高石粉含量人工砂在混凝土中的應用研究

關鍵詞:人工砂;高石粉含量;混凝土;力學性能;干縮與自縮

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      人工砂作為一種新型的建筑用砂,已被正式列入國家標準[1]。天然砂的資源是有限的,其產(chǎn)源具有地域性,長期大量采挖會破壞生態(tài)。因此,無論是市場發(fā)展的需求還是環(huán)境保護的需要,都有必要考慮人工砂資源的利用。早在世紀年代,我國的一些行業(yè)和地區(qū)的工程建設中,已經(jīng)開始使用人工砂[2],如水利水電工程建設等。但是,多數(shù)建設單位對人工砂還較陌生,特別是人工砂在生產(chǎn)過程中會不可避免地產(chǎn)生較多石粉,這與天然砂有著顯著的區(qū)別。近幾年來,在高石粉含量人工砂的性能和應用方面開展了一些研究[3,4],但是,還遠不夠完善。

      本文結合棉花灘水電站建設工程中使用高石粉含量人工砂的可行性分析,進行了高石粉含量人工砂性能及應用研究,通過比較不同石粉含量的人工砂混凝土的性能,得出了最優(yōu)石粉含量人工砂,并有效地改善和提高了混凝土性能,為工程建設以及拓展高石粉含量人工砂的應用提供了技術依據(jù)。棉花灘水電站混凝土工程中既有碾壓混凝土,也有常態(tài)混凝土;碾壓混凝土用量為45萬m3,常態(tài)混凝土用量為25萬m3。生產(chǎn)混凝土所用的砂石骨料全部采用人工軋制,其中人工砂生產(chǎn)系統(tǒng)為瑞典斯維拉達公司的機械產(chǎn)品,工藝為干法生產(chǎn)。用于制作人工砂的巖石為黑云母花崗巖,礦物成分以鉀長石、斜長石和石英石為主,含少量暗色礦物及黑云母。原狀人工砂細度模數(shù)在22~28范圍內(nèi)波動,石粉含量為19%~22%(質(zhì)量分數(shù),本文中所涉及的摻量、含量均為質(zhì)量分數(shù))。原狀人工砂石粉含量多,顆粒級配不合理,其中粗顆粒(1.25mm以上)和細顆粒(0.16mm以下)偏多。粒徑小于0.08mm的細粉含量約占石粉總量的33%。這種人工砂較適合碾壓混凝土施工,但其石粉含量高于常態(tài)混凝土的控制指標。為常態(tài)混凝土用砂的需要,同時為解決高石粉含量人工砂的出路,減少工程投資,筆者進行了高石粉含量人工砂混凝土的研究,有望為該材料的進一步推廣應用提供依據(jù)。

    試驗原材料試驗用水泥為三德牌42.5普通硅酸鹽水泥,各項技術指標符合技術要求;粉煤灰由嵩能粉煤灰有限公司生產(chǎn),細度為14.8%,需水量比為98%,各項指標均符合Ⅱ級粉煤灰的技術要求,粉煤灰摻量為水泥用量的20%粗骨料為巖石經(jīng)機械破碎后制成的粒徑為5~80mm的碎石顆粒,分為小、中、大級,粗骨料級配及比例分別為一級配,包括2種,即:(1)骨料最大粒徑DM=20mm;(2)骨料最大粒徑DM=30mm,由三級配骨料經(jīng)濕篩后得到;二級配:骨料最大粒徑=40mm,小石與中石的質(zhì)量比為40∶60;三級配:骨料最大粒徑DM=80mm,小石、中石、大石的質(zhì)量比為20∶30∶50細骨料為高石粉含量人工砂,根據(jù)研究需要,設計并配制了石粉含量分別為21%(原狀人工砂),16%,12%以及3%等工況混凝土用的細骨料。
外加劑為BD-V型混凝土緩凝減水劑,密度12g/cm3,pH值7.05,摻量為膠凝材料總量(水泥+粉煤灰)的0.6%。

2 試驗結果及討論

2.1石粉含量的優(yōu)選

      為了得出不同石粉含量人工砂混凝土的強度與水灰比之間的關系,并初選出較優(yōu)的石粉含量,設計了7個不同的水灰比,用4種不同石粉含量的人工砂及一級配骨料(DM=20mm)進行混凝土配合比試驗。采用標準立方體試件,標準養(yǎng)護28d。 

      混凝土配合比以及相應的抗壓強度試驗結果列于表1。由表1結果可知,在不同的水灰比下,石粉含量對混凝土強度的影響規(guī)律基本一致,隨水灰比增大,混凝土強度降低。石粉含量為16%時,其混凝土強度明顯高于石粉含量為12%的混凝土,當石粉含量增大至21%時,混凝土強度降低,但仍高于石粉含量為12%時的強度。根據(jù)表1的結果并應用最小二乘法原理進行線性擬合,得到圖1所示的混凝土強度與灰水比的關系。由圖1可以看出,在石粉含量為21%的狀況下,當灰水比趨向于14(即水灰比趨向070)時,其強度接近石粉含量為12%的強度;當灰水比趨向于25(即水灰比趨向040)時,其強度接近石粉含量16%;當灰水比等于2,即水灰比等于050時,其強度居于石粉含量12%與16%之間。由此可知,當水灰比大于050時,以石粉含量16%為較優(yōu);當水灰比小于050時,較優(yōu)石粉含量介于16%~21%之間。

表1混凝土配合比及強度試驗結果
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      Water       Mix proportion         W(stone  powder)%                                         
No.   cement   -----------------------------------              12           16           21                24
Ratio     m(cement): m(sand):  m(stone)    Ơc     Slump       Ơc     Slump      Ơc    Slump     Ơc    Slump 
                                      /Mpa    /mm        /Mpa    /mm    /Mpa   /mm   /Mpa   /mm
1     0.40         1    :   1.77  :   5.60    36.8     50         38.7     50     38.5    60   
2     0.45         1    :   2.11  :   6.32    30.6     70         34.1     70     33.3    70
3     0.50         1    :   2.46  :   7.00    28.9     65         30.6     70     29.2    70    26.2    50   
4     0.55         1    :   2.84  :   7.67    25.6     70         28.8     50     26.2    70    23.6    65
5     0.60         1    :   3.24  :   8.33    23.2     70         25.8     60     24.0    65
6     0.65         1    :   3.66  :   8.95    21.2     65         24.1     50     21.8    60
7     0.70         1    :   4.10  :   9.55    19.4     60         21.3     55     20.0    65 

  
      試驗結果還表明,石粉含量為12%時,混凝土拌和物和易性較差,保水性一般。當石粉含量為16%時,混凝土拌和物和易性明顯改善,泌水減小且易于振搗密實。這是由于石粉在拌和物中起到了非活性填充料的作用,從而增加了漿體的數(shù)量,增大了穩(wěn)定性,進而改善了混凝土的和易性。當石粉含量增大到21%以上時,由于石粉含量太多,顆粒級配不合理,使混凝土密實性降低,和易性變差;粗顆粒偏少,減弱了骨架作用;非活性石粉不具有水化及膠結作用,在水泥含量不變時,過多的石粉使水泥漿強度降低,因而混凝土強度減小。 

      由混凝土強度和拌和物和易性試驗結果表明,在常規(guī)水灰比狀況下,石粉含量16%為優(yōu)選含量;當水灰比較小、水泥用量較多時,石粉含量可適當增大。

2.2石粉含量對混凝土力學性能的影響

2.2.1標準尺寸試件混凝土力學性能 

      考慮同一水灰比不同石粉含量、同一石粉含量不同水灰比的多種組合情況,共設計了6種組合,如表2所示。按三級配骨料設計試件,經(jīng)過濕篩后成型150mm立方體標準試件及100mm×100mm×550mm截面內(nèi)埋拉桿型軸向拉伸標準試件,試件標準養(yǎng)護28d。力學性能試驗結果列于表2。由表2結果可知,5016和4021兩種組合表現(xiàn)出較好的力學性能;若保持水灰比不變,只改變石粉含量,如5012,5016,5021三種組合,各項力學性能指標均表明石粉含量16%時為優(yōu)選用量;若固定石粉含量不變,只改變水灰比,分析4021,5021,6021組合和5016,6016組合,則混凝土的力學性能隨水灰比的減小而提高。各力學性能的變化規(guī)律基本相同。

2.2.2原級配大尺寸試件混凝土力學性能 

      為了探討原級配大尺寸試件的尺寸效應,根據(jù)混凝土試件最小尺寸不小于3倍最大骨料粒徑的原則,綜合骨料最大粒徑、石粉含量以及骨料粒級和試驗可比性,擬定了6個試驗配合比(見表3,其中試件編號中的末位數(shù)字代表粗骨料級配)。其中三級配試件尺寸分別為250mm×250mm×1400mm(拉伸試件)和250mm立方體(抗壓試件);二級配試件尺寸為150mm×150mm×600mm(拉伸試件)及150mm立方體(抗壓試件);一級配試件尺寸為100mm×100mm×550mm(拉伸試件)及150mm立方體試件(抗壓試件)[5]。三級配拉伸試驗采用筆者開發(fā)研制的大尺寸試件拉伸裝置,通過同步油壓加荷,傳感器和變形計連接智能應變儀,微機控制數(shù)據(jù)采集并打印輸出等組成加載測試系統(tǒng)。 

      試驗結果見表3,由表3可知,對于相同級配的混凝土,當石粉含量為16%時,其抗壓強度、抗拉強度和極限拉伸值均優(yōu)于石粉含量為12%時的各項性能指標。如比較55162與55122,或55161與55121,前者的抗壓強度比后者提高約5%,抗拉強度提高約12%,極限拉伸值提高約8%。顯然,適當提高人工砂中的石粉含量,能有效改善混凝土的抗拉性能,提高混凝土的抗裂能力,對于防止混凝土開裂有重要意義。由表3還可看出,在相同的石粉含量條件下,混凝土的力學性能隨試件尺寸的增大而降低。若以一級配(55161,55121)的試驗結果為1,則三級配混凝土(55163,55123)抗壓強度為0.91~0.90;抗拉強度為0.73~0.79;極限拉伸值為0.67~0.71??梢姡叽缫蛩貙箟簭姸扔绊戄^小,而對抗拉性能影響較大。

表2標準尺寸試件混凝土力學性能
Table 2Mechanical?。穑颍铮穑澹颍簦椋澹蟆。铮妗。悖铮睿悖颍澹簦濉。妫铮颉。螅簦幔睿洌幔颍洹。螅穑澹悖椋恚澹?
       Water cement     w(stone powder)    ơc       ơt               Tensile elastic  Maximum tensile
Code                                                      ơt/ơc
         Ratio             /%          /Mpa     /Mpa              modulus/Gpa     strain×10—6
5012        0.50             12           32.5       2.38   1/13.6        35.3            83
5016        0.50             16           35.8       2.73   1/13.1        38.8            88
6016        0.60             16           30.2       2.40   1/12.6        35.1            82
4021        0.40             21           39.6       2.74   1/14.1        38.8            88
5021        0.50             21           32.7       2.47   1/13.2        34.9            85
6021        0.60             21           26.5       2.14   1/12.4        30.8            78

Note: The first two and last two figures of the code stand for the water cement ratio and the percentage of the stone powder content respectively(saneas.Tab.4,5)

2.3石粉含量對混凝土干縮與自收縮性能的影響

2.3.1標準尺寸試件混凝土干縮與自收縮性能

      干縮試件尺寸為100mm×100mm×515mm;自收縮(以下簡稱自縮)試件尺寸為100mm×100mm×300mm,且自縮分為有約束(在試件中埋置鋼筋,配筋率0.5%)和無約束2種。干縮試驗依據(jù)文獻[5]進行,自縮試件在標準養(yǎng)護箱(溫度(20±1)℃,相對濕度95%以上)中養(yǎng)護,參照干縮試驗方法進行試驗。干縮試驗結果列于表4;自縮試驗結果列于表5。

表3原級配混凝土力學性能試驗結果
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         Water cement   w(stone powder)      ơc        ơt           Maximum tensil
Code
           Ratio           /%             /Mpa     /Mpa            strain×10—6
55163      0.55            16             28.0      1.79                65
55162      0.55            16             29.8      1.97                85
55161      0.55            16             30.7      2.46                97
55123      0.55            12             26.3      1.73                63
55122      0.55            12             28.4      1.79                79
55121      0.55            12             29.1      2.18                89 
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2024-12-22 22:30:14