机制砂和细砂在C60高性能混凝土中的研究.pdf

2 0 1 2 年 第 1期 (总 第 2 6 7 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 6 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 预拌混凝土 RE ADY M D D CONCRETE 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 2 0 1 0 2 9 机制砂和细砂在 C 6 0高性能混凝土中的研究 胡晓曼 ，董献国 ( 安徽省水利科学研究院 ，安徽 蚌埠 2 3 3 0 0 0 ) 摘要： 针对安徽省建筑用砂的特点， 采用细河砂与机制砂混掺， 配制 C 6 0高性能混凝土， 通过正交试验优化混凝土配合比。 试验结果 表明： 用 6 0 的机制砂 + 4 O 的天然细砂做细骨料 ， 能够满足高性能混凝土的各项技术指标要求， 与天然中砂相比， 其力学性能和耐久性 能效果更为理想。 关键词： 机制砂；高性能混凝土；正交试验；力学性能；耐久性 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 9 1 0 3 St ud y on manu f a c t u r e d s and a nd f i ne -n a t ur e s an d i n hi gh p er f o r manc e c onc r e t e HU Xi a o - ma n， DONG Xi a n - gu o ( A n h u i Wa t e r Re s o u r c e s R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e n g b u 2 3 3 0 0 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： I n v i e w o fc h a r a c t e r i s t i c o n s a nd us e d i n c o n s t r u c t i o n i n d u s t r y o f An h u i P r o v i n c e， us i n g t h e mi x t u r e o f fin e n a tur e s and a n d ma n u f a c t u r e d s a n d， h i g hp e r f o r man c e c o n c r e t e o f C6 0i sp r e p a r e da n dt h e c o n c r e t emi x r a t i oi s o p t i mi z e db yo h o g o n a l e x pe r i me n t Te s t r e s u l t si n d i c a t et h a t i n d i c a t o r s r e q u i r e s i n h i 曲 p e r f o r ma n c e c o n c r e t e a r e s a t i s fi e d b y t h e mi x t u r e o f ma c h i n e ma d e s a n d o f 6 0 p e r c e n t a n d fi n e n a t u r e s a n d o f 4 0 p e r c e n t a s fin e a g g r e g a t e Co mp are dwi t hma n u f a c t u r e d s a n dm i d d l e n a tur e s a n d， t h e e f f e c t i v e n e s si s be t t e r i nme c h a ni c a l p r o p e r t i e s a n dd u r a b i l i t y K e y wo r d s ： ma n u f a c tur e d s a n d ； h i g h p e r f o r manc e c o n c r e t e ； o rt h o g o n a l e x p e r ime n t ； me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ； d u r a b i l i ty 0 引言 长江和淮河两大河流横贯安徽省内， 过去建筑用砂主要来自这 两大河流， 随着开采量的增大， 河砂质量日益下降， 基本以细砂为主， 但商陛能混凝土对建筑用砂提出了越来越高的要求， 细砂已不能满 足工程需求， 且随着环保力度的加大， 禁采范围越来越广。 长期混 凝土以河砂为细骨料的安徽省不得不探求砂资源的可持续发展， 制砂替代河砂已经成为? 昆 凝土行业可持续发展的一种趋势 1 _ 3 1 。 机制砂是由机械破碎、 筛分制成的， 粒径小于 4 7 5 1 T l n l 的岩 石颗粒， 但不包括软质岩、 风化岩石的颗粒， 由机制砂和天然砂混 合制成的砂为混合砂嘲 。 安徽省境内用来生产机制砂的岩石分布 比较广泛， 储量丰富， 可缓解河砂紧张状况阁 ； 而且机制砂可以就近 开采就地使用， 节省运费， 为砂资源的可持续发展提供一条道路。 本研究对省内主要机制砂产区进行了考察 ， 不同产地机制 机制砂引起了越来越广泛的关注和研究。 就全国范围来看， 使用机 砂性能指标见表 1 。 表 1 安徽 省内机 制砂主要性能指标 从表 l 可以看出， 省内机制砂以中粗砂为主， 这与其他省份 机制砂的细度模数一致 。 结合省内建筑用砂以细砂为主的实际 情况， 采用细砂和机制砂混掺制得中砂 ， 满足高性能混凝土建筑 用砂需求， 提高混凝士陛能， 这也是本试验的基本出发点。 1 原材料 水泥： 铁鹏 P 0 4 2 5级水泥。 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ J 0 7 _ 2 3 细骨料 ： 六安产细河砂， 细度模数为 1 8 ， 属 I I I 区， 颗粒级 配见表 2 ； 六安产中砂， 细度模数为2 8 ， 属 I I 区， 颗粒级配见表 3 ； 机制砂为庐江产 ， 其细度模数为 3 5 ， 属 I 区， 颗粒级配见表 4 ， 石粉含量为 1 0 。 粗骨料： 巢湖散兵碎石， 连续粒级 5 2 5 n l lT l 。 粉煤灰： 淮南 I 级粉煤灰。 外加剂： 合肥淋新高效减水剂 ， 掺量为胶凝材料的 2 3 ， 减 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 天然细砂颗粒级 配 筛孔尺寸 mm 4 7 5 2 3 6 1 1 8 O 6 0 0 O 3 0 0 0 1 5 0 0 0 7 5 0 0 7 5 累计筛余 3 3 6 6 2 7 8 8 7 8 9 9 0 1 0 0 水率为 2 2 1 。 2试 验 方 法 混凝土力学性能按 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能 试验方法标准 进行， 混凝土耐久性能按GB T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ( 普通 混凝土长期性能和耐久陛能试验方法标准 进行， 其中抗氯离子渗 透试验采用 R C M法进行， 干缩试验采用弓形螺旋测微计测量。 3 试验 结果及分析 3 1 C 6 0高性能混凝土配合比的优选 本试验混凝土配合比的计算采用质量法， C 6 0 初步配合比 如表 5所示。 表 5 C6 0初步配合 比 k m 以C 6 0 高性能混凝土为研究对象， 采用正交试验优化混凝 土配合比， 考察影响混凝土性能的关键因素， 如表 6所示。 表 6 正交试验表 L 日 ( 3 4 ) 由表 6正交试验 L 9 ( 3 ) 可知， C 6 0混合砂泵送混凝土坍落 度的理论最优配合比的主次顺序为： 坍落度- - - A3 B 3 C1 D 3 ； 7 d 抗 压强度- - * A1 C 3 B 3 D3 ； 2 8 d抗压强度- - - A 2 B 3 C 3 D3 。 从影响坍落 度、 7 、 2 8 d抗压强度的 3 个最优配合比可以看出： B 3 D3 ( 即砂率 4 3 和细度模数 2 8 ) 是 3 个最优配合比的公共因素， 且 D( 细度 模数) 对 3个配合比的影响最小。 在以往实际试验的基础上， 粉 煤灰掺量为 1 5 对混凝土的和易性和长期耐久性起积极作用， 因此粉煤灰掺量确定为 1 5 ( 即A 2 ) 。 在 7 、 2 8 d 抗压强度方面， C 3是公共因素 ， 即外加剂掺量为 1 8 对强度影响比较大。 综合 正交试验结果和以往的实际经验， 最终 C 6 0混合砂高性能混凝土 的最优配合比选为 A 2 B 3 C 3 D3 ， 即最优组合为粉煤灰掺量 1 5 ， 砂率为 4 3 ， 外加剂掺量为 1 8 ， 混合砂的细度模数为 2 8 ( 即 6 0 机制砂 + 4 0 细河砂) 。 3 2 c 6 0高性能混凝土试验结果 以C 6 0 混合砂混凝土最优配合比为基础 ， 将混合砂用细度 模数相同的河砂代替， 研究混合砂混凝土与河砂混凝土的和易 性、 抗压强度、 抗折强度、 劈裂强度、 C l 一 渗透性能以及干缩性能， 从而了解两种混凝土施工性能、 强度和耐久性能 ， 为工程实际 和科学研究提供参考。 其配合比见表 7 ， 试验结果见表 8 。 表 7 混合砂和河砂混凝土配合比 类型材料 水水泥 粉煤灰 机制砂 河砂 大石 小石 外加剂 混合砂混凝土 1 7 0 4 5 0 8 0 4 5 4 3 0 2 7 3 1 3 1 3 9 5 4 河砂混凝土1 7 0 4 5 0 8 0 7 5 6 7 3 1 3 1 3 9 5 4 表8 机制砂和河砂混凝土和易性及力学性能 类型名称 黏聚性 保水性 m 落 m 度 抗 曼IVl l a 度 抗 M 1 - a 度 劈 M 1 - a 度 9 2 3 2 1 混凝土工作性和强度 从表 8 可以看出， 用 6 0 机制砂 + 4 0 细河砂掺配成细度模 数为2 8的混合砂， 代替相同细度模数的河砂， 其和易性均良好， 坍落度、 2 8 d 的抗压强度、 抗折强度和劈裂强度均高于河砂混凝 土。 从表 1 可以看出， 省内机制砂筛余 0 3 1 5 1 l n l 以下所 占的比 例较小， 仅有 1 0 左右， 而 J GJ T 1 O 一9 5 混凝土泵送施工技术 规程 中指明， 泵送混凝土细骨料应采用中砂， 通过 0 - 3 1 5 m n l 筛 孔的砂不应小于 1 5 。 而天然细砂的粒径主要集中在 0 - 3 1 5 mm 以下， 与机制砂复合正好填补 0 3 1 5 i L t r l 以下的累计筛余， 使细 骨料具有良好的级配 ， 同时， 天然砂减少了机制砂之间的内摩 擦力 ， 从而获得了良好的施工性能， 因此混合砂混凝土的和易 性和流动度接近天然中砂， 甚至更好。 从表 8 还可以看出， 混合砂混凝土2 8 d抗压强度、 抗折强度 和劈裂强度均高于河砂混凝土的强度， 其中抗压强度提高 3 5 ， 抗折强度略高于河砂混凝土， 劈裂强度提高 2 7 。 这是因为： 机 制砂表面结构优于天然河砂， 其表面没有风化层 ， 均是新鲜的 岩面且棱角丰富， 与水泥浆的咬合力增大。 机制砂中含泥量较 小， 机制砂中低强度的轻物质含量较河砂少。 机制砂中含有 5 一 1 5 左右的石粉， 石粉弥补了机制砂中细颗粒偏少的缺陷， 有效 填充了细骨料间的孔隙， 不但使混凝土中的毛细孔得到细化 ， 而且使孔隙率减小 ， 混凝土更加密实 ， 进而改善混凝土的孔隙 结构 ， 改善了水泥浆与骨料间的黏结 ， 使机制砂混凝土的断裂 能比同条件下的河砂混凝土的断裂能大， 且断裂能随抗压强度 的增大而增加。 另一方面， 石粉能够使水泥颗粒更加分散， 从而 使水泥水化更加充分 ， 在水泥水化过程 中起到一定的晶核作 用 ， 诱导水泥的水化产物析晶， 加速水泥水化并参与水化物的 形成啊 。 因此， 机制砂混凝土的抗压、 抗折、 劈裂强度均优于河砂 混凝土。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 2 混凝土耐久性 分别对表 7中混合砂混凝土和河砂混凝土两种配合比做 抗渗性能和干缩性能的研究， 试验结果见表 9 。 表 9 机 制砂混凝土和河砂混凝 土耐久性结果 类 型 貅 C J： 从表 9可以看出， 混合砂混凝土的氯离子扩散系数为 0 9 5 x 1 0 c m2 s ， 河砂混凝土的氯离子扩散系数 1 1 6 x l c m2 s ， 均满足高 性能混凝土氯离子扩散系数不大于 3 0 0 x l 0 - 1 m2 s ( 即3 x l 0 c m2 s ) 的要求， 表明 C 6 0 混合砂混凝土和河砂混凝土具有较好的抗氯 离子渗透性能。 混合砂混凝土的氯离子扩散系数比河砂混凝土 的低 1 8 1 ， 说明混合砂混凝土的抗渗性能比相同细度模数的河 砂混凝土抗渗性能好。 这可能是机制砂等量取代河砂 ， 机制砂中 的石粉起分散水泥粒子的作用， 使水泥水化更加均匀、 一致， 生 成的水泥石有害的大孔减少， 封闭的小孔增多， 从而改善了混 凝土的孔隙结构， 降低了氯离子扩散系数 ， 提高了抗渗性能， 增 强了抵抗外界侵蚀环境的破坏能力。 2 、 褂 婚 u - 0 龄 期 ， d 图 1 混合砂 混凝土和河砂混凝土的干缩试验结果 从图 1中可 以看 出， 除早期( 即 1 、 3 、 7 d ) 河砂混凝土的 干缩值低于混合砂混凝土外 ， 7 d以后河砂混凝土干缩值都 高于混合砂混凝土的。 这可能是干燥前期机制砂中的石粉起 分散水泥的作用 ， 使水泥粒子与水的接触面增加， 水化反应 比 较快 ， 生成的 C H S凝胶 比较多 ， 因化学反应而产生的收缩 在水泥水化早期所 占的比例比较大 ， 因而混凝土的早期收缩 比较大， 后期( 7 d以后) 水泥的水化进入一个稳定期 ， 机制砂 中的石粉起微集料的填充作用 ， 对水泥石的收缩起一定的抑 制作用 ， 因此， 后期混合砂混凝土的干缩值比河砂混凝土的于 缩值小。 上接第 9 0页 散系数都比天然砂大， 但 C1 0 0等级海砂混凝土混凝土迁移电量 和氯离子扩散系数都较天然河砂及尾砂超高强混凝土低， 说明 海砂超高强混凝土具有优越的抗氯离子渗透性能。 ( 5 ) 通过上述试验研究可以初步认为： 利用海砂取代普通 河砂作为建筑用砂是安全可行的， 并且能够制备性能良好的超 高强混凝土。 参 考文献 ： 【 1 】 王圣洁， 陈江， 等 中国滨海建筑砂开采的环境地质问题和可持续发 展对策 J 海洋地质动态， 2 0 0 0 ( 1 ) ： 5 8 2 1 冯乃谦普通混凝土、 高强混凝土与高性能混凝土田建筑技术， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 1 ) ： 2 0 2 3 【 3 J 欧阳东粉煤灰及其他矿物掺合料对新拌和硬化混凝土性能的影响们 4结论 ( 1 ) 利用正交试验对 C 6 0混合砂高性能混凝土配合比进行 优化 ， 试验结果表明： 用 6 0 的机制砂 + 4 0 的天然细砂做为细 骨料能配制出满足和易性、 力学性能的高性能混凝土。 ( 2 ) 用正交试验得出的混合砂混凝土最优配合 比与细度模 数相同的河砂混凝土进行耐久性试验， 结果表明： 机制砂混凝 土的抗氯离子渗透性能和干缩性能均优于河砂混凝土， 这说明 混合砂混凝土配合比进行合理的优化后， 其耐久性也优于河砂 混凝土 。 ( 3 ) 结合实际情况， 省内中粗机制砂和天然细砂按合适 比 例混掺后可以替代河砂配制高性能混凝土， 缓解省内建筑用砂 矛盾 ， 不仅具有一定的经济性和适应性 ， 还具有一定的环境效 益和社会效益。 而且机制砂的生产不受气候、 季节的影响， 在生 产工艺上能有效控制， 因而其性能指标相对稳定， 对混凝土拌 合物性能、 力学性能及耐久性能都有明显改善， 有利于提高建 筑工程的质量。 参考文献 ： 【 1 蒋正武， 石连富， 孙振平 用机制砂配制自密实混凝土的研究 J 建筑 材料学报， 2 0 0 6 ， l o ( 2 ) ： 1 5 4 1 6 0 【 2 陈欣声 机制砂在商品混凝土中的应用【 J 1 _工程机械 ， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 1 1 ) ： 7 4 7 5 3 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 _ 国 外建材科技， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 3 ) ： 2 0 2 4 4 G B T 1 4 6 8 4 -2 0 0 1 ， 建筑用砂【 s 1 京： 中国标准出版社， 2 0 0 1 【 5 胡晓曼， 彭建和， 等 水利工程建设使用人工砂的技术经济分析 J 】 江 淮水利科技 ， 2 0 0 9 ， 2 2 ( 4 ) ： 2 6 2 7 【 6 方锐 ， 陈卫兵， 等 重厌地区机制砂的性能研究及工程应用【 J 1 交通科 技与经济， 2 0 1 1 ， 6 3 ( 1 ) ： 2 7 2 9 7 】Z H OU Mi n g - k a i ， P E N G S h a o mi n g ， X U J i a n ， e t a 1 E f e e t o f s t o n e p o w d e r o n s t o n e c h i p p i n g s c o n c r e t e J J o u rna l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f I 1e c h n o l o g y ， 1 9 9 6 ， 1 1 ( 4 ) ： 2 9 3 4 作者简介： 联 系地址 联 系电话 胡晓曼( 1 9 7 9 一 ) ， 女 ， 工程师， 硕士， 主要从事建筑材料的检 测及其研究。 安徽省蚌埠市治淮路 7 7 1 号( 2 3 3 0 0 0 ) 1 3 8 5 6 9 7 0 9 7 3 粉煤灰综合利用， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 1 4 1 6 4 】 黄华县 海砂混凝土耐久性试验研究 D 广州： 暨南大学， 2 0 0 7 【 5 姚燕 ， 王玲， 田培 高性能混凝土 M 】 - E 京 ： 化学工业出版社， 2 0 0 6 ： 8 3 8 4 6 】6 冯乃谦 ， 邢锋 高性能混凝土的氯离子渗透性和导电量 J 混凝土 ， 2 0 0 l ， 1 4 5 ( 1 1 ) ： 3 - 7 【 7 O H B H， C HA S W， J A N G B S ， e t a 1 D e v e l o p me n t of h i g h - p e rfo r m a n c e c o n c r e t e h a v i n g h i g h r e s i s t a n c e t o c h l o ri d e p e n e t r a t i o n J N u c l e a r E n g i n e e ri n g a n d D e s i g n ， 2 0 0 2 ， 2 1 2 ( 1 - 3 ) ： 2 2 1 - 2 3 1 作者简介： 联系地址： 联系电话 宁博( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 研究生。 厂东省厂州市天河区黄埔大道西 6 0 1 号 暨南大学力学与 土木工程系试验楼( 5 l O 6 3 2 ) l 8 9 9 8 4 71 9 3 O 9 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m