配合比參數(shù)對(duì)全機(jī)制砂混凝土性能的影響研究

蘇禮清 田彬亢 閆學(xué)良

目前,我國(guó)多數(shù)地區(qū)在生產(chǎn)混凝土?xí)r仍以天然砂作為主要的細(xì)骨料,而天然砂是一種地方性資源,短期內(nèi)不可再生,也不利于長(zhǎng)距離運(yùn)輸。隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益發(fā)展,不少地區(qū)天然砂資源逐漸短缺,甚至出現(xiàn)無砂可用的狀況,混凝土用砂供需矛盾尤為突出。重慶地區(qū)缺乏天然中砂資源,隨著三峽水庫(kù)的蓄水,長(zhǎng)江特細(xì)砂質(zhì)量越來越差,且逐漸短缺、價(jià)格上漲,同時(shí)出于環(huán)境保護(hù)的需要,應(yīng)用機(jī)制砂完全替代天然砂生產(chǎn)混凝土已勢(shì)在必行。本文通過試驗(yàn)研究配合比設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)全機(jī)制砂混凝土性能的影響,并找出各參數(shù)的適宜取值,為全機(jī)制砂混凝土的配制提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 主要原材料

1)水泥。拉法基P.O42.5R水泥,重慶拉法基水泥有限公司生產(chǎn)。2)骨料。細(xì)骨料采用機(jī)制砂,重慶美心砂石公司生產(chǎn)。粗骨料采用石灰石碎石,重慶中梁山產(chǎn),分為5 mm～10 mm和10 mm～20 mm兩個(gè)粒級(jí),二者按照3∶7的比例搭配使用。3)礦物摻合料。粉煤灰采用Ⅱ級(jí)粉煤灰,重慶珞璜電廠生產(chǎn)。4)混凝土外加劑。GRP-500型泵送劑,重慶市建研科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)。5)拌合水。普通自來水。

2 試驗(yàn)方法與方案設(shè)計(jì)

1)機(jī)制砂試驗(yàn)方法。機(jī)制砂的篩分試驗(yàn)與細(xì)度模數(shù)、石粉含量測(cè)定按GB/T 14684-2001建筑用砂規(guī)定方法進(jìn)行。

2)混凝土試驗(yàn)方法。a.混凝土拌合物性能試驗(yàn)。混凝土工作性測(cè)試指標(biāo)包括坍落度、擴(kuò)展度以及和易性等,試驗(yàn)按照GB/T 50080-2002普通混凝土拌合物試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行。b.混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法。混凝土立方體抗壓強(qiáng)度按照GB/T 50081-2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行。

3)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)所采用的混凝土配合比參照J(rèn)GJ 55-2000普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì),研究某個(gè)配合比參數(shù)對(duì)全機(jī)制砂混凝土性能的影響時(shí),固定其他參數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 水灰比

早在1918年,Duff Abrams就闡明了混凝土強(qiáng)度的水灰比定律,對(duì)于給定的材料,混凝土的強(qiáng)度與膠水比成正比關(guān)系。試驗(yàn)比較了不同水灰比的天然中砂混凝土和機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度,得出:對(duì)于天然砂混凝土,抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的減小而增加,相關(guān)性較好,滿足水灰比定則。對(duì)機(jī)制砂混凝土,也表現(xiàn)出與天然砂混凝土相同的規(guī)律,只是在同水灰比的情況下,機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度稍稍高于天然砂混凝土,造成這種現(xiàn)象的原因有四個(gè)方面:1)機(jī)制砂的主要成分是碳酸鈣,處于高濃度氫氧化鈣中,其表面會(huì)發(fā)生微弱化學(xué)反應(yīng),而天然砂成分中二氧化硅含量高,不能發(fā)生類似反應(yīng);2)機(jī)制砂不僅質(zhì)地堅(jiān)硬、有新鮮界面、表面能高,且表面粗糙、棱角多,這均有助于提高界面的粘結(jié);3)機(jī)制砂中的石粉在水泥水化中起到了晶核的作用,誘導(dǎo)水泥的水化產(chǎn)物析晶,加速水泥水化并參與水泥的水化反應(yīng),生成水化碳鋁酸鈣,并阻止鈣礬石向單硫型水化硫鋁酸鈣轉(zhuǎn)化;4)機(jī)制砂中石粉的顆粒粒徑小,在混凝土中發(fā)揮與粉煤灰類似的“形態(tài)效應(yīng)”,填充混凝土中的孔隙,使混凝土變得更密實(shí)而提高強(qiáng)度。

3.2 砂率

圖1,圖2在保持基本配合比不變的前提下,對(duì)比了不同砂率下混凝土和易性及強(qiáng)度變化趨勢(shì)。

在本試驗(yàn)中,可以看出砂率在37%～43%之間工作性較好。

通過與中砂對(duì)比(見圖3),在同砂率下,天然中砂混凝土的坍落度高于機(jī)制砂,且粘性較低,易于泵送,這主要是由于河砂的粒形較圓,且級(jí)配較為合理造成的。

隨著機(jī)制砂砂率的增大,7 d抗壓強(qiáng)度基本保持在30 MPa左右,28 d強(qiáng)度保持在37.0 M Pa左右,說明水灰比一定的情況下,砂率對(duì)機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度影響不大。

3.3 級(jí)配與細(xì)度模數(shù)

試驗(yàn)對(duì)比了同一砂場(chǎng)生產(chǎn)的兩種機(jī)制砂,分別為X樣品和Y樣品,其中X樣品的細(xì)度模數(shù)為2.8,屬中砂,Y樣品的細(xì)度模數(shù)為3.8,屬粗砂。試驗(yàn)表明,機(jī)制砂通過降低細(xì)度模數(shù)可以改善其級(jí)配,而且達(dá)到中砂范疇的機(jī)制砂的級(jí)配接近級(jí)配2區(qū)的要求。此外,對(duì)比兩種砂拌制的混凝土,可以發(fā)現(xiàn),在同水灰比的條件下,細(xì)度模數(shù)和級(jí)配對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響不大,但對(duì)混凝土的坍落度與和易性影響很大。

3.4 膠凝材料用量

機(jī)制砂的級(jí)配不如中砂,要保證預(yù)拌混凝土的和易性,具備可泵送的性能,就必須使用更多的膠凝材料來填充空隙,潤(rùn)滑砂石,對(duì)于低強(qiáng)度等級(jí)的混凝土,由于水泥用量少,膠凝材料總量偏少,因此,機(jī)制砂混凝土的膠凝材料應(yīng)滿足一個(gè)最低用量,才使其具備較好的可泵性能。試驗(yàn)采用C20配合比,通過增加粉煤灰用量來提高膠凝材料的總量,試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 膠凝材料用量對(duì)機(jī)制砂混凝土可泵性的影響

表1的數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)機(jī)制砂混凝土的膠凝材料用量(包括粉煤灰用量)小于330 kg/m3時(shí),混凝土的粘聚性和保水性較差,難以滿足泵送要求。因此,為了滿足混凝土的可泵性,機(jī)制砂混凝土的膠凝材料總量不應(yīng)小于330 kg/m3。

3.5 石粉含量

試驗(yàn)對(duì)比了不同石粉含量的機(jī)制砂混凝土的工作性能和力學(xué)性能,試驗(yàn)結(jié)果見圖4,圖 5。

圖4中結(jié)果顯示:隨著機(jī)制砂中石粉含量的增加,當(dāng)石粉含量大于5%時(shí),全機(jī)制砂混凝土的工作性和力學(xué)性能有明顯的提高,尤其是當(dāng)石粉含量達(dá)到7%時(shí),工作性能和強(qiáng)度達(dá)到最佳,當(dāng)石粉含量超過10%時(shí),混凝土的坍落度明顯下降,由于混凝土中粉體含量過多,導(dǎo)致漿體中自由水量過少,混凝土拌合物和易性下降。

所以,可以通過提高機(jī)制砂的石粉含量來改善全機(jī)制砂混凝土的工作性,石粉含量應(yīng)大于5%,以石粉含量7%最佳,但不應(yīng)超過10%。

4 結(jié)語

1)Abrams的水灰比定律對(duì)全機(jī)制砂混凝土同樣有效,因此,機(jī)制砂混凝土可以采用水灰比定律來設(shè)計(jì)配合比。2)在配制全機(jī)制砂混凝土?xí)r,砂率宜控制在37%～43%之間。3)在配制全機(jī)制砂混凝土?xí)r,機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)宜控制在中砂范圍。4)在配制全機(jī)制砂混凝土?xí)r,為保證混凝土具有良好的和易性,膠凝材料總量不應(yīng)小于330 kg/m3。5)用于配制全機(jī)制砂混凝土的機(jī)制砂含粉量宜控制在5%～10%。

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