 O 7 0 9 5 O 8 5 3 试验用原材料 3 1 水 泥 大同水泥集团有限公司生产的 “ 云岗牌”普通硅酸 盐 4 2 5 水泥 ，检测结果见表 2 。 表 2 普通硅 酸盐 4 2 5水泥检测结果 凝结时间 标准稠度 胶砂强度 ( MP a ) 表观密度 细度 ( h mi n ) 体积安 烧失量 Mg O S 03 抗压 抗折 检测项 目 用水量 ( ) ( ) ( ) ( k g m3 ) ( ) 定性 ( ) 初凝 终 凝 3 d 2 8 d 3 d 2 8 d 检 测结 果 3 0 8 0 2 4 2： Z 4 3： 3 1 合格 2 7 4 2 4 6 3 1 0 2 6 4 3 1 2 5 O 2 6 8 1 0 4 3 2粉 煤灰 混凝土掺加粉 煤灰不 但 能替代 部分 水 泥 ，降低 工程 造价 ，而且可 以减少 水 泥水化 热 、改 善和 提高 混凝 土 的 耐久性能。本方案初选山西神头二电厂和河曲鲁能电厂 粉煤灰 。 3 2 1 品质检测( 见表 3 ) 3 2 2胶 砂 强 度 水胶 比、灰 砂 比相 同，煤 灰 掺 量 不 同 时 ，P 0 4 2 5 水泥胶凝材料胶砂强度 比见表 4 。 从胶砂强度对 比结果来看 ，神头 二 电 厂 粉 煤 灰 优于 7 7 霪 水 利 水电 施 工 2 0 1 1 第4 期 总 第1 2 7 期 表 3 粉 煤灰品质检测结果表 检测 项 目 细 度 ( ) 烧 失量( ) S O3( ) 需水 量 比 ( ) 表观 密度 ( k g r n 。 ) 神 头二 电厂 9 7 1 0 1 0 4 9 5 O 2 1 1 0 河曲鲁 能电厂 1 1 O 1 7 7 0 5 1 O 1 5 2 0 8 0 表 4 煤灰掺量的胶凝材料抗压强度 比 基 准 神头二 电厂 河 曲鲁能 电厂 龄期 ( d ) ( O ) 1 O 2 O 3 0 l O 2 O 3 O 7 1 O 0 0 8 9 4 8 O 2 7 0 7 8 3 5 7 8 2 6 6 4 抗 压强度( ) 2 8 1 O O O 9 1 0 8 7 5 8 4 0 8 7 1 7 9 6 7 5 8 9 0 1 0 0 0 9 2 4 8 8 5 8 2 5 8 8 7 7 9 4 7 7 6 河曲鲁能电厂粉煤灰。混凝土配合 比试验使用神头二电 厂粉煤灰 ，施工时可用河曲鲁 能电厂粉煤灰替代 。 3 2 3 不同掺量粉煤灰对胶凝材料水化热的影响 依据 水 泥 水 化热 测 定方 法( 溶 解 热法 ) ( GB T 1 2 9 5 9 9 1 )对普通硅酸盐水泥 掺不 同煤灰掺 量的水化热 进行检测 ，结果见表 5 。 表 5 普通硅酸 盐水泥不 同煤灰掺量的水化 热 J g 0 1 O 2 0 3 0 历时 ( d ) 1 1 5 9 0 1 4 0 5 1 3 2 0 1 2 0 0 5 2 3 8 0 2 1 0 O Z 0 5 0 l 8 2 0 5 2 7 0 0 2 4 3 0 2 2 8 0 2 0 2 0 7 2 9 8 O 2 6 4 0 2 4 6 5 Z Z 0 0 从表 5可看出：掺用粉煤灰能降低胶凝材料水化热。 普通硅酸盐水 泥掺用 2 O 、3 O 粉煤灰后 7 d 水化热 分别 降低 了约 1 7 、2 6 。 3 3细骨 料 使用龙 口大坝碎 石厂生 产 的副产 品石屑经 处理而成 的人工砂 ，其检 测 结 果 见 表 6 ，筛分 试 验 结 果见 表 7 、 图 1 。 从 以上检测 结果 可知 ：人工砂 属 于粗砂 ，级配 不满 足 水工混凝土施 工规 范 ( D L T 5 1 4 4 -2 0 0 1 )中砂级 配要求 。按照 水工混凝土施工规范( S D J 2 O 7 8 2 )要 求，人工砂石粉含量应为 6 1 2 ，但 D L T 5 l 4 4 2 0 0 1 标准认为石粉含量放宽到 6 1 8 ，不仅可以改 善混凝土和易性 、抗 分离性 ，还 可提高 混凝 土抗压 强度 和抗渗能力 。故认 为该人 工砂石 粉含量 不会 对混凝 土性 能产生不利影 响。 表 6 细 骨 料 检 测 结 果 表观密度 石粉含量 细度 有机质 泥块 堆积密度 云母含量 饱和面干 坚固性 S O 3 检测项 目 ( k g m0 ) ( ) 模数 含量 含量 ( k g m 0 ) ( ) 吸水率 ( ) ( ) ( ) 检测结果 2 7 2 0 1 4 5 3 1 5 浅于标准色 0 1 5 8 0 0 1 1 4 1 0 2 7 表 7 细骨料 筛分试验 结果 筛孔 尺寸( mm) 5 0 O 2 5 0 1 2 5 O 6 3 0 3 1 5 O 1 6 累计筛余 ( ) 6 4 2 9 0 5 5 9 7 4 8 8 O 6 8 6 2 7 8 ， _ - ；r 二7 ， 一， I r 厂 盘 一 厂 1 0 1 2 5 0 ， 6 3 0 3 1 5 01 6 0 筛孔尺 寸( mm ) 图 1 细骨料 筛分曲线 舳 柏 加加0 一 一 婚鞍基磺 3 4粗 骨料 使用龙 口大 坝碎石 厂生产 的粒径 为 D 2 0 、D 4 0 、D8 0 的人工碎石 ，其检测结果见表 8 。 3 5外加 剂 混凝土掺加外加 剂可 以降低单 位用 水量 ，减少水 泥 用量 ，同样具 有改善 和提 高混 凝土 耐久 性 的能力 。本 方 案经前期对三个厂家不同产品 的水 泥适应性 、最佳掺 量 、 物理性能及 产品单 价 的对 比，选用 山 西永 红外 加剂 厂生 产的 NF一1 缓凝高效 减水剂 和 C ON 引气剂 ，其减水 率 分别为 1 6 9 和 6 1 ，其含气量分别为 2 6 oA和5 4 。 4 混凝土配合比设计试验 根据有 关 规 程规 范 及 本 工 程技 术 要 求 ，计 算 C 2 0 、 C 2 5 混凝土配制强度分别为 2 6 6 MP a 、3 1 6 MP a 。 计算 方法 采用 体 积法 ，骨 料 以饱 和 面干 为准 ，计 算 含气 量采 用标 准 ( 4 5 5 5 )下 限。 试验研究 水胶 比：根据混 凝 土 的抗 压 强度 、抗 冻 、抗渗 等技 术要求 ，结合 有关规 程规 范 的规定 ，初 步选 择水胶 比为 0 40、 0 45、 0 5 0。 粗骨料组合 比例 ：根据各 粒径 粗骨料 按不 同比例组 合后的最大振 实容重并结 合拌 和物 的和易性 情况 ，确定 粗骨 料 的 最 优 组 合 比例 为 ：D 2 0：D 4 0：D 8 0 3 0： 3 0 ：40。 粉煤灰掺量 ：参 照本 工程 技术 要求 和相关 规程 规范 选择 1 O 3 O 的粉煤灰掺量 。 砂率 和用 水量 ：经试拌 ，确定各 水灰 比拌 和用 砂率 和用水量 ，其结果见表 9 。 外加剂掺 量 ：参考 外加 剂选 择后 的最 佳掺量 ，经混 凝土试拌 和，依据 拌和物 的性 能确定 缓凝 高效 减水 剂和 引气剂 的掺量 。 4 1 混凝 土配合 比设 计方 法 采用 L 9( 3 )正交设计方法安排试验 ，其因素水平 表见表 1 O 。 表 8 粗 骨 料 检 测 结 果 粒径 表观密度 饱和面干 含泥量 泥块 空隙率 堆积 针片状颗 超逊径含量 ( ) 压碎指标 坚固性 S O 3 吸水率 密度 粒含量 ( r n m) ( k g m0 ) ( ) 含量 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( k g m3 ) ( ) 超 逊 5 2 O 2 6 9 O O 7 O 0 5 无 4 5 1 4 8 0 6 4 0 1 8 1 1 3 1 O 1 8 2 0 4 0 2 7 0 0 O 5 4 O 2 无 4 6 1 4 7 0 3 1 2 6 7 O 1 6 4 0 8 0 2 7 1 O 0 4 7 O 1 无 4 6 1 4 6 0 2 O 2 0 表 9 混凝 土砂 率和 用水量表 试验 坍落度 减水剂 引气剂 水胶比 编号 级配 煤灰掺量 ( ) ( n 1 m) ( ) ( o ) O 4 0 0 4 5 O 5 O 1 O 1 O O 1 8 I K3 5 0 7 0 2 0 1 O 0 2 2 3 0 1 O 02 4 表 1 O L 9 ( 3 4 )正交设计 因素水平表 承 乎 因素 1 2 3 水 胶 比 A 0 4 0 0 4 5 O 5 O 粉煤 灰掺 量( ) B 1 O 2 0 3 0 注C、 D 为 空 列 ，试 验 编 号 为 L K3 。 4 2 混凝土试拌配合比 ( 见表 1 1 ) 试验表 明：要 达 到基本 相 同的含 气量 ，引气 剂掺 量 随粉煤灰掺量 的增大而增大 。 4 3 混凝 土试验 结果( 见 表 1 2 ) 4 4 试 验 结果极 差分 析 ( 见表 1 3 ) 以上分析表 明： ( 1 )水胶 比对 混凝 土物理性 能影响最大 ，属于重要因 素 ；粉煤灰掺量对 混凝 土物 理性 能影 响次 之 ，属于 次要 因素 。从空列极差 值来 看 ，试 验误 差 的估 计 值 较小 ，说 明试验精度是相 当高 的。 ( 2 )粉煤灰对混凝土的强度影响较大 ，随着粉煤灰掺 量 的增加 ，混凝土强度降低 明显 。 ( 3 )增 大粉煤灰掺 量虽然可 以降低混凝土 的弹模 ，但 也会 降低混凝土 的抗压强度 和极 限拉伸值 。 4 5回归分 析 对规定龄期 的混凝土 抗压 强度 与胶水 比及 粉煤 灰掺 量进行 回归分析 ，结果见表 1 4 。 5 混凝 土施工配合 比 根 据 以上 混 凝 土 配 制 强 度 和 回归 分 析 试 验 结 果 ， 参 照 相 关 规 程规 范要 求 ，提 出人工 砂施 工混凝 土配 合 7 9 熬 水 利 水电 施 工 2 0 1 1 第4 期 总 第1 2 7 期 表 1 1 混 凝 土 试 拌 配 合 比 粉煤 灰 砂 率 NF 一1 C 0 N 每立方 米混凝 土材料 用量( k g m。 ) 成型编号 水胶 比 掺量 掺量 ( ) ( ) 水 水 泥 粉煤 灰 砂 小石 中石 大石 NF 一1 C oN ( ) ( l O - 4 ) L K31 0 4 0 1 0 2 6 1 O 1 8 1 2 4 2 7 9 3 1 5 1 3 4 3 3 4 3 5 5 8 2 3 1 0 0 0 0 5 6 LK32 0 4 0 2 0 2 6 1 0 2 2 1 2 2 2 4 4 6 1 5 1 3 4 3 3 4 3 4 5 8 1 3 0 5 0 0 0 6 7 LK33 0 4 0 3 0 2 6 1 O 2 4 1 2 0 2 1 0 9 0 5 1 2 4 3 2 4 3 4 5 8 1 3 0 0 0 0 07 2 LK34 O 4 5 1 O 2 8 1 O 1 8 1 2 0 2 4 0 2 7 5 6 7 4 3 3 4 3 4 5 8 1 2 6 7 0 0 0 4 8 LK35 O 4 5 2 0 2 8 1 O 2 2 1 1 8 2 1 0 5 2 5 6 7 4 3 2 4 3 4 5 8 1 2 6 2 0 O O5 8 LK36 0 4 5 3 0 2 8 1 O 2 4 1 1 5 1 7 9 7 7 5 6 8 4 3 3 4 3 5 5 8 2 2 5 6 0 0 0 6 1 LK37 O 5 0 1 0 3 0 1 0 1 8 1 1 5 2 0 7 2 3 6 2 2 4 3 0 4 3 2 5 7 8 2 3 0 0 0 0 4 1 LK38 O 5 0 2 O 3 0 1 O 2 2 1 1 3 l 8 1 4 5 6 2 2 4 3 0 4 3 2 5 7 8 2 2 6 0 0 0 5 0 L K39 0 5 O 3 O 2 9 1 O 2 4 1 1 1 1 5 5 6 7 6 0 1 4 3 7 4 3 8 5 8 6 2 2 2 0 O 0 5 3 表 1 2 混凝土拌和物性能及成 果 煤灰 坍落度 舍气 抗压强度 ( MP a ) 劈裂强度 抗冻 极限拉伸 弹性模量 ( MP a ) ( 1 0 -4 ( G P a ) 抗渗 试拌编号 级配 水胶比 掺量 (r am) 量 ( ) ( ) 7 d 2 g d 9 0 d 2 8 d 9 0 d 2 8 d 9 0 d Z S d Z 8 d Z S d LK31 0 4 0 1 0 6 0 4 9 3 1 4 3 8 6 4 2 2 2 9 5 3 4 9 1 0 7 3 5 5 LK32 0 4 0 2 0 6 3 5 O 2 8 O 3 6 6 4 0 5 2 6 8 3 2 O O 9 8 3 3 6 LK33 O 4 0 3 0 6 1 5 2 2 5 8 3 4 4 3 7 5 2 6 3 3 1 O 0 9 5 3 0 8 L K34 0 4 5 l 0 7 0 5 0 2 8 5 3 5 5 4 0 1 2 6 0 2 9 0 1 0 4 3 2 O L K3 5 O 4 5 2 0 6 9 5 0 2 4 7 3 l _ 6 3 6 1 2 5 5 2 6 8 F 3 0 0 合格 F 3 0 0合格 O 9 7 3 1 | 2 L K3 6 O 4 5 3 0 7 3 5 O 2 1 1 2 7 2 3 2 8 2 4 7 2 5 0 F 3 0 0 合格 F 3 0 O合格 0 9 6 3 O 6 W6 合格 L K37 O 5 O 1 O 6 8 5 O 2 6 4 3 2 2 3 4 1 2 4 9 2 6 3 0 9 3 3 1 2 L K3 8 O 5 O 2 0 7 1 4 6 2 2 1 2 8 7 3 1 4 2 3 0 2 5 0 F 3 0 0 合格 0 9 0 2 9 7 L K3 9 O 5 O 3 0 7 0 5 O 1 8 8 2 3 6 2 6 7 2 1 2 2 3 3 F 2 0 0 合格 0 8 9 2 8 2 W6 合格 表 1 3 KL 3试拌结果( 2 8 d )极差分析 项目 抗压强度 ( MP a ： 劈裂强度 ( MP a ) 极限拉伸 ( 1 0 - 4 ) 弹性模量 ( MP a ) 因素 A B C D A B C D A B C D A B C D K1 1 O 9 6 1 0 6 3 9 4 5 9 3 8 8 2 6 8 0 4 7 7 2 7 6 2 3 0 O 3 0 4 2 9 3 2 9 3 9 9 9 9 8 7 9 5 8 9 4 9 K2 9 4 3 9 6 9 9 5 7 9 6 7 6 2 7 5 3 7 4 7 6 4 2 9 7 2 8 5 2 9 1 2 8 7 9 3 8 9 4 5 9 3 8 9 5 4 K3 8 4 5 8 5 2 9 8 2 9 8 6 6 9 1 7 2 2 7 6 7 7 5 3 2 7 2 2 8 2 8 5 2 8 9 8 9 1 8 9 6 9 3 2 9 2 5 R 2 5 1 2 1 1 3 7 4 8 l _ 3 5 0 8 2 0 3 2 0 1 1 0 2 8 0 2 4 0 0 8 0 O 6 1 O 8 9 1 2 6 2 9 表 1 4 胶 水比与抗压强度回归分析结果 试拌组合编号 级配 煤灰掺量 ( ) 龄期 回归方程 相关系数 R 2 8 d 一 1 6 8 X l 0 3 5 1 6 7 r 2 + 1 4 3 3 3 3 0 9 8 1 L K 3 1 0 2 0 3 0 9 0 d 一 1 8 4 5 2 4 6 xl - 0 3 2 3 3 3 c 2 + O 8 3 0 6 0 1 0 9 8 1 注 】 一胶 水 比； 2 一 煤灰掺量 。 比 ( 基准坍落度为 5 O 7 0 ram)见表 1 5 。该 配合 比经 与前期天然砂施工配合比相 比较 ，虽然人工砂细度模 数大 、石粉 含 量高 但胶 凝材 料用 量 基本 相 同 ，外 加 剂 用量 增加 了 三 分 之 一 ，经 运 距 、材 料 单 价 等 综 合 比 较 ，每立方 米 混 凝 土 费 用 仍 然 低 于 天 然 砂 混 凝 土 费用 。 6 结束语 用石屑加工处 理而成 的人 工砂 ，辅 以适量 的优质粉 煤灰、外加剂等材料，可以配制出满足工程技术要求的 低成本 水工混凝土 。 表 1 5 人工砂 混凝 土施工配合比表 配合比参数 每立方米混凝土材料用量 ( k g m 3 ) 序 号 技 术要求 级 配 用水 量 煤 灰 减水 剂 引 气剂 砂率 水胶比 水泥 粉煤灰 水 砂子 小石 中石 大石 减水剂 引气剂 ( k r n 3 ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 C2 5 F2 0 0 W 6 0 4 5 1 1 8 2 0 1 O 0 2 2 2 8 2 1 0 5 2 1 1 8 5 6 7 4 3 2 4 3 4 5 8 1 2 6 2 0 O O 5 8 2 C2 0 F2 O O W 6 0 49 1 1 3 2 5 1 O O 2 2 3 0 1 7 3 5 7 1 1 3 6 1 9 4 2 8 4 3 0 5 7 6 2 3 0 6 O 0 5 7 3 C9 0 2 5 F3 0 0 W 4 O 5 0 1 1 3 2 0 1 O O 2 2 3 0 1 8 1 4 5 1 1 3 6 2 2 4 3 0 4 3 2 5 7 8 2 2 6 0 0 0 5 0 8 0