機(jī)制砂泵送纖維混凝土在地下超長結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

宿曉亮 馬 靜 于 超 周華新

1青島北苑混凝土有限公司（266000） 2江蘇博特新材料有限公司（210000）

0 前言

現(xiàn)代地下工程用水泥混凝土向高強(qiáng)、高性能方向發(fā)展，但同時(shí)收縮開裂也已經(jīng)成為地下工程超長結(jié)構(gòu)、超大面積混凝土劣化的主要因素，一般認(rèn)為限制收縮是混凝土開裂的主要原因[1-2]。邊界條件的約束變形會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，一旦拉應(yīng)力超過相應(yīng)齡期的抗拉強(qiáng)度，混凝土就會(huì)發(fā)生開裂。水泥基材料早期收縮開裂的機(jī)理比較復(fù)雜,從能量角度來看，原始裂縫的擴(kuò)展比生成新的裂縫更容易，早期可見與不可見裂縫是裂縫擴(kuò)展導(dǎo)致開裂的源頭[3-4]。控制水泥基材料在約束條件下產(chǎn)生早期開裂是一個(gè)最本質(zhì)、最敏感的問題。混凝土作為傳統(tǒng)建筑材料已有上百年的歷史,但在工程應(yīng)用過程中由于配合比設(shè)計(jì)、配筋設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)不當(dāng)常常會(huì)引起混凝土開裂,嚴(yán)重影響地下工程超長結(jié)構(gòu)、超大面積混凝土的抗?jié)B防腐等耐久性能。

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益發(fā)展，我國不少地區(qū)天然砂資源逐步短缺，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，使用機(jī)制砂已成為必然趨勢(shì)[5]。在采礦和加工過程中會(huì)伴隨產(chǎn)生約20%的尾礦，相當(dāng)多的尾礦沒有得到合理利用，占用土地，造成環(huán)境污染[6]。如果把這些資源變成機(jī)制沙，會(huì)得到很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，大力發(fā)展機(jī)制沙可以保護(hù)環(huán)境，有利于生態(tài)平衡。結(jié)合尾礦機(jī)制砂的特性及地下工程超長、超大面積混凝土抗裂要求，開展了利用機(jī)尾礦機(jī)制砂配制合成纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)研究，旨在更好地指導(dǎo)尾礦機(jī)制砂在纖維泵送混凝土中的應(yīng)用。

1 工程概況

裕龍潤邦小區(qū)位于平度市城區(qū)東南部香店街道辦事處，三城路以北，規(guī)劃長春路以南，杭州路以東，泰州路以西，所處區(qū)位交通優(yōu)勢(shì)突出。小區(qū)建成后，將改善市民居住條件，提高城市整體形象，引領(lǐng)平度市高層住宅建設(shè)潮流，促進(jìn)當(dāng)?shù)胤康禺a(chǎn)向高層住宅方向發(fā)展,對(duì)促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、加快城市化建設(shè)具有積極的推動(dòng)作用。項(xiàng)目總占地面積為15.38萬m2,總建筑面積為49.17萬m2，車庫總面積達(dá)13.89萬m2，地下長墻車庫和大面積車庫頂板采用一次性澆筑，防止混凝土開裂是難點(diǎn)與重點(diǎn)。因此地下車庫和地下2層全部采用防滲抗裂纖維混凝土。

2 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)原材料

水泥為青島平度山水水泥有限公司生產(chǎn)，普通42.5級(jí),其性能見表1；礦粉∶濰坊鋼鐵廠生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉；粉煤灰∶濰坊電廠粉煤灰Ⅱ級(jí)灰；尾礦機(jī)制砂∶平度市灰埠信誠砂石加工廠生產(chǎn)的尾礦機(jī)制砂，其主要性能見表2；天然河砂∶平度崮山天然河砂，其主要性能見表3；粗骨料∶5～25 mm連續(xù)級(jí)配石灰石碎石。減水劑∶聚羧酸高性能減水劑；抗裂纖維∶江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的潤強(qiáng)絲聚丙烯纖維（PP），長度分別為15 mm，其性能指標(biāo)見表4。

表1 水泥主要物理性能

表2 尾礦機(jī)制砂的主要性能

表3 天然河砂的主要性能

表4 試驗(yàn)用聚丙烯抗裂纖維性能

2.2 試驗(yàn)方法

1）拌合物新拌及力學(xué)性能∶混凝土拌合物性能按《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》GB/T 50080-2002進(jìn)行。力學(xué)性能按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》GBJ81-85進(jìn)行，用于立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。所有力學(xué)性能測試值均按相關(guān)規(guī)范換算成標(biāo)準(zhǔn)值。

2）收縮試驗(yàn)∶試驗(yàn)參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50082-2009)進(jìn)行測試。收縮試驗(yàn)試件采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，一端端埋設(shè)金屬測頭，測長采用千分表測量。試件成型標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d后移入干燥恒溫室立即測定基準(zhǔn)長度，試件的干縮齡期以測基準(zhǔn)長度后算起。

3）抗?jié)B試驗(yàn)∶依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GB 50082-2009)中抗水滲透試驗(yàn)滲水高度法進(jìn)行混凝土抗?jié)B試驗(yàn),測定硬化混凝土在恒定壓力下的平均滲水高度來表征混凝土抗?jié)B性能。

2.3 試驗(yàn)方案及配合比

研究過程中主要對(duì)比天然河砂與尾礦機(jī)制砂的不同比例對(duì)混凝土性能、力學(xué)性能及抗?jié)B性能產(chǎn)生的影響,混凝土中纖維的摻量為為0.8 kg/m3，纖維長度為15 mm配合比設(shè)計(jì)時(shí)為避免纖維對(duì)混凝土工作性能的影響，采用較高砂率和較高摻合料摻量。 尾礦機(jī)制砂與天然河砂比例分別為∶9∶1、8∶2、7∶3、6∶4，混凝土試驗(yàn)配合比如表 5所示。

表5 基準(zhǔn)混凝土配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 工作性能及力學(xué)性能

研究過程中通過測定新拌混凝土拌和物的坍落度、擴(kuò)展度，輔以直觀經(jīng)驗(yàn)評(píng)定粘聚性和保水性來評(píng)價(jià)纖維混凝土工作性能，研究了天然河砂與尾礦機(jī)制砂的不同比例對(duì)低強(qiáng)度等級(jí)C30泵送纖維混凝土工作性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 纖維混凝土新拌性能及力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明尾礦機(jī)制砂對(duì)纖維混凝土新拌性能有一定的負(fù)面影響，尾礦機(jī)制砂摻量越高時(shí)新拌纖維混凝土坍落度和擴(kuò)展度值越小,尾礦機(jī)制砂會(huì)是混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失加大,流動(dòng)性變差，可泵送性變差，施工時(shí)所需要的泵送壓力增大。這主要是因?yàn)槲驳V機(jī)制砂石的表面比河砂粗糙，有尖銳棱角，和同等級(jí)天然砂混凝土相比在水灰比相同的條件下，其流動(dòng)性比普通混凝土要差。此外尾礦機(jī)制砂中含有5%的石粉,會(huì)導(dǎo)致混凝土的用水要適量增大和坍落度經(jīng)時(shí)損失增大。

3.2 收縮性能

混凝土收縮是導(dǎo)致混凝土開裂的重要原因，這主要是因?yàn)橛不尚秃蟮幕炷猎谒嗬^續(xù)水化、水分的遷移等作用下要產(chǎn)生收縮。在實(shí)際工程應(yīng)用中，混凝土構(gòu)件要受到各種約束，因此限制了混凝土的收縮，在混凝土內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土材料本身的極限應(yīng)力時(shí)，混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫。為了解決混凝土的收縮開裂問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者均采用在混凝土中摻入纖維來改善其收縮性能[7],同樣研究過程中以聚丙烯纖維混凝土為研究對(duì)象，對(duì)比分析了天然河砂與尾礦機(jī)制砂不同比例對(duì)混凝土收縮的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

試驗(yàn)結(jié)果顯示在纖維混凝土中，隨著尾礦機(jī)制砂用量的增加，纖維混凝土干燥收縮和自收縮都有增大的趨勢(shì)；從試驗(yàn)結(jié)果可得出，在聚丙烯纖維摻量為0.8 kg/m3的條件下,采用尾礦機(jī)制砂配制的纖維混凝土收縮值基本在可接受的范圍。

3.3 抗?jié)B性能試驗(yàn)

抗?jié)B性試驗(yàn)是衡量普通混凝土水壓滲透的一項(xiàng)試驗(yàn)方法，有滲透高度法和逐級(jí)加壓法兩種方法。滲透高度法是采用恒定水壓力在規(guī)定時(shí)間內(nèi)測試混凝土的平均滲水高度來評(píng)價(jià)混凝土的抗?jié)B性，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖中可以看出,隨著機(jī)制砂比例的逐漸升高，通過以上試驗(yàn)方法測得的混凝土滲水高度有下降的趨勢(shì)，也就是說，混凝土的抗?jié)B性能有所提高。這主要是由于機(jī)制砂摻量的增大，混凝土用砂中石粉含量有所提高,一定程度上提高了混凝土的密實(shí)度，使混凝土抗壓強(qiáng)度有所增長，同時(shí)也提高了混凝土的抗?jié)B性能。但隨著機(jī)制砂比例的提高，混凝土抗?jié)B性能提高的幅度越來越小。當(dāng)機(jī)制砂∶天然砂=8∶2時(shí)，混凝土抗?jié)B性能表現(xiàn)最優(yōu)。

4 工程應(yīng)用情況

尾礦機(jī)制砂石的表面比河砂粗糙,有尖銳棱角，和同等級(jí)天然砂混凝土相比在水灰比相同的條件下，其流動(dòng)性比普通混凝土要差，但只要添加適當(dāng)比例的天然細(xì)河砂就會(huì)有效改善這一問題。由于石粉砂中含有5%的石粉,導(dǎo)致混凝土的用水要適量增大,但比普通混凝土的保水性好、粘聚性強(qiáng)、泌水少，即和易性好。綜合考慮尾礦機(jī)制砂和河砂的性能，通過試配得出在減水劑摻量相同的條件下，河砂與機(jī)制砂的比例為2∶8,聚丙烯抗裂纖維的摻量為0.8 kg/m3，混凝土狀態(tài)和坍落度保持性能較好。最終確定的用機(jī)制砂配制的纖維混凝土配合比如表7所示。

青島平度市裕龍潤邦小區(qū)車庫總面積達(dá)13.89萬平方米，地下長墻車庫和大面積車庫頂板采用一次性澆筑，該工程用尾礦機(jī)制砂配制的纖維混凝土外墻澆筑拆模后，混凝土色澤均勻、無明顯氣泡，外觀質(zhì)量較好，而且沒有發(fā)現(xiàn)任何有害裂縫。

5 結(jié)語

1）與河砂相比，尾礦機(jī)制砂對(duì)纖維混凝土新拌性能有一定的負(fù)面影響，會(huì)增大混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失，河砂與機(jī)制砂復(fù)合使用時(shí)可明顯改善尾礦機(jī)制砂對(duì)混凝土新拌性能的影響。

2）河砂與尾礦機(jī)制砂復(fù)合時(shí),機(jī)制砂用量最高，這是由于機(jī)制砂含有石粉對(duì)抗收縮性能有一定負(fù)面影響,纖維混凝土干燥收縮和自收縮都有增大的趨勢(shì)，但混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性能能得到改善。

3）綜合考慮混凝土性能的經(jīng)濟(jì)性，則發(fā)現(xiàn)河砂與尾礦機(jī)制砂的比例為2∶8時(shí)比較合適。應(yīng)用實(shí)踐表明，用尾礦機(jī)制砂配制的泵送纖維混凝土具有良好的防滲抗裂效果，適合用于地下車庫及地下建筑群等超長混凝土結(jié)構(gòu)。

表7 尾礦機(jī)制砂泵送纖維混凝土試驗(yàn)配合比

[1]田倩,孫偉,繆昌文.高性能混凝土自收縮測試方法探討[J].建筑材料學(xué)報(bào),2005,8(1):82~89.

[2]王迎飛,黃雁飛,王勝年.工程裂縫影響因素探討及混凝土收縮開裂研究方法表征[J].混凝土,2005(10):20~24.

[3]王善拔,劉運(yùn)江,羅云峰.混凝土的早期開裂和改善途徑[J].建筑監(jiān)督檢測與造價(jià),2009,2(2):39~42.

[4]曾京生,高小建,鄭俊,費(fèi)成欣.高性能混凝土早期收縮開裂問題研究[J].低溫建筑技術(shù),2009(10):10~14.

[5]朱俊利,郎學(xué)剛,賈希娥.機(jī)制砂生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].礦冶,2001,4(10):38~42.

[6]馬茂君,陳家垅,郭林華.鐵礦山廢料再利用實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)踐[J].中國資源綜合利用,2007,3:3~7.

[7]陳潤鋒,張國防,顧國芳.我國合成纖維混凝土研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].建筑材料學(xué)報(bào),2001,4(2):167~173.