高石粉含量人工砂在混凝土中的應(yīng)用研究

佛隨心愿 2017-04-30

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摘要：通過高石粉含量人工砂的優(yōu)選、高石粉人工砂混凝土力學(xué)性能和干縮性能的試驗研究以及與大尺寸原級配混凝土的對比分析,，證明了高石粉人工砂用于混凝土工程是可行的,，它能提高混凝土力學(xué)性能，改善新拌混凝土和易性,，提高混凝土抗裂能力,。人工砂中石粉的最優(yōu)含量為16%左右?；炷粮煽s隨石粉含量增加而增大,，但骨料粒徑與級配、試件尺寸大小等因素能改變,、抑制和減小干縮率,；在工程應(yīng)用中,，應(yīng)加強對高石粉含量人工砂混凝土的早期養(yǎng)護。
關(guān)鍵詞：人工砂,；高石粉含量,；混凝土；力學(xué)性能,；干縮與自縮

     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20世紀60年代,，我國的一些行業(yè)和地區(qū)的工程建設(shè)中,，已經(jīng)開始使用人工砂［２］，如水利水電工程建設(shè)等,。但是,，多數(shù)建設(shè)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(yīng)用方面開展了一些研究［３,，４］,，但是，還遠不夠完善,。
    本文結(jié)合棉花灘水電站建設(shè)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(yīng)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(shè)以及拓展高石粉含量人工砂的應(yīng)用提供了技術(shù)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２２～２８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（１２５ｍｍ以上）和細顆粒（０１６ｍｍ以下）偏多,。粒徑小于００８ｍｍ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(yīng)用提供依據(jù)。
1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(shù)指標符合GB 175—2001技術(shù)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GB 1596—91Ⅱ級粉煤灰的技術(shù)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3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DM＝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(shè)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１２ｇ／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(jié)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(guān)系,，并初選出較優(yōu)的石粉含量,，設(shè)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(yīng)的抗壓強度試驗結(jié)果表明,，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(dāng)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(jié)果并應(yīng)用最小二乘法原理進行線性擬合,，混凝土強度與灰水比的關(guān)系。在石粉含量為21%的狀況下,，當(dāng)灰水比趨向于1 ４（即水灰比趨向０７０）時,，其強度接近石粉含量為12%的強度；當(dāng)灰水比趨向于２５（即水灰比趨向０４０）時,，其強度接近石粉含量16%,；當(dāng)灰水比等于2，即水灰比等于０５０時,，其強度居于石粉含量12%與16%之間,。由此可知，當(dāng)水灰比大于０５０時，以石粉含量16%為較優(yōu),；當(dāng)水灰比小于０５０時,，較優(yōu)石粉含量介于１６％～２１％之間。試驗結(jié)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(dāng)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(dāng)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(jié)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(jié)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(dāng)水灰比較小、水泥用量較多時,，石粉含量可適當(dāng)增大,。
２.２石粉含量對混凝土力學(xué)性能的影響
２.２.１標準尺寸試件混凝土力學(xué)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(shè)計了6種組合,，如表２所示。按三級配骨料設(shè)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(xué)性能試驗結(jié)果列于表2。由表2結(jié)果可知,，5016和4021兩種組合表現(xiàn)出較好的力學(xué)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(xué)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(xué)性能隨水灰比的減小而提高。各力學(xué)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(xué)性能
    為了探討原級配大尺寸試件的尺寸效應(yīng),，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(yīng)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),。
     對于相同級配的混凝土，當(dāng)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(dāng)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(xué)性能隨試件尺寸的增大而降低。若以一級配（５５１６１,，５５１２１）的試驗結(jié)果為１,，則三級配混凝土（５５１６３，５５１２３）抗壓強度為０９１～０９０,；抗拉強度為０７３～０７９,；極限拉伸值為０６７～０７１?？梢姡叽缫蛩貙箟簭姸扔绊戄^小,，而對抗拉性能影響較大,。
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,。