機制砂在C80高強混凝土的配制及試驗研究

劉軍

（新疆西部建設股份有限公司，烏魯木齊 830002）

1 引言

人類進入21世紀，面臨著“人口膨脹、資源和能源短缺以及環境惡化”等三大問題。混凝土材料是資源和能源消耗的大戶，也是環境污染源之一。混凝土材料和技術直接影響著人類的可持續發展。改革開放以來，我國已成為世界上最大的建設市場，用砂量逐年攀升，長期的開采導致天然砂資源枯竭，以致出現了天然砂質次價高的局面。天然砂作為一種地方資源，短時期內不能再生，況且現代混凝土的發展對骨料提出了更高的要求，而天然砂的現狀已不能滿足商品混凝土的要求。隨著人類環境保護意識的提高和受自然資源的限制，尋找新的砂資源已刻不容緩，機制砂的推廣使用不僅可以節約資源，還可給預拌混凝土企業和建筑單位帶來一定的經濟效益。利用大量工業尾礦（如石灰石、冶煉礦石、采石場的廢棄物）制得的機制砂在高強混凝土中使用，不僅可以減少環境污染、避免濫采濫挖，保護環境，還具有長遠的社會效益和經濟效益。本文就機制砂在C80高強混凝土中的應用進行了研究。

2 研究思路

2.1 技術難點分析

1） 使用一般的制作工藝，使機制砂混凝土強度達到C80級。新拌混凝土擁有良好的工作性，并在硬化后具有高強的混凝土。

2）機制砂由于自身的特點，如級配較差、顆粒粒形不好使拌制的混凝土和易性較差、需水量和水泥用量多、拌制的混凝土振動后易離析等。

2.2 配制技術方案

2.2.1 原則

所采用的原材料系烏魯木齊市場可購得產品。基本不改變常規施工工藝，使機制砂C80混凝土技術可行，各項技術指標滿足技術要求。

2.2.2 技術思路

根據混凝土高性能化設計理念，該混凝土設計思路為：(1)合理選擇砂率；(2)控制用水量在175kg/m3以下，水膠比0.35以下；(3)采用磨細粉煤灰、磨細礦渣和硅灰取代部分水泥；(4)采用新型高效減水劑； (5)平行對比試驗（機制砂和天然砂的對比試驗）。

3 試驗用原材料的選擇

根據原材料質量、資源等，優選以下幾種原材料進行機制砂C80混凝土的配制。

3.1 水泥（C）

選用新疆天山水泥廠 P·O52.5R水泥，其技術性能指標見表1。

表1 水泥物理性能指標

表2 磨細粉煤灰性能指標

表3 磨細礦渣性能指標

3.2 礦物摻合料

3.2.2 磨細粉煤灰（KM）

新疆西部建設股份有限公司產磨細粉煤灰（Ⅱ級），其技術性能指標見表2。

3.2.3 磨細礦渣粉（K）

新疆西部建設股份有限公司產磨細礦渣（Ⅲ級），其技術性能指標見表3。

3.2.4 硅灰（SF）

新疆哈密產干排硅灰，其技術性能指標見表4。

3.2.5 水泥和礦物摻合料的的化學成分

見表5。

3.3 骨料

3.3.1 砂（S）

新疆西部建設股份有限公司生產的機制砂和烏拉泊產的天然砂,其技術性能指標見表6。

3.3.2 碎石（G）

新疆西部建設股份有限公司生產的碎石，其技術性能指標見表7。

3.4 外加劑（PCA）

通過市場調研和試驗后，選用江蘇產復合早強聚羧酸系高效減水劑PCA,含固量25%，減水率28%。

4 混凝土配合比試驗

CECS207：2006《高性能混凝土應用技術規程》配合比設計的一般規定要求：在滿足混凝土結構的要求，確保其施工的工作性性能以及混凝土的強度和耐久性要求，高性能混凝土的膠凝材料總量宜不超過600kg/m3，砂率宜采用37%～44%，高效減水劑根據其減水率和混凝土的工作性能確定摻量。根據上述要求我們試驗配合比采用膠凝材料600kg/m3，砂率40%，PCA聚羧酸減水劑摻量為2.0%和2.3%，用機制砂配制C80高強高性能混凝土進行強度和工作性能的測試，確定機制砂C80混凝土最優配合比。試驗配合比如表8。

由表9可以看出，編號為1、2、3和4、5、6的配合比，聚羧酸系高效減水劑摻量為2.0%和2.5%時，混凝土強度都可滿足要求，且混凝土拌合物和易性良好，此外加劑與水泥適應性良好，混凝土坍落度經時損失小，2h經時損失≤10%，早期強度高，后期強度也能持續增長，此高效減水劑在混凝土中使用時，即使摻量較大也不會出現泌水及緩凝現象，但從技術經濟角度考慮也是一種浪費。因此，此外加劑配制機制砂C80混凝土的最佳摻量為2.0%；硅粉+磨細礦渣+磨細粉煤灰復摻混凝土28d抗壓強度的強度最高，純水泥的28d的強度最低。磨細礦渣+磨細粉煤灰雙摻強度28d的強度和硅粉+磨細礦渣+磨細粉煤灰復摻的強度相當，并能滿足C80級混凝土強度要求；但磨細礦渣+磨細粉煤灰雙摻的60d抗壓強度超過了純水泥的強度，這是因為各種摻合料的活性不同，對混凝土不同齡期強度的貢獻率有所差別而造成的。這三種礦物摻合料對混凝土拌合物的流動性影響不大，但硅粉+磨細礦渣+磨細粉煤灰復摻時混凝土坍落度經時損失最大，這是由于硅粉顆粒細小，比表面積大，需水量高。綜合性價比，我們選用磨細礦渣+磨細粉煤灰復摻配制機制砂C80混凝土，得到了滿意的結果。

表4 硅灰性能指標

表5 化學性能指標

表6 細集料技術性能指標

表7 粗集料技術性能指標

表8 機制砂C80混凝土配合比 kg/m3

4.4 確定最佳配合比

根據混凝土拌合物工作性及其強度數據結果分析得出最佳配合為2號，對其進行力學性能和耐久性方面試驗，以確定機制砂配制C80高強混凝土的可行性。

5 實驗結果及分析

用機制砂和天然砂拌制混凝土進行對比試驗，配合比采用2號配合比，分析其對混凝土拌合物性能、力學性能和耐久性能的影響。

5.1 混凝土拌合物工作性能

從表10數據分析混凝土拌合物工作性能來看，機制砂和人工砂在混凝土拌合物性能上沒有明顯的差別，觀察新拌混凝土，未發現離析、泌水現象。試驗結果數據比較滿意。

5.2 力學性能

從表11試驗數據來看，機制砂混凝土抗壓強度比天然砂混凝土的各齡期高出18%～25%，說明由于機制砂自身的特點，具有新鮮的顆粒表面，含泥量低，因此用它來拌制的混凝土，骨料和界面粘結好，配制的混凝土強度高。劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度的比值隨強度等級提高而降低；機制砂在拉壓比上天然砂高0.006，C80級高強混凝土的拉壓比平均值為0.05，據有關研究資料，普通混凝土在C20～C60之間，拉壓比一般為0.05～0.1，隨著混凝土強度提高，脆性增大，拉壓比值下降到0.04～0.05，從中分析得出機制砂和天然砂在拉壓比上沒有明顯的區別。對建筑物不會產生大的影響。從數據中，其抗折強度優于天然砂混凝土。壓折比也低于天然砂混凝土，對建筑結構是有利的。

5.3 耐久性能試驗

從表13中數據可以得出：（1）機制砂C80混凝土抗碳化性能、抗滲性能、抗氯離子滲透性能及抗凍性能都優于天然砂C80混凝土， （2）機制砂C80混凝土干燥收縮性能和天然砂C80混凝土相當。這些都是由于：（1）機制砂自身的特點，具有新鮮的顆粒表面，含泥量低，因此用它來拌制的混凝土，骨料和界面粘結好，配制的混凝土強度高。（2）由于機制砂中含有一定的石粉含量，石粉微粒填實了混凝土中的孔隙，減少有害大孔數目，明顯改善混凝土的孔徑大小分布，強化了水泥漿體-集料的界面結構，從而增強了水泥與骨料間的密實度，提高了混凝土的抗碳化性能、抗滲性能、抗氯離子滲透性能及抗凍性能。

表9 混凝土拌合物工作性及其強度

表10 機制砂和天然砂混凝土拌合物性能試驗結果

表11 機制砂和天然砂混凝土力學性能試驗結果

表12 機制砂和天然砂混凝土耐久性能試驗結果

6 結論

（1）通過試驗得出機制砂C80混凝土最優配合比，且各項性能滿足技術要求。

（2）該高強混凝土工作性、體積穩定性良好，力學性能和耐久性能都優于天然砂混凝土。

（3）機制砂是在固定場所生產，質量穩定可靠，可操作性強，不必擔心砂中含泥量和泥塊含量超標。

（4）機制砂中含有一定量的石粉正好作為混凝土中的摻合料，不但增加了混凝土中膠凝材料的總量，還可以起到微集料效應。

（5）社會效益明顯，利用大量尾礦資源，保護環境；經濟效益可觀，可以為混凝土節約大量成本。

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