（材料学专业论文）石屑自密实混凝土性能试验研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 石屑自密实混凝土性能试验研究 材料学 张日恒 王晓利 摘要 ( 签名) 弛鱼 ( 签名) 自密实混凝土是一种新型高性能混凝土，它具有优良的变形能力和抗离析性，在 浇注过程中不用振捣而完全依靠自重作用自由流淌，穿越钢筋间隙充分填充模板空 间，同时具有足够的粘聚性防止离析泌水，拌合物均匀密实，硬化后具有良好的力学 性能和耐久性能。 随着我国基础建设的发展和对环境保护的重视，天然河砂己不能满足工程需要， 使用机制砂己成为今后的发展趋势。石屑是机制砂的一种，它的物理性能指标与天然 河砂相当且经济性好，是一种较好的代砂材料。我国石屑资源丰富，所以用石屑代替 天然河砂配制自密实混凝土可以解决我国天然河砂资源短缺的问题，同时有着显著的 经济效益和社会效益。 鉴于目前国内尚未有统一的石屑自密实混凝土配合比设计方法，本文采用正交试 验的方法研究了用水量、水灰比、碎石用量、减水剂掺量、粉体量对石屑自密实石混 凝土工作性能的影响，试验发现：用水量是影响石屑自密实混凝土拌合物流动性的主 要因素；碎石用量是影响石屑自密实混凝土拌合物填充性、间隙通过性的主要因素； 粉体量是影响石屑自密实混凝土拌合物抗离析性的主要因素；水灰比是影响2 8 d 抗压 强度的主要因素。试验配制出了工作性能满足实际要求的c 4 0 石屑自密实混凝土，工作 性能等级为二级，试验确定最佳配合比为：水1 8 0 k g m 3 、水泥4 4 5 k g m 3 、石屑7 6 1 k g m 3 、碎石8 5 1k g m 3 、减水剂3 6k g m 3 、粉煤灰1 3 8k g m 3 。最后，本文对所配制的 石屑自密实混凝土的基本力学性能、体积稳定性能及耐久性能进行了系统研究分析， 结果表明，配制得当的石屑自密实混凝土具有与天然河砂自密实混凝土同样优异的性 能，为石屑自密实混凝土应用于工程实际中提供了依据。 关键词：石屑；自密实石混凝上；正交试验；工作性能 研究类型：应用研究 s u b j e c t ： e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ep r o p e r t y o f s e i f c o m p a c t i n g c o n c r e t e ( s c c ) b ys t o n ec h i p s s p e c i a l t y ：m a t e r i a l ss c i e n c e n a m e ：z h a n gr i h e n g i n s t r u c t o r：w a n gx i a o h a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u r e )h 厢n 7v s e l f c o r n p a c t i n gc o n c r e t e ( s c c ) ，w l l i c h i san e w妇do f i l i g l lp e 面眦a n c e c o n c r e t e ( h p c ) ，c 锄f l o w 舶e l yu 1 1 d e ri t so w nw e i 曲td 证n gt l l ep l a c i n gp r o c e s s 觚dn o w t l l r o u 曲也eg 印so fr e i l l f o r c e m e n tf i l l i n gu pt h ef o n n 、0 r k ，砒l i l e “i sc o h e s i v ee r l o u 曲t 0b e h a n d l e d 晰m o u t a n ys e 乒e g a t i o no r b l e e d i n g s c ci i li t s 舭s hs t a t ei sh o m o g e n e o u sa n da 舭r h a r d e n e dh a se x c e l l e mm e c h a l l i c a lp e r f o n l l a n c e 卸l dd u r a b i i l i 够 w i mt l l e d e v e l o p m e n to fi h s 讯l c t u r ec o r l s t m c t i o n 锄dr e c o g 面t i o no fe n v i r 0 i n e n t p r o t e c t i o n ，e x i s t i n gn a t u 】r a ls a n dc 锄n o tm e e tt 1 1 ed e m a n dme n g i n e e r i n g ，s 0m a n u f a c t u 】陀d s 肌dw i l lt h en 。e n do fd e v e l o p m e n ti 1 1m t u r e t h es t o n ec l l i p si st h em a n u f k t u r e ds 锄do n e k i n da i l dh a st h es i 面l a rp h y s i c 村p r o p e r t i e s 晰t l ln a n l 豫ls a n da n di so fe c o n o m i cv a l u e ，m u s c o u l db eaf i n es u b s t i 眦o f n 删s 觚d i ti sr i c hi nc h j i bs 0m ew a y b y 、砌c hn a t l 嘲ls a n d i ss u b s t i t u t e db ys t 0 i l ec h i p si ns e l f c o m p a c t i n gc o n c r e t ec 觚w e l ls o l v et l l ep r o b l e mo ft h e s h o r t a g eo fi l a 加r a ls 肌dr e s o u r c e s ，a 1 1 da l s op r o d u c ea p p a r e n te c o n o m i c 强ds o c i a lb e n e f i t s i l lv i e wo f l a c ko f 岫伍e dm i xd e s i 印c r i t e r i o no f s c c b ys t o n ec 1 1 i p si i lc 1 1 i n 如i i l 衄s p a p e r ，t i l ee 虢c t so fw a t e rc o l l s n p t i o n ，v “c ，c r u s h e ds t o n ea m o m tu s e d ，a m o 吼to fw a t e r r e d u c 证ga g e n t ，p o 、d e r 锄。嘶o fs p a c eo c c u p i e do nt h e 、0 r l 【a b i l i t ) ro fs c cb ys t o n ec h i p s a r ei n v e s t i g a t e da c c o r d i n gt 0o r t h o g o r 谢e x p e r i m e n t i ts h o w sm a t ，w a t e rc o n s 啪p t i o ni st 1 1 e m e 眦i nf a c t o r st h a te 行e c t sm em o b i l i 够o fs c cb ys t o n ec h i p sm o b i i 时；c m s h e ds t o n e 锄。眦tu s e di st l l et l l em 血f 砬t o r st i l a te 彘c t st l l es e l f - c o m p a c t i n ga b i l i 够锄da b i l i t ) rt l l l o u 曲 c r e v i c eo fs c c b ys t 0 1 1 ec l l i p s ；p o w d e r 锄o u mo fs p a c eo c c u p i e di st 1 1 et l l em a mf k t o r st l l a t e 岱；c t st l l ea _ b i l i t yt 0p r e v e n tm es e g r e g a t i o n ；w ci st ：h et h em a i nf a c t o r st l l a te f l e c t st h e s 廿e n g t ho f2 8 d c 4 0s c cb ys t o n ec 1 1 i p s 、】 临c ha 舵c t e da c t l j a ln e e d s 、v c r ec o m p o u l l d e da n d i t sp e 而n i l a i l c ei ss e c o n d1 e v e l i ti sd e t e 咖i n e d 1 a tt h eo p t i m 啪i 血i sw a t e r ( 1 8 0 k m 3 ) 、 c e m e m ( 4 4 5 k m 3 ) 、s t o n ec l l i p s ( 7 6 lk m 3 ) 、c 1 1 l s h e ds t o r l e ( 8 5l k m 3 ) w a t e r r e d u c i n ga g e m ( 3 6k m 3 ) 、f l ya s h ( 13 8k g m 3 ) a r e rt h a t ，t 1 1 i sp a p e rd i dt l l e 矗j r t h e r r e s e a r c ho nm e c h a l l i c s ，v o l u i r l e 嘲b i l 时a n d 如a b i l i t yp e 南r i i l a n c eo fm ec 4 0s c c b ys t o n e c m p s ，r e s e a r c hs h o w st l l a t t l l es c cb ys t o n ec t l i p sh a st h es 锄ee x c e l l e n tp e r f 0 m a l l c ea s t h es c c b yi l 乏u h j r a ls a n d i tm a yb eu s e d 嬲r e f e r e n c e sf o rte n g i n e e r i n g 印p l i c a t i o no ft l l ec 4 0 s c cb y 咖n ec h i p s k e y w o r d s ：s t o n ec 1 1 j p ss e l f c o m p a c t i n g c o n c r e t eo r t l l o g o n a le x p e r i m e n t t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名日期：2 印审蚤，d 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：j 箭q 住 指导教师签 1 绪论 1 绪论 1 1 本文研究的背景及意义 随着现代科学技术的不断进步，混凝土技术日趋成熟。现在，混凝土己经成为土 木工程中用量最大、用途最广的一种建筑材料，发挥着其它材料无法替代的功能和作 用。 6 0 年代高效减水剂的发明与应用，使混凝土技术进入了高强与高流态的新领域， 9 0 年代的粉体工程，进一步使混凝土进入了高性能的时代。自密实混凝土是一种新型 高性能混凝土，其拌合物具有良好的工作性能，主要表现为：高流动性( 自密实混凝 土具有在模板内克服阻力而流动的能力) 、填充性( 自密实混凝土仅靠自重就可以填 充到模板内每一个角落的能力) 、间隙通过性( 保证混凝土穿越钢筋等狭小间隙时不 发生阻塞)、抗离析性( 自密实混凝土在运输和浇注过程中，各组分要均匀一致，即 不泌水、骨料不离析) 【lj ，同时自密实混凝土硬化后具有良好的力学性能和耐久性能。 自密实混凝土良好性能使得它在实际工程应用中具有：( 1 ) 保证混凝土良好的密实 性；( 2 ) 提高生产效率；( 3 ) 改善工作环境和安全性；( 4 ) 改善混凝土的表面质 量；( 5 ) 增加结构设计自由度； ( 6 ) 避免振捣对模板产生磨损；( 7 ) 降低工程总体 造价等众多优点【2 l 。目前，根据不同的实际土程需要，已成功开发了不同类型的自密实 混凝土【3 刁j ，如大体积自密实混凝土、补偿收缩自密实混凝土、自密实钢纤维混凝土、 自密实轻集料混凝土、自密实再生骨料混凝土、自密实废弃轮胎混凝土等。也就是 说，自密实混凝土在今后很长一段时间内将是高性能混凝土的一个重要发展方向。 细骨料是混凝土中不可缺少的一部分，我国大部分地区用天然河砂作为混凝土细 骨料。但是，天然河砂是经过上亿万年形成的一种不可再生资源，同时也是一种地方 性资源，不适合长距离运输，而我国天然河砂资源的分布又很不均匀。目前我国正处 于工程建设的高峰期，随着我国基础建设的持续高速发展，混凝土的用量巨大，对于 天然河砂的需求量也在日益增加。我国不少地方已经开始出现天然河砂资源逐步减 少，甚至无天然砂可采的情况，给当地基础建设带来极大不便，如上海已无天然河砂 资源。由于砂资源供需矛盾，在经济利益的驱使下我国不少地方已出现了违规采砂、 毁地取砂等危及河道安全和破坏自然环境的现象。1 9 9 8 年我国长江沿岸险情不断在很 大程度上就与过度开采河砂有关。国务院和各级人民政府不得不相继出台了禁采或限 采天然砂的规定。如从2 0 0 2 年开始，整个长江采砂量控制在每年5 0 0 0 万吨，并设置 许多限采区和禁采区。广东省也在2 0 0 5 年1 日发布了采砂条例设置许多限采区和 禁采区。天然河砂已经不能满足工程需要，必须找到适宜的材料代替天然河砂。 西安科技大学硕士学位论文 2 0 0 2 年2 月1 日年开始实施的国家标准建筑用砂( g b 1 4 6 8 4 2 0 0 1 ) 中增加了 关于人工砂的条文，确定了人工砂的定义( 人工砂为经除土处理的机制砂和混合砂的 统称【8 】) 、技术要求及质量检验方法。这标志着人工砂将作为建筑用砂的重要来源挤身 建材市场。这对于满足我国基础建设所需用砂的数量和质量、充分利用资源、保护环 境，以及规范建筑砂石市场将起到积极作用。 石屑是人工砂的一种，其来源一般有两种：一种是石料厂在生产加工混凝土粗集 料碎石时的副产物( 在加工混凝土粗集料碎石时通常会伴随1 5 _ 2 5 的石屑产 生) ；一种是由碎石专门加工而成的。石料厂的副产物石屑作为废弃堆积物，不仅 占用土地，而且还给环境带来粉尘污染。以美国为例，美国1 9 9 7 年发表的统计资料， 美国即使生产出的石屑8 0 已用于建筑和农业上，但仍有超过3 亿吨小于9 5 i l u n 和 超过4 亿吨小于7 5i 咖m 的材料积存在石矿场内。这个数字还将以每年1 8 亿吨的速 度增加【9 1 。再如我国的舟山市，1 9 9 9 堆放的石屑已经达到3 0 0 万吨，并且每年新增7 0 万吨【l o 】；广东省每年有3 0 0 0 万吨产生，相当于其天然砂开采的6 0 。这些石屑如果 作为废弃堆积物，不仅占用土地而且还给环境带来污染。 如果将用石料厂在生产加工混凝土粗集料碎石时产生的石屑，代替天然河砂作为 自密实混凝土的细集料，不但可以缓解天然河砂短缺与需求量增加的矛盾，还可以避 免违规采砂对环境的破坏以及解决石屑带来的污染问题，同时石屑比天然河砂的价格 低廉。另外石屑是在固定采石场里生产的工业化产品，只要母岩稳定，设备参数不 变，性能可以保持稳定，也就是说，石屑比天然河砂更有质量保证。 使用石屑替代天然河砂在国内外已成为混凝土行业可持续发展的一种趋势【l 卜1 2 j 。 研究石屑代替天然河砂配制自密实混凝土及石屑自密实混凝土的基本性能更是具有显 著的经济效益和社会效益。 1 2 石屑自密实混凝土 1 2 1 石屑 上文已经提到，石屑是人工砂的一种，其来源一般有两种：一种是由碎石专门加 工而成的；一种是石料厂在生产加工混凝土粗集料碎石时的副产物，本文的主要研究 对象是后者。关于石屑的研究，国外研究的时间较早，美、英、日等工业发达国家使 用石屑已有十几年的历史，将石屑纳入其国家标准的时间已有至少3 0 年以上u 引。国内 对石屑的研究应用起于上个世纪6 0 年代。研究表明，石屑的主要特点表现为：表面粗 燥、多棱角；级配不良，级配中大于1 1 8 i i u l l 的颗粒偏多；石粉含量高，一般可达到 1 0 2 0 ：比表面积大；石屑由机械破碎而成，所以颗粒内部微裂纹多。 石屑区别于天然河砂最关键之处就是石屑含有一定量的石粉， 建筑用砂 2 1 绪论 ( g b 1 4 6 8 4 2 0 0 1 ) 关于石屑中石粉及泥块含量指标见表1 1 。目前，对石屑中石粉的研 究主要集中在石粉含量和石粉活性两个方面。石屑中石粉含量的多少主要决定了混凝土 的干缩性能，一般认为，随着石粉含量的增大，将会引起用水量的大幅度增加，从而引 起水泥用量的增加，使混凝土的干缩加大。特别是当石粉( 此处指o 1 6 r m l l 以下的颗 粒) 的含量大于2 3 时，干缩率显著增大【1 4 1 。但也有研究表明，石粉( 此处指0 1 6 m m 以下的颗粒) 含量为2 4 、1 6 的石屑混凝土收缩率比普通混凝土略大，石粉含量为 1 0 的石屑混凝土收缩率与普通混凝土差不多，石粉含量为2 4 、1 6 的石屑混凝土收 缩没有明显的差异，说明石粉含量虽然对混凝土的收缩有影响，但影响不大。 表1 1 石粉及泥块含量指标 指标 项目 i 类类类 1 石粉含量( 按质量计) ， 3 0 5 o 7 o 亚 m b 值 1 4 0 或合格 2 甲 泥块含量( 按质量计) ， o 1 0 2 o 蓝 3 试 石粉含量( 按质量计) ， 1 o 3 o 5 0 验m b 值之1 4 0 或合格 4 泥块含量( 按质量计) ， 0 1 0心o 注：亚甲蓝鹏值用于判定石屑中粒径小于0 0 7 5 衄颗粒含量主要是泥土还是与被加工母岩化学成分相 同的石粉的指标。i 类用于c 6 0 以上混凝土，i i 类用于c 3 0 - c 6 0 混凝土，i 类用于c 3 0 以下混凝土。 同时，路文典2 0 0 0 年发表的人工砂石粉含量超标对常态混凝土性能的影响实验 研究一文中提出，石粉含量达2 0 时，混凝土具有高抗拉性、早期具有高抗裂性。 关于石粉活性的问题，具有代表性的观点认为：石粉中含有大量的游离c a o ，以及较 多和较高活性的无定型s i 0 2 ，a 1 2 0 3 ，c a o 发生水化膨胀自行硬化。s i 0 2 和a 1 2 0 3 易与 水泥水化释放出的c h 反应生成稳定的硅酸钙水化物凝胶及水化铝酸钙，由于消耗了 c h ，又促进了水泥的水化反应，同时，由于c h 与石粉中的活性s i 0 2 反应，使c h 的 晶体粒细化，有利于混凝土界面粘结i l 5 。 3 西安科技大学硕士学位论文 性能等级一级二二级三级 一般认为石屑混凝土的坍落度较小，既混凝土拌合物的流动性较差，这主要是因 为石屑颗粒表面粗糙、多棱角、级配不良。也有些研究者认为，在配合比设计、其它 材料相同条件下，含有一定石粉的石屑配制的中低强混凝土的坍落度并不降低甚至增 加。机理初步认为是石粉补偿了水泥用量较少、粉体材料不足的缺陷且能减少石屑与 碎石的摩擦1 1 6 1 7 】。大多数研究认为石屑自密实混凝土拌合物的工作性能总体上比天然 河砂混凝土的好，这主要是因为石屑中的含有较多的石粉微颗粒，使得混凝土拌和物 的浆体增多，从而使混凝土拌和物具有良好的粘聚性和保水性【l 引，特别是石灰石质石 粉能很好地改善混凝土的泌水性和粘聚性【l 刎。关于自密实混凝土土作性的检测，目前 国际上开发的相关测试方法1 2 吻】包括：坍落度与坍落扩展度试验、o r i m e t 流速试验、v 型漏斗试验、j 环试验、l 型仪试验、u 型箱试验、湿筛离析试验( w e t s i e v i n g s e g r e g a t i o nt e s t ) 和渗入试验( p e n e n ? a t i o nt e s t ) 等。自密实混凝土需要借助这些测试方法进 行配合比设计与现场质量检验，但难以用一种方法来全面反映混凝土拌合物的工作 性，一般需要两种或两种以上试验方法来评价流动性、抗离析性、填充性和间隙通过 性。 强度是混凝土作为结构材料的一个重要技术指标，也是我们研究石屑自密实混凝 土的重点，在同等条件下，用石屑配制的混凝土比天然砂配制出的混凝土强度略高， 在低强度混凝土中表现更突出【2 弛6 1 。研究认为石屑配制的混凝土比天然砂配制出的混 凝土强度略高主要原因为：石屑的形态效应：石屑是由机械破碎而成，其颗粒尖 锐，表面粗糙，骨料和水泥、骨料和骨料之间结合好，机械咬合力高【2 。石屑中石 粉的填充效应和活性效应：石屑中含有较多石粉，而石粉能够填充混凝土中的孔隙， 且0 0 7 5 眦l 以下的石粉可以与水泥熟料生成水化碳铝酸钙，从而使得混凝土的孔隙率 减少，孔隙结构得到改善。石屑中石粉的吸水效应：石屑中的石粉使得石屑砂浆的 4 1 绪论 保水性增强泌水减少，从而减少自由水在界面上聚集，因而有利于浆集料界面的改善 f 2 睨9 j 。石屑中石粉的晶核效应：石粉在水泥水化反应中起晶核作用，诱导水泥的水 化产物析晶，加速水泥水化并参加水泥的水化反应，生成水化碳铝酸钙，并阻止钙矾 石向单硫型的水化硫铝酸钙转化【3 0 1 。 石屑自密实混凝土与河砂自密实混凝土相比较，他们的干燥收缩、抗渗性、抗碳 化与抗硫酸盐侵蚀性均较好，但石屑自密实混凝土的各项性能比河砂自密实混凝土略 低【3 1 1 。一般认为掺矿渣粉的石屑自密实混凝土比掺粉煤灰的石屑自密实混凝土的干燥 收缩大，但其杭渗性、抗碳化与抗硫酸盐侵蚀性明显比粉煤灰白密实混凝土高。p o p p e 等【3 2 】研究了密封与非密封条件下，不同自密实混凝土的徐变与收缩性能。结果表明：自 密实混凝土的水灰比、水胶比是影响其收缩、徐变的主要因素，填料的细度对其收缩 与徐变无显著影响；水泥强度等级虽对其收缩无影响，但不可忽视其对自密实混凝土 基木徐变和干燥徐变的影响作用。此外，环境条件对自密实混凝土的徐变变形影响显 著【3 3 】。但是有关石屑自密实混凝土徐变和干燥徐变、抗碳化性能、对钢筋保护性能等 方面的研究报道还是较少。 1 3 本文研究内容 本文对石屑自密实混凝土的配制进行了重点研究，同时对其基本力学性能、体积 稳定性能、耐久性能进行了系统的研究。主要工作及研究内容如下： 1 3 1 试验准备工作 试验所用原材料基本性能的测试试验，主要包括：水泥的主要性能指标测试；石 屑、天然河砂、碎石基本物理性能指标测试；减水剂与水泥的适应性实验：粉煤灰性 能指标测试等。 1 3 2 石屑自密实混凝土的配制 石屑自密实混凝土的配制是本文的重点，在参考自密实混凝土应用技术规程 ( c e c s 2 0 3 2 0 0 6 ) 的基础上，采用正交试验的方法研究了用水量、水灰比、碎石用 量、减水剂掺量、粉体量对石屑自密实石混凝土工作性能的影响，配制出工程常用等 级的c 4 0 石屑自密实混凝土，并且通过工作性能试验及抗压强度试验进行验证。 1 3 3 石屑自密实混凝土力学性能研究 对试验所配制出的c 4 0 石屑自密实混凝土进行立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、 抗折强度试验研究，并与同标号的普通混凝土、天然河砂自密实混凝土进行了对比研 究。对所得到的力学性能试验数据进行研究分析，掌握自密实混凝十的力学性能及其 5 西安科技大学硕士学位论文 间的关系。 1 3 4 石屑自密实混凝土体积稳定性研究 对试验所配制出的c 4 0 石屑自密实混凝土的收缩变形、徐变性能、以及弹性摸量 进行了一系列的试验研究，并与同标号的普通混凝土、天然河砂自密实混凝土进行了 对比试验研究。 1 3 5 石屑自密实混凝土耐久性研究 本文对所配制出的c 4 0 石屑自密实混凝土抗渗性进行了研究，对所配制的c 4 0 石 屑自密实混凝土与同标号的普通混凝土、天然河砂自密实混凝土的碳化性进行了对比 试验研究。 6 2 试验用原材料及石屑自密实混凝土拌合物工作性能测试方法 2 试验用原材料及石屑自密实混凝土拌合物工作性能测试方法 2 1 试验用原材料 2 1 1 水泥 试验采用陕西耀县产“秦岭”牌p 0 4 2 5 r 普通硅酸盐水泥，其主要性能指标见表 2 1 。 表2 1 水泥主要性能指标 水泥表观密度凝结时间安定性抗折强度抗压强度 k 咖3 h ：m i n 试饼法 m p a m p a 秦岭初凝终凝3 d2 8 d3 d2 8 d p 0 4 2 5 r3 1 1 21 0 01 6 5 合格 6 4 28 9 l 3 6 5 5 5 6 2 1 2 天然河砂 试验采用西安灞河中砂，其主要性能指标见表2 2 ，均满足建筑用砂 ( g b t 1 4 6 8 4 2 0 0 1 ) 要求。 表2 2 灞河天然性能指标 2 1 3 石屑 石屑为陕西渭南华阴地区采石厂所产，常规物理性能指标见表2 3 。由表可知，本 试验所用石屑石粉含量达到了1 9 4 ，细度模数为2 8 0 。 表2 3 石屑常规物理性能指标 石屑筛分试验结果见表2 4 ，图2 1 为石屑的筛分曲线( 实线为i i 级配区边界 线，虚线为石屑筛分曲线) 。由图可以看出，石屑的累计筛余百分含量在大部分情况下 都落在了i i 级配区内，只有0 1 5 咖孔径的筛余较少，累计筛余百分含量超出了i i 级 配区的要求。 7 西安科技大学硕士学位论文 表2 4 石屑筛分结果 筛孔尺寸( m m ) 4 7 52 3 61 1 8o 6 0 0 3 0 0 1 50 0 7 5 筛底 筛余质量( g ) 61 2 01 0 06 67 43 65 24 5 分计筛余( ) 1 22 4 02 0 0 1 3 21 4 8 7 2 1 9 2 累计筛余( ) 1 22 5 24 5 25 8 47 3 28 0 49 9 8 o ，、 装 v o 辗 ：扛 6 0 噱 l o o ，一7 ， 夕， ， 夕 i ，卢 沿 0 1 50 3 00 6 01 1 82 3 64 7 59 5 0 筛孔尺寸( 咖) 图2 1 石屑筛分曲线 石屑的坚固性按照建筑用砂( g b t 1 4 6 8 4 2 0 0 1 ) 进行试验，达到i i 类砂要 求。 2 1 4 碎石 通过对几种碎石进行筛选，最终确定的碎石为陕西渭南华阴产5 m m - 2 0 帆连续级配 石灰岩碎石，表观密度2 6 5 8k g m 3 ，松散堆积密度为1 5 3 0k g m 3 ，压碎指标9 ，碎石 筛分结果见表2 5 。 表2 5 碎石筛分结果 8 2 试验用原材料及石屑自密实混凝土拌合物工作性能测试方法 2 1 5 矿物掺和合料 试验采用陕西渭河发电有限公司产的i 级粉煤灰，表观密度2 2 2 5 蚝m 3 堆积密度为 8 4 0k g m 3 。主要性能检测结果见表2 6 。 表2 6 粉煤灰性能检测 2 1 6 外加剂 实验试用的减水剂共以下两种： ( 1 ) h t h p c 聚羧酸高性能减水剂，液体，固含量翌o ，推荐掺量为胶凝材料总量 的0 4 2 5 ，常用掺量为0 8 1 2 ，山西黄腾化工有限公司生产。 ( 2 ) 萘系高效减水剂，粉末，推荐掺量为胶凝材料总量的0 5 1 ，北京化工建材厂 生产。 按照混凝土外加剂应用技术规范( g b 5 0 1 1 9 2 0 0 3 ) ，对两种外加剂分别与秦 岭4 2 5 水泥进行了适应性实验，具体结果见图2 2 。 减水剂掺量 + 系列1 + 系列2 一矗系列3 _ 卜系列4 图2 2 “秦岭”牌p d 4 2 5 r 普通硅酸盐水泥与减水剂的适应性 注：图中系列1 、2 分别为h t - h p c 聚羧酸高性能减水剂水泥净浆初始、3 0 m i n 后流动度；系列3 、4 分别为萘系高效减水剂水泥净浆初始、3 0 l i n 后流动度。 由图2 2 可以看出，h t - h p c 聚羧酸高性能减水剂与水泥所配制的净浆初流动度及 1 个小时后的流动度均优于萘系高效减水剂。h t - h p c 聚羧酸高性能减水剂与水泥适应 性非常好，所以试验选择聚羧酸高性能减水剂。 9 o 0 o 0 0 0 0 ；筋加惦加5 重毯臀爆 西安科技大学硕士学位论文 2 2 石屑自密实混凝土拌合物工作性能测试方法 2 2 1 坍落扩展度试验 坍落扩展度试验用来检测新拌自密实混凝土的流动性，新拌自密实混凝土试样按 照现行国家标准普通混凝土拌合物性能试验方法标准g b 5 0 0 8 0 中的相关规定制 得。 试验过程中：用湿布擦拭坍落度桶内表面及钢质平板表面使之湿润，坍落度筒置 于水平放置的纲质平板上( 平板是否水平用气泡水准仪测定) ，在新拌混凝土试样不 产生材料离析的状态下，将其填入坍落度筒内。将自密实混凝土填入坍落度筒内时， 利用盛料容器使内盛的混凝土拌和物均匀流出，不分层一次填充至满，自开始入料至 填充完成应在2 m i n 内完成，且不施以任何捣实或震动。 用刮刀刮除坍落度筒中已经填充混凝土顶部的余料，使其与坍落度筒的上缘线齐 平后，随即将坍落度筒沿铅直方向连续地向上提起3 c m 的高度，提起时间控制在3 s 左 右。待混凝土的流动停止后，测定直径时量测一次即可。坍落扩展度测量示意图见图 2 3 。 图2 3 坍落扩展度测量示意图图2 4v 形漏斗形状和内部尺寸示意图 2 2 2v 漏斗试验 v 漏斗试验主要用于检测新拌自密实混凝土的抗离析性能。 v 漏斗的形状和内部尺寸如图2 4 所示，漏斗的容量约为1 0 l ，其内表面经加工修 1 0 2 试验用原材料及石屑自密实混凝土拌合物工作性能测试方法 整呈平滑状。v 形漏斗制作材料可用金属，也可用塑料。在漏斗出料口的部位应附设 快速开启且有水密性的底盖。漏斗上端边缘的部位应加工平整，构造平滑；支承漏斗 的台架宜有调整装置，应确保台架的水平，且易于搬运。 试验过程中：v 形漏斗经清水冲洗后置于台架上，使其顶面呈水平，本体侧为垂 直状态。应确保漏斗稳固。用拧过的湿布擦拭漏斗内表面，使其保持湿润状态；在漏 斗出口的下方，放置承接混凝土的接料容器。混凝土试样填入漏斗前，应先行确认漏 斗流出口的底盖是否已经关闭；用混凝土投料容器承装混凝土试样，由漏斗的上端平 稳地填入漏斗内至满：用刮刀沿漏斗上端将混凝土的顶面刮平；混凝土顶面刮平后， 精置1 m i n 后，将漏斗出料口的低盖打开，用秒表测量自开盖至漏斗内混凝土全部流出 的时间( t o ) ，同时观察并记录混凝土是否有堵塞等状况。 2 2 3u 型箱试验 u 型箱试验用于测量新拌混凝土通过钢筋间隙与自行填充至摸板角落的能力。 填充装置采用u 型箱容器的形状和尺寸如图2 5 所示，采用材料应为钢质或有机 玻璃，内表面应平滑，并尽量减少混凝土与容器的摩擦力，组装后的填充装置应坚 固，且能观察混凝土的流动状态。钢制的填充装置，其量测填充高度的面应使用透明 材料。 在填充装置的中央部位放置隔栅型障碍，如图2 6 所示。1 型隔栅由5 根中1 0 光圆 钢筋制成，2 型隔栅由由1 3 光圆钢筋制成，可根据结构物的形状、尺寸及配筋状况 等，结合自密实混凝土等级选择相应的障碍和检测标准。 暑 咖嚣鲔叶董髓：麓量( b ) 离拥4 | ! 嗍型( b ) 喇障碍2 塑 “) c 辨- 董 b ) c 量i 量口，啊硼鬯一叮j 生w 啊啊拦一n z 图2 5u 型箱容器的形状和尺寸示意图图2 6u 型箱隔栅型障碍形状及尺寸示意图 在填充装置的中央部位设有沟槽，间隔板和可开启的间隔门能插入其中，凭借插 西安科技大学硕士学位论文 入装置，使a 室与b 室成为能被隔开的两个空间。 试验过程中：应使填充装置呈垂直放置，顶面为水平状态；在填充装置中，插入 间隔并装好隔栅型障碍的间隔板；将填充容器内表面、间隔门、间隔板和隔栅型障碍 等，用湿布擦拭湿润；关闭间隔门，用有把手的塑料桶容器，将新拌混凝土试样连续 浇入a 室至满，不得用振捣棒振捣或橡皮锤敲振；用刮刀沿填充容器的上缘刮平混凝 土顶面后，静置1 m i n ；连续、迅速地将间隔门向上拉起( 如图2 7 ) ，混凝土边通过 隔栅型障碍流向b 室，直至流动停止，在此期间填充装置均需保持静止、不得移动； 在填充器的b 室，由填充混凝土的下端开始，以钢制卷尺量测混凝土填充至其顶面的 高度，以b h ( 啪) 表示。量测时应沿容器宽的方向量取两端及中央等3 个位置的填充 高度，取其平均值。 一曩门 生霄 i b 羞甄圜糟 ! b 生i _ ：】 i 撕量嚼 图2 7u 型箱试验过程与量测方法 1 2 泐b 曩u 姗 阳，f 岛 1 l ! 克 1 3 石屑自密实混凝土的配制 3 石屑自密实混凝土的配制 混凝土的配制就是按照工程设计和施工要求的技术指标，合理选择适用原材料， 结合经济性原则，选择混凝土组分的最佳配合比和用料量。这直接关系到混凝上性 能、强度的高低以及使用范围的大小，关系到建筑工程的质量、造价及建筑寿命。 由于石屑自密实混凝土具有自身的特殊性，如细骨料石屑具有颗粒尖锐、表面粗 糙表面粗燥、多棱角、级配不良、石粉含量高、比表面积大的特点，混凝土拌合物要 有良好的流动性、填充性、间隙通过性、抗离析性等。这就使得石屑自密实混凝土的 组成与配合比设计、质量控制、性能测试试验方法等与普通混凝土不同，具有新的特点 和要求，现有普通混凝土配合比设计方法已经不再能适应石屑自密实混凝土的配置。 本文在参考自密实混凝土应用技术规程( c e c s 2 0 3 2 0 0 6 ) 及混凝土配合比 设计手册( 李立权) 的基础上，为减少试验次数，减少工作量，同时获取更多的信 息，利用正交试验法进行试验，配置出c 4 0 石屑自密实混凝土，并且通过工作性能试 验及抗压强度试验进行验证。 3 1 配制混凝土技术指标 3 1 1 配制强度 石屑自密实混凝土设计强度等级为c 4 0 。配制强度计算如下： = + 1 6 4 5 a ( 3 1 ) 式中： f c u 。o 一为混凝土设计强度： o 一为混凝土强度标准差( m p a ) 。混凝土强度小于c 2 0 ，o 取4 o ；在c 2 0 c 3 5 之间，o 取5 o ；高于c 3 5 ，o 取6 o 。 本文设计强度等级c 4 0 混凝土的配置强度为4 9 9 m p a 。 3 1 2 拌合物工作性能指标 拌合物工作性能等级为二级：坍落扩展度6 5 0 士5 0i 眦；v 漏斗通过时间7 2 5s ； u 型箱试验填充高度3 2 0 衄( 隔栅型障碍2 型) 以上；混凝土扩展后的混凝土呈圆 形，中央无石子堆积，且无离析、泌水。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 3 2c 4 0 石屑自密实混凝土配制 3 2 1 正交试验设计 为减少试验次数，减少工作量，同时获取更多的信息达到较好的试验效果，是混 凝土配制工作中一直不断探索和研究的问题，1 9 世纪7 0 年代以来，我国推广正交设计 方法，取得了丰硕的成果。正交试验设计( o n l l o g o m le x p e r i m e n t a ld e s i 印) 是研究多因素 多水平的又一种设计方法，它根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行 试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点。按该方法进行配合比 试验，其结果能客观的反映配制规律，较方便地进行配合比优化，还能避免盲目性的 试验，大幅减少试验次数，缩短研制时间，是一种高效率、快速、经济的实验设计方 法。 本次石屑自密实混凝土的配制就是以正交设计方法为主研究方法进行的。正交试 验研究的关键是确定因素和水平，因素是指对考核指标有影响的因素，水平是指各因 素在试验中要比较的具体条件。因素和水平是根据试验目的、试验条件，并在一定的 试验基础上或凭借专业知识来确定的。 3 2 2 试验参数选取 ( 1 ) 影响因素的选择： 用水量：参考自密实混凝土应用技术规程( c e c s 2 0 3 2 0 0 6 ) 用水量取 1 5 0 k g m 3 、1 6 0k i n 3 、1 7 0k m 3 、1 8 0k m 3 。 水灰比：水灰比是影响混凝土性能的重要因素之一，特别要考虑到水灰比对混凝 土强度的影响，参考混凝土配合比设计手册( 李立权) 计算如下： w ，c 咄e ，( f c u p “b f c e ) ( 3 2 ) 式中： f c e 一水泥2 8 d 抗压强度实测值，m p a ； a 、b 一回归系数，与骨料的品种、水泥品种等因素有关，碎石混凝土， a = 0 4 8 、b = o 5 2 ；卵石混凝土，a _ 0 5 0 、b = 0 6 1 。 计算得出一个基础水灰比0 4 2 ，然后在0 4 2 的基础上调整，水灰比取0 3 2 0 4 6 之 间。 碎石：参考自密实混凝土应用技术规程( c e c s 2 0 3 2 0 0 6 ) 碎石单位绝对体积 用量取o 3 0 0 3 3 n 1 2 ，既7 9 7k g 8 7 7k g 。 减水剂的掺入量：为克服石屑自身特点对自密实混凝土工作性能的影响，主要采 1 4 3 石屑自密实混凝土的配制 取增大粉体含量和添加高效减水剂的方法来提高浆体的粘性和流动性，从而实现自密 实混凝土优越的工作性能。所以减水剂的掺入是影响混凝上性能的因素之一，本文在 适应性试验的基础上，选择减水剂的掺入量为o 8 1 2 。 单位体积粉体量( 包括水泥、石粉、粉煤灰) ：参考自密实混凝土应用技术规 程( c e c s 2 0 3 2 0 0 6 ) 单位体积粉体量，同时考虑石屑中的石粉含量，单位体积粉体 量取取o 2 4m 2 o 31 i n 2 。 ( 2 ) 考核指标的选择： 抗压强度：混凝上抗压强度是非常重要的技术指标，并且是最容易准确测量的参 数，因此选用混凝土2 8 d 抗压强度作为混凝土力学性能的考核指标。 流动性：流动性是指自密实混凝土在模板内克服阻力而流动的能力，用坍落扩展 度试验来检测。 抗离析性：抗离析性是自密实混凝土在运输和浇注过程中，各组分要均匀一致， 即不泌水，骨料不离析的重要保证，用v 漏斗试验检测其抗离析性能。 填充性、间隙通过性：填充性是指自密实混凝土仅靠自重就可以填充到模板内每 一个角落的能力；间隙通过性保证混凝土穿越钢筋等狭小间隙时不发生阻塞。用u 型 箱试验检测新拌自密实混凝土的填充性、间隙通过性。 3 2 3 试验方案 根据研究的影响因素和水平的需要，木项研究选用l 1 6 ( 4 5 ) 正交表，其因素水平 表见表3 1 ，试验方案制定见表3 2 。 表3 1 因素水平表 ab cd e 因素 碎石用量减水剂用量粉体量 水平 用水量( k g m 3 ) 水灰比 ( k g m 3 )( ) ( m 3 m 3 ) l 1 5 00 3 87 9 40 9 30 2 8 21 6 00 4 28 5 l1 0 60 2 6 31 7 00 4 68 2 4o 8o 3 l 4 1 8 0 0 3 48 7 71 2 0 2 4 根据选用的正交试验设计表，对应列数，计算出每一组试验的混凝上配合比，过 程如下； ( 1 ) 确定单位用水量( k 咖3 ) 和水灰比的基础上计算出水泥用量( k g m 3 ) ； ( 2 ) 在确定单位体积粉体量的基础上，由水泥用量、碎石用量、石粉含量利用体 积法计算出石屑用量( k g m 3 ) 、粉煤灰用量( k 咖3 ) 。具体公式见： 1 5 西安科技大学硕士学位论文 w 水p 水+ w 水泥p 水泥+ w 石属p 石眉+ w 碎石p 碎石+ w 粉煤灰p 粉煤灰十0 0 1 = 1 ( 3 3 ) w 石罔p 石糟牛1 9 4 + w 水泥p 水泥+ w 格馑灰p 粉煤袭= v 粉 ( 3 4 ) 式中：w j i 一1 m 3 混凝土的用水量，蛞； w 水泥一l m 3 混凝土的水泥用量，k g ； w 石晨一1 m 3 混凝土的石屑用量，k g ； w