29 贵州省高速公路机制砂高性能混凝土研究 王国青 ( 中交一航局第四工程有限公司 ) 摘要 : 结合贵瓮高速公路特点, 通过不同水胶比 石粉含量 掺合料掺量三个因素, 对贵阳地区机制砂混凝土配合比采用正交试验设计, 通过对试验数据整理分析, 判断并找出影响机制砂混凝土强度和工作性能的主要因素, 从而配置出 C50 预制 T 梁混凝土并进行优化 关键词 : 机制砂混凝土 ; 配合比设计 ; 正交试验设计 0 引言机制砂混凝土存在两大问题 一是混凝土配合比研究问题 首先, 由于目前还缺乏对机制砂混凝土相应的设计理念, 对一些配制高强高性能机制砂混凝土的敏感因素 ( 石粉含量 矿物细掺料及掺量的多少等 ) 缺少系统性的研究 机制砂自身的物理特性也导致了机制砂混凝土的流动性较差 如何改善机制砂混凝土的流动性, 是配制良好的机制砂混凝土的关键技术 二是高性能机制砂混凝土中石粉含量问题 目前我国机制砂生产规模小 技术装备比较落后 生产的机制砂普遍级配不合理, 片状和粉状颗粒偏多, 质量差 波动大 而某些比较大型机制砂生产线, 采用比较先进的设备, 但生产的砂, 经过专门设备除粉后, 石粉含量仍可达 7~8 新国标中对机制砂石粉含量的限制较为严格, 如将 C60 混凝土机制砂中的石粉含量控制在 5 以下, 这对机制砂的生产提出很高的要求, 虽然国内对机制砂中石粉的极限含量有了大量的研究, 但大多研究局限在低标号混凝土中, 并认为高石粉含量 ( 一般为 15) 对混凝土的各项性能均有较大改善 但对于高性能混凝土中石粉含量的研究则非常少 随着混凝土技术的发展, 以及人们对经济性和高质量的追求, 如何最大程度的减少机制砂的生产成本和最大限度的利用废弃的石粉, 是大家非常关心的问题, 因此, 对机制砂混凝土中石粉含量的研究将十分必要 贵瓮高速公路是贵州省典型的山区高速公路 当地的天然河砂匮乏, 如采用长距离运输会使成本急剧增加, 因此采用质量可控 成本相对较低 的机制砂作为混凝土的细集料成为首选 因此, 利用机制砂配制混凝土的试验研究就十分必要, 它将为实际工程中在云贵地区机制砂配制高效混凝土提供经验参考和依据 关于机制混凝土的性能, 国内外已有广泛研究 本文则基于正交试验设计方法, 对机制砂混凝土的配合比, 同时根据试验结果, 对目标配合比进行优化, 以便在工程中得到良好应用 1 机制砂混凝土配合比设计思路固定水胶比 胶凝材料总用量 骨料总用量及砂率, 改变各种胶凝材料的掺量及机制砂石粉含量, 利用正交设计确定不同粉煤灰掺量和机制砂石粉含量对混凝土工作性能及耐久性能的影响, 同时分析经济成本, 最终确定各粉煤灰的掺量及适宜石粉含量 在确定粉煤灰掺量和最适宜石粉含量后, 对不同水胶比的混凝土各项性能进行分析, 从而确定适用于工程需要的工作性能 耐久性能 经济合理的 C50 机制砂混凝土 2 原材料选择机制砂混凝土要达到良好的耐久性和工作性, 相对于河砂混凝土而言较困难, 因此原材料的质量控制由显重要 2.1 水泥通过对贵阳海螺和开阳紫江两家 P.O42.5 水泥的比对试验, 再综合考虑其生产能力和运距 价格, 最终确定选用贵阳海螺 P.O42.5 水泥进行配合比设计, 其主要性能指标见表 1 2.2 粗集料优先选择强度高 密度大 针片状少 含泥
要 30 要 2017 年 9 月 表 1 水泥常规性能指标 比表面积 / 凝结时间 /min 抗折强度 /MPa 抗压强度 /MPa 规格 (m 2 kg 标准稠度 / 安定性 -1 ) 初凝终凝 3 d 28 d 3 d 28 d P.O42.5 322 26.5 合格 183 320 5.9 8.0 36.0 53.2 量小 级配良好的粗集料, 本次配合比设计采用 龙岗镇兴龙砂石二分厂生产的碎石, 由 5~10 mm 碎石与 10~20 mm 碎石复掺成 5~20 mm 连续级配 碎石 其主要性能指标见表 2 表 2 粗集料主要技术性能指标 规格含泥量 / 泥块含量 / 压碎值 / 针片状含量 / 表观密度 /(kg m -3 ) 堆积密度 /(kg m -3 ) 空隙率 / 5~20 mm 0.4 0.1 11.6 4.5 2.704 1.610 40.5 2.3 细集料砂对混凝土的拌和物和易性的影响比粗集料要大, 要选取级配良好的机制砂, 机制砂过粗容易引起离析且保水性能差, 从而影响混凝土的 内在质量及外观质量 ; 本次配合比设计选用龙岗镇兴龙砂石二分厂生产的机制砂, 并制备不同的石粉含量 (7 10 13) 其主要性能指标见表 3 表 3 机制砂主要性能指标 编号细度模数亚甲蓝值 /(g kg -1 ) 泥块含量 / 压碎指标值 / 表观密度 /(kg m -3 ) 堆积密度 /(kg m -3 ) 空隙率 / 1 2.99 1.1 0.4 25 2.666 1.618 39.3 2.4 粉煤灰 贵阳地区可选用的优质粉煤灰基本没有, 本 次选用贵州大方火力发电厂的 F 类域级粉煤灰, 其主要性能指标见表 4 表 4 粉煤灰主要技术性能指标 细度 含水率 需水量比 烧失量 碱含量 11.9 0.1 79 7.0 0.101 2.5 减水剂 通过对贵州星恒与天津飞龙两个厂家的聚羧 酸高性能减水剂产品的对比试验以及对水泥 机 制砂的适应性试验, 再综合考虑其经济性 服务 方便性, 最终确定采用贵州星恒的聚羧酸高性能 减水剂, 其主要性能指标见表 5 表 5 减水剂主要技术性能指标 减水 固含 凝结时间差 /min 抗压强度比 / 碱含 氯离子 率 / 量 / 初凝 终凝 7d 28d 量 / 含量 / 28 19.5 160 180 169 156 3.18 0.072 2.6 水采用当地饮用水 3 配合比设计 3.1 砂率选择砂率是否合适对混凝土的坍落度 工作性能 和力学性能有较大的影响 经过试验, 机制砂混凝土砂率在小于 40 时, 拌合物和易性一般, 存在泌水现象, 随着砂率的增大, 拌合物坍落度逐渐增大, 当砂率增大到 43 时, 黏聚性明显改善, 而当砂率继续增大后, 则混凝土坍落度又开始下降 当砂率控制在在 42~46 时, 强度趋于稳定 砂率超过 50, 不但强度有所下降, 而且弹性模量显著降低 根据试验结果宜选取 C50 机制砂混凝土砂率为 43 3.2 因素水平影响机制砂混凝土强度及工作性能的因素较多, 试配中只考虑原材料情况, 既在固定水胶比 胶凝材料总用量 骨料总用量及砂率的情况下, 不同粉煤灰掺量及机制砂石粉含量对混凝土强度及工作性能的影响, 详见表 6 表 6 因素水平表 因素水平 A 粉煤灰掺量 B 石粉含量 1 0 7 2 10 10 3 20 13 3.3 试验方案及试验结果按照因素水平表, 考虑各因素及其状态对混
王国青 : 贵州省高速公路机制砂高性能混凝土研究 31 凝土强度 工作性能和耐久性的影响, 依据具体 内容, 计算各试验的配合比, 并严格按照试验条 件进行试验 试验配合比及试验结果见表 7 表 7 混凝土配合比及试验结果 序号 1 胶凝材料 /kg 水胶比 砂率 / 粉煤灰掺量 / 抗压强度 /MPa 石粉含量 / 坍落度 /mm 扩展度 /mm 7 d 28 d 1 0 7 190 485 55.6 64.5 2 0 10 185 440 54.9 63.7 3 0 13 165 375 52.2 59.7 4 10 7 200 510 54.1 62.0 5 494 0.32 43 10 10 185 495 53.2 61.2 6 10 13 170 430 50.8 57.8 7 20 7 200 520 52.1 60.5 8 20 10 190 495 51.1 58.9 9 20 13 175 450 49.1 56.0 3.4 试验结果分析 混凝土配合比设计的目的是既要达到强度 指标, 又要保证机制砂混凝土有良好的工作性及 耐久性, 本次试验通过不同因素在不同水平下 对混凝土各项性能的极差分析, 极差计算结果见 表 8 表 8 极差计算结果 考核指标因素 K1 K2 K3 k1 k2 k3 R 优化方案 坍落度 /mm 扩展度 /mm 7 d 抗压强度 /MPa 28 d 抗压强度 /MPa A 540 555 565 180.0 185.0 188.3 8.3 A3 B 590 560 510 196.7 186.7 170.0 26.7 B1 A 1 300 1 435 1 465 433.3 478.3 488.3 55.0 A3 B 1 515 1 430 1 255 505.0 476.7 418.3 86.7 B1 A 162.7 158.1 152.3 54.2 52.7 50.8 3.5 A1 B 161.8 159.2 152.1 53.9 53.1 50.7 3.2 B1 A 187.9 181.0 175.4 62.6 60.3 58.5 4.2 A1 B 187.0 183.8 173.5 62.3 61.3 57.8 4.5 B1 1) 影响新拌混凝土坍落度因素的顺序为 B 跃 A; 当粉煤灰掺量不变, 石粉含量超过 7 后, 坍落度随着石粉含量的增加而降低 ; 当石粉含量不变, 随着粉煤灰掺量的增加, 坍落度随之增大 ; 若要取得最佳试配坍落度, 则取各因素水平组合的最接近值, 如选用 A3B1 组合可得到最大的坍落度 2) 影响机制砂混凝土扩展度的因素顺序为 B>A, 当粉煤灰掺量不变, 石粉含量超过 7 后, 扩展度出现较为明显的降低 ; 当石粉含量不变, 随着粉煤灰掺量的增加, 扩展度随之增大 如要取得较好的扩展度, 则应组合 A3B1 3) 影响机制砂混凝土早期 7 d 强度的因素顺序为,A 跃 B, 当粉煤灰掺量不变, 石粉含量超过 7 的时候,7 d 抗压强度随着石粉含量的增加而降低, 特别是当石粉含量到 13 后 ; 降低较为明显 当机制砂石粉含量不变, 随着粉煤灰掺量的增加,7 d 抗压强度随之降低, 若要若要取得较高的早期强度, 则应选择粉煤灰掺量较少 机制砂石粉含量适宜的组合, 如 A1B1 可得到较好的预期效果 4) 影响机制砂混凝土 28 d 强度的因素顺序为 :B 跃 A, 当粉煤灰掺量不变, 石粉含量超过 7 的时候,28 d 抗压强度随之降低 ; 当机制砂石粉含量不变, 随着粉煤灰掺量的增加,28 d 抗压强度有所降低, 组合 A1B2 可得到较高的 28 d 抗压强度 综合考虑粉煤灰掺量 机制砂石粉含量, 在
要 32 要 2017 年 9 月 不降低用水量的情况下, 粉煤灰的减水效果使得浆体自由水含量增加, 一定的石粉吸附多余的自由水只有填充水泥与粉煤灰的间隙, 不仅促进混凝土和易性, 同时改善胶凝材料级配, 促进水泥水化 加快粉煤灰表面被侵蚀的速度, 从而起到增强的作用,10 掺量的粉煤灰与 7 石粉含量的表 9 组合便是很好的证明, 与石粉产生类似于掺合料之间的叠加效应, 使该机制砂混凝土和易性和强度均达到最佳 3.5 混凝土耐久性机制砂混凝土不掺粉煤灰时以及石粉含量 7 时不同粉煤灰掺量的耐久性数据如表 9 所示 耐久性结果 序号 粉煤灰掺量 / 石粉含量 / 干缩率 /10-6 300 次冻融循环后 7 d 14 d 28 d 60 d 质量损失率 / 动弹模量损失率 / 抗渗性 1 4.0 190 302 360 451 0.3 3.6 跃 P12 2 7.0 199 315 378 465 0.2 3.9 跃 P12 0 3 10.0 187 296 357 439 0.1 3.5 跃 P12 4 13.0 179 293 354 430 0.1 3.4 跃 P12 5 0 199 315 378 465 0.2 3.9 跃 P12 6 10 7.0 185 278 352 432 0.3 3.4 跃 P12 7 20 195 292 364 453 0.2 3.3 跃 P12 1) 从表 9 可以看出, 经过 300 次冻融循环 后, 所有配合比的混凝土质量损失率均较小, 几 乎为 0, 动弹性模量损失也均不超过 5; 抗渗试 验结果也表明抗渗性均为优良 粉煤灰的掺入以 及石粉含量的变化对混凝土耐久性无大的影响 2) 从图 1 可以看出, 不同龄期的干缩率以 7 石粉含量为分界点, 小于 7 时, 干缩率随石 粉含量增加而增大, 石粉含量大于等于 7 时, 石 粉含量增加却导致各龄期的干缩呈现下降趋势 图 1 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 3) 从图 2 可以看出, 粉煤灰的掺入有效降低 了混凝土的干缩, 尤其在掺量为 10 的时候效果 尤为明显 3.6 验证优化配合比 7 d 14 d 28 d 4.0 7.0 10.0 石粉含量 / 60 d 13.0 0 粉煤灰掺量下不同石粉含量时干缩率 在确定粉煤灰掺量及最佳机制砂石粉含量后, 考虑不同水胶比下混凝土强度 抗压弹性模量 图 2 500 450 400 350 300 250 200 150 7 14 28 龄期 /d 7 石粉含量时不同粉煤灰掺量时干缩率 抗渗性, 选出适合本工程 T 梁预制的最佳 C50 混 凝土配比 配合比设计目标参数见表 10, 优化配 合比方案及试验结果见表 11 坍落度 /mm 表 10 配合比设计目标参数 扩展度 /mm 28 d 抗压强度 /MPa 0 粉煤灰掺量 10 粉煤灰掺量 20 粉煤灰掺量 28 d 抗压弹 性模量 /MPa 由表 11 的试验结果可以得出 :1) 3 个方案 的坍落度均满足设计要求, 但方案 1 的扩展度不 满足要求 ;2) 方案 1 2 的抗压强度均满足设计 要求, 但方案 2 更经济合理 ;3) 3 个方案的抗压 弹性模量 抗渗性均满足设计要求 ;4) 综合考虑 混凝土的工作性能 力学性能 耐久性能, 最终 确定方案 2 作为本工程 T 梁预制的混凝土配合比 60 抗渗等级 160 耀 200 逸 500 逸 59.9 逸 34 500 逸 P12
王国青 : 贵州省高速公路机制砂高性能混凝土研究 33 表 11 优化配合比方案及试验结果 方案 水胶比 胶凝材料用粉煤灰掺抗压强度 /MPa 抗压弹性模砂率 / 坍落度 /mm 扩展度 /mm 量 /(kg m -3 ) 量 / 7 d 28 d 量 /MPa 抗渗性 1 0.30 527 10 42 170 475 60.2 67.4 46 900 跃 P12 2 0.32 494 10 43 200 510 54.1 62.0 44 700 跃 P12 3 0.34 465 10 44 200 520 53.5 59.2 43 800 跃 P12 3.7 工程实体应用上述方案 2 混凝土配合比在工程实际应用中, 拌制的混凝土和易性良好, 早期 5 d 强度就能满足张拉要求,28 d 强度较高 ; 在施工过程中没有特别的技术要求, 浇筑的混凝土构件外观致密 均匀, 较光洁, 而且能综合利用贵州省大量排放的粉煤灰, 具有较好的技术经济效益和社会效应, 为公司进取云贵地区建筑市场提供扎实的技术支持 由于贵阳本地区无河砂资源, 只能由外地运输过来, 成本较高, 价格远超 100 元 /t, 而当地机制砂价格约 56 元 /t, 价格相差近 40 元 /t 根据试验研究机制砂混凝土同样可以达到很好的效果, 如按 C50 混凝土配合比计算, 使用机制砂后单方混凝土成本可节约 32 元左右 4 结语 1) 机制砂混凝土中适量的掺加粉煤灰可以与一定量的石粉产生类似于掺合料之间的复合效应, 在大大改善混凝土工作性能的同时, 强度仍能得 到保证 2) 机制砂中适宜石粉含量对混凝土的工作性 能和力学性能是有益的 但当含量超过 10 后, 混凝土各项性能急剧下降 3) 在适宜的石粉含量和粉煤灰掺量的情况 下, 机制砂混凝土的抗压弹性模量和抗渗性能还 是能够得到保证的 4) 在缺少天然河砂的情况下, 通过机制砂混 凝土的研究应用, 仍能得到良好的经济社会效益 参考文献 : [1] DBJ 52-55 2008, 贵州省高速公路机制砂高强混凝土技术规 程 [S]. [2] JGJ 55 2001, 普通混凝土配合比设计规程 [S]. [3] 杨玉辉, 周明凯, 赵华耕. C80 机制砂泵送混凝土的配制及其影 响因素 [J]. 武汉理工大学,2005(8):27-30. [4] 成全喜, 郑淑平, 孙玉红. 正交试验法在混凝土配合比设计中的 应用 [J]. 实验科学与技术,2006(6):28-30. [5] 周大庆, 张道友, 赵华耕, 等. 机制砂高性能混凝土配合比设计 的研究 [J]. 国外建材科技,2005,26(3):20-23.