（材料学专业论文）高强高性能机制砂混凝土的配制及性能研究.pdf

摘要 随着我国基础建设的发展和对环境保护的重视，现有的天然砂已不能满足工 程需要，使用机制砂已成为今后的发展趋势。机制砂在生产过程中，不可避免地 要产生一定数量的粒径小于7 5um 的石粉，这是机制砂与天然砂最明显的区别 之一。与天然砂相比，机制砂还有级配较差，细度模数偏大，表面粗糙，颗粒尖 锐有棱角等特点。因此，工程界普遍对采用机制砂混凝土配制高强高性能混凝土 心存疑虑，对其性能更是缺乏了解，导致机制砂在高强混凝土结构或一些重要部 位的混凝土中应用受阻。 本文以c 6 0 机制砂高性能混凝土的配制和性能测试为基础，着重研究了石粉 含量、泥粉含量对机制砂高性能混凝土工作性、强度、弹性模量、干缩及c l 。扩 散系数、抗冻等性能的影响规律，粉煤灰、矿渣粉掺和料在高石粉含量机制砂混 凝土中的掺用与作用，以及石粉作掺和料对机制砂高性能混凝土和强度的影响等 关键性问题进行了深入研究与评价。 实验结果表明：( 1 1 配制得当的机制砂高性能混凝土具有与天然砂高性能混 凝土同样优异的性能；( 2 ) 配制机制砂c 6 0 高性能混凝土时，机制砂中的石粉含 量可由国标限值5 放宽至1 0 5 ，且机制砂中的一部分石粉可以作为掺和料使 用，其取代量大致为水泥用最的1 0 ；( 3 ) 石粉含量的高低对混凝士中粉煤灰的 掺量影响作用不明显，只是在石粉含量超过1 0 时需对适当下调砂率以保障混 凝土工作性：f 4 ) 机制砂中泥粉含量高时，对混凝土的工作性、收缩和抗冻性能 有害，应严格控制其含量。此外，根据机制砂的特点和机制砂高性能混凝土的特 性，分别从砂率的选取、掺和料的掺量、假定容重、石粉极限含量等方面总结出 了机制砂高性能混凝土配合比设计特点。 关键词：c 6 0 机制砂高性能混凝土，石粉，泥粉，配合比设计，性能 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o na n dr e c o g n i t i o no fe n v i r o n m 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 a nn o t m e e tt h ed e m a n di n e n g i n e e r i n g ，s o m a n u f a c t u r e ds a n dw i l lt h et r e n do fd e v e l o p m e n ti nf u t u r e d u r i n gt h ep r o c e s so f m a n u f a c t u r e ds a n d ，i t si n e v i t a b l et op r o d u c es o m es t o n ep o w d e ri ns i z el e s st h a n7 5 u 1 2 2 w h i c hi so n e o ft h em o s ta p p a r e n td i f f e r e n c e s c o m p a r e d 谢t hn a t n l 锄o n e ， m a n u f a c t u r e ds a n dh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fw o r s tg r a d u a t i o n ，b i gf l u em o d u l u s ， r u g g e ds u r f a c ea n ds h a r pp a r t i c l e t h e r e f o r e ，m o s te n g i n e e r sd o n tk n o ww h e t h e r m a n u f a c t u r e ds a n d ( m s ) c a l lb eu s e dt op r e p a r ec o n c r e t e 、 r i t h1 l i g hp e r f o r m a n c ea n d h i 幽s t r e n g t h ，e v e nk n o wl i t t l e a b o u ti t sp e r f o r m a n c e ，s ot h a th i g hs t r e n g t h m a n u f a c t u r e ds a n dc o n c r e t e ( m s c ) i sv e r yd i f f i c u l tt ob eu s e di ns o m ei m p o r t a n t c o n s t r u c t i o n b a s e do nt h ep r e p a r a t i o na n dp e r f o r m a n c et e s to fc 6 0m s c ，h o wt h ec o n t e n to fs t o n e p o w d e ra n dc l a yp o w d e re f f e c tt h ew o r k a b i l i t y , s t r e n g t h , e l a s t i cr a t i o ，d r ys h r i n k a g e ， d i f f u s i o nt o e 伍c i e n to fc i a n df r e e z e - t h a wr e s i s t a n c ea r es t u d i e di nt h i sp a p e r a l s o ， t h eu s i n ga n de f f e c to ff aa n dg b f si nm s cw i t hh i g hs t o n ep o w d e rc o n t e n ta n dt h e i n f l u e n c eo f s t o n ep o w d e ri n s t e a do f a d m i x t u r eo nw o r k a b i l i t ya n ds t r e n g t ha r em l a f f l e r s t u d i e da n de v a l u a t e d i t sp r o v e dt h a t ：( 1 ) mm s cp r e p a r e dp r o p e r l yh a st h es a m ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e a st h ec r u d es a n dc o n c r e t e ( 2 ) w h e np r e p a r i n gc 6 0m s c ，t h eg bl i m i tc o n t e n to f s t o n ep o w d e rc a nb ew i d e n e df r o m5 t o1 0 5 ，b e s i d e s ，p a r to ft h ep o w d e rc a nb e u s e da sa d m i x t u r ea n di tc a nr e p l a c ea b o u tl o a m o u n to f c e m e n t ( 3 ) t h ec o n t e n to f s t o n ep o w d e ra f f e c ts l i g h t l yt h ee f f e c to ff ao nw o r k a b i l i t ya n ds t r e n g t ho fc o n c r e t e ( 4 ) h i g ha m o u n to fc l a yp o w d e rh a sb a de f f e c t so nt h ew o r k a b i l i t y , s h r i n k a g ea n d f r e e z e - t h a wr e s i s t a n c eo fc 6 0m s c a d d i t i o n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f m sa n dm s c ，t h es e l e c t i o no f s a n dr a t i o ，t h ec o n t e n to f a d m i x t u r e ，t h es u p p o s e db u l k , t h el i m i tc o n t e n to fs t o n ep o w d e ra r ec o n c l u d e dt od e s i g nt h em i x - p r o p o r t i o no f m s h p c k e yw o r d s ：c 6 0m s - h p c ，s t o n ep o w d e r , c l a yp o w d e r , d e s i g no f t h em i x - p r o p o r t i o n , p r o p e r t i e s h 武汉理工大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 本文研究的目的意义 交通部2 0 2 0 年全国高速公路总里程达到7 万公里的重大规划以及西部大开 发的实施，使得我国基础设施规模更加宏大，给建筑材料的开采和供应带来了 极大的压力，作为混凝土理想细集料的天然砂变得越来越紧缺。更有甚者，在 很多岩溶地区，如我国云南、贵州、重庆、恩施等地，河砂资源很少或没有， 给当地的基础建设带来了极大的不便。如贵州很多地区出现河砂日趋缺乏，质 量日益下降，价格目渐高涨( 高至1 1 0 元吨) 的局面；正在兴建的湖北沪蓉西高速 公路，途径宜昌所属的宜都、长阳以及恩施州的巴东、利川等山区县城，沿线 的天然河砂资源主要来自于湖南洞庭湖，其运到价更高至1 8 0 2 2 0 元吨。但这 些地区分布着广泛的碳酸盐岩，经碳酸盐岩破碎制得的机制砂如经合理利用， 完全可以成为岩溶地区公路建设的主要砂源。随着我国基础设施建设的发展和 对环境保护的重视，现有的天然砂已不能满足工程需要，使用机制砂已成形势 所需。 我国关于机制砂的应用研究已经有了几十年的历史。贵州省在我国最早开始 研究机制砂混凝土【“，1 9 7 8 年颁布实施山砂混凝土技术规定并于19 9 5 年修 订后成为贵州省地方标准山砂混凝土技术规程( d b j2 2 - 0 1 6 9 5 ) 。之后，云 南、河南也出台了人工砂地方标准和使用规程，如云南省人工砂技术标准及 应用规程，2 0 世纪9 0 年代以来，京、津、沪、渝等地都有了人工砂生产线， 但应用水平普遍在c 5 0 以下。随着混凝土结构工程的发展，混凝土对施工性能 和强度的要求越来越高，对耐久性越来越重视，已有的机制砂发展与应用水平 已慢慢跟不上混凝土高性能化的进程。 尽管国家相关标准及公路桥涵规范允许在河砂难得的情况下可以采用机制 砂配制混凝土，但对用于各等级混凝土的机制砂作了严格的限制，尤其是在石 粉含量方面( 表1 1 为2 0 0 2 年2 月1 日实施的新国标g b t 1 4 6 8 4 - 2 0 0 1 建 筑用砂对石粉含量的规定) 。现时所生产的机制砂质量缺乏稳定性，未经处理 的机制砂大部分石粉含量在1 0 1 5 左右，用水洗去除石粉法不仅浪费材料、污 染环境，且经水洗后的机制砂部分o 1 5 m m 、0 3 m m 乃至0 6 m m 的颗粒也被带出， 严重破坏了机制砂的原有级配，导致配制的混凝土粘聚性较差，难以满足配制 高性能混凝土的要求【2 。因此，工程上对能否采用机制砂配制高强度的混凝土心 武汉理丁大学硕士论文 存疑虑。贵州省就一直在犹豫是否采用机制砂来配制c 5 0 以上混凝土，如坝陵 河大桥对是否将机制应用于高强混凝土结构作了大规模的可行性研究；湖北沪 蓉西高速公路指挥部也严令规定跨度大于5 0 m 的连续钢构、连续梁以及斜拉桥、 钢管混凝土或是3 0 m 以上高度的混凝土墩不得使用机制砂混凝土。 表f 一1 石粉含量和泥含量指标脚 指标 ， 项自 i 类i i 类i 类 石粉含量f 按质量 3 0 5 0( 7 0l m b 值 1 4 0计，) 亚 或合格 泥块含量f 按质量 2 田 0 1 0心0 蓝 计，、 3试 石粉含量f 按质量 1 0 3 0 1 4 0计，1 或不合格泥块含量( 按质量 4o i 0 c 5 0 ) 混凝土中，对机制砂中的石粉要进行限制，因为在高强混凝土中水灰比较 小，水泥用量高，石粉的存在可能影响混凝土的工作性和体积稳定性，国标规 定c 3 0 c 5 0 混凝土用机制砂石粉含量在5 以下。 ( 2 ) 强度 强度是混凝土作为结构材料的一个重要依据。因此机制砂溜凝土的强度也 是混凝土工作者最关心的一个问题。 据资料和我们的试验结果显示，在同等条件下，用机制砂配制的混凝土比 天然砂配制出的混凝土强度略高，在低强混凝土中表现更突出。有研究认为 u 2 “1 3 ：由石灰石破碎而成的机制砂，其成分是碳酸钙，处于高浓度氢氧化钙中， 3 武汉理工人学硕士论文 其表面会发生微弱化学反应，天然砂成分中二氧化硅含量高，不能发生类似反 应；且机制砂质地坚硬，有新鲜界面，表面能高；机制砂表面粗糙、棱角多， 有助于提高界面的粘结，但大多数的研究均认为与其中石粉有更大的关系。李 拖福等人认为【1 4 j ：机制砂提高混凝土的强度是由于石粉填充了混凝土中的孔隙， 且o 0 8 r a m 以下的石粉可以与水泥熟料生成水化碳铝酸钙；安文汉等认为l h 】：机 制砂增强混凝土的主要原因是由于石粉的存在可以较明显改善混凝土的孔隙特 征，改善浆一集料界面结构，并且混凝土晶相有不同程度的改变，并认为就强 度而言石粉的最佳含量为5 ( 此文指粒径小于o 1 6 m m 的细粉) ；路文典指出【1 6 】： 机制砂中石粉含量除了微集料填充效应，还因为其中含有大量的游离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：周明凯等人的研 究有了更新的观点【1 7 ：石粉对水泥具有增强作用，认为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。当然，石粉 含量并非可以无限大，周中贵指出( 1s l ：机制砂中适宜的石粉( 此处指0 0 8 m m 以 下颗粒) 含量在6 1 2 左右，其配制的混凝土和易性和强度在此范围内为最 佳；路文典2 0 0 0 年在发表的五粉超标对混凝土性能影响一文中提出，机制 砂石粉f 此处指o 1 5 m m 以下颗粒) 含量以不超过2 0 为宜；李兴贵的研究表明 1 9 1 ： 当石粉含量( 指0 1 6 m m 以下的细粉) 增大到2 1 以上时，由于石粉含量太高， 颗粒级配不合理，使混凝土密实性降低，和易性变差；粗颗粒偏少，减弱了骨 架作用；非活性石粉不具有水化及胶结作用，在水泥含量不变时，过多的石粉 使水泥浆强度降低，并使混凝土强度减小。 ( 3 ) 变形性能 目前国内对机制砂混凝土弹性模量的研究并不十分充分，安文汉和杨德斌等 的研究结果均表明【2 0 】，在保持相同水灰比和水泥用量的条件下，人工砂混凝土 的弹性模量高于普通混凝土。舒传谦认为1 2 1 l 山砂高强混凝土的弹性模量一般高 于现行规范公式g b j l 0 8 9 的计算值，给出回归曲线解析式为： e c - - ( 1 5 5 0 0 + 0 0 4 4 4 f c u ) x 1 0 4 ( n r a m 2 ) ，并且解释弹性模量提高的原因是：人工砂 粗糙多棱角的颗粒在砂浆中起着骨架作用，限制了水泥石的变形及骨料颗粒之 间的滑动：人工砂与水泥石间有良好的粘结界面，使得界面孔隙少，减少了 t 武汉理工大学硕士论文 应力集中；人工砂中的石粉提高了水化产物的结晶程度，晶胶比的提高使水 泥石在外力作用下的变形减小。本文的研究认为，旦机制砂石粉含量或砂率 过高，由于浆体体积的增加，削弱了骨料的骨架作用，也可能降低弹性模量。 混凝土的干缩性能直接影响混凝土的裂缝，进而影响混凝土的耐久性。李 兴贵等人的研究结果显示：与常规细骨料( 石粉含量3 ) 相比，石粉含量( 此文 指粒径小于0 1 6 r a m 的细粉) 为1 6 和1 2 的混凝土干缩率分别增大1 2 8 和 4 8 ，即石粉含量在1 2 以下时，干缩率增大缓慢，石粉含量大于1 2 时，干缩 率迅速增大，并认为主要是由于小于0 0 7 5 m m 的石粉颗粒在混凝土拌和物中起到 增加水泥浆含量的作用。陈兆文认为【22 1 ，高石粉人工砂混凝土的干缩率，随人 工砂中石粉含量的增加而增大。当石粉含量从1 2 增；b n 至u 2 1 时( 该文指粒径小 于0 1 6 m m 的细粉) ，石粉含量每增加1 ，干缩率相应约增加1 。工程中采用高石 粉人工砂进行混凝土施工时，必须加强养护，尤其是早期养护。李建等认为【2 ， 石屑混凝土早期干缩值较河砂混凝土大，这可能是由于石屑级配不如河砂、石 屑混凝土砂率比河砂混凝土高以及石屑混凝土中小于0 ，1 6 m m 粉末含量较高等因 素导致的。而吴明威等人则认为】，在同配比条件下，含有少量( 2 6 ) 石 粉( 粒径小于0 0 8 r a m ) 的机制砂混凝土干缩比河砂混凝土小。 ( 4 j 耐久性 混凝土的抗渗性主要与其孔结构有关，因此大多数人认为机制砂中的石粉 是提高抗渗性的主要原因。若把石粉看成一种惰性填料，虽然不具有活性，但 可提高混凝土的密实性，增强水泥石与骨料界面粘结。若把石粉看成一种活性 填料，石粉能加速c 3 s 的水化，并与c 3 a 、c 4 a f 反应生成结晶水化物，并能改善 水泥石的孔隙结构，因此抗渗性能得到提高。 张映全等在配$ j c 4 0 混凝土时【2 5 i ，提出采用5 0 的石屑替代5 0 河砂以提高 棍凝土的抗冻性，并得到较好的结果，其中采用石屑替代的经2 0 0 次冻融循环后 比未替代的强度少损失9 9 6 ，并认为主要是石粉在一定程度上改善了混凝土的 毛细孔结构，提高了混凝士的抗冻融性。但张桂梅【2 蝴等人研究石粉对低标号混 凝土影响时，发现2 0 石粉含量( 此文指粒径小于0 1 6 r n m 的细粉) 的人工砂混 凝土质量损失和强度损失均大于1 2 石粉含量的，且经5 0 次冻融循环后2 0 石粉 含量的人工砂混凝土强度损失比1 2 含量的高出1 0 3 ，石粉对混凝土抗冻性不 利，随石粉含量增加，混凝土抗冻性下降。 以上是中低标号机制砂混凝土的研究状况及成果，随着混凝土工程与技术的 发展，机制砂混凝土也逐步朝着高强度高性能的方向发展。 s 武汉理工大学硕士论文 舒传谦最早开始山砂高强混凝土的研究【2 7 】，采用贵州山砂配制出了强度等级 达n c 5 0 c 8 0 的高强混凝土，并较为系统的研究了山砂高强混凝土的强度、弹性 模量、收缩、狳变和耐久性能特性。但山砂终究是天然砂，与人工制造的机制 砂有很大的分别。江京平等利用0 0 7 5 r a m 颗粒石粉含量2 的机制砂【2 8 l 、较天然 砂提高2 - - 6 的砂率配制的c 6 0 高性能机制砂泵送混凝土有良好的工作性，较小 的收缩变形、较好的抗冻性和抗碳化性能。另外1 2 ”，江京平针对高性能混凝土 用人工砂0 0 7 5 m m 颗粒石粉含量提出了限值，对c 3 0 c 5 0 高性能混凝土，石粉应 小于5 ，c 5 0 c 8 0 高性能混凝土，石粉应小于2 。株六复线南山河特大桥首次 应用c 5 5 人工砂流态高性能混凝土制造6 4 m 铁路简支梁也取得了良好效果【3 们，采 用人工砂替代中粗河砂配制c 5 5 高性能混凝土，不仅避免了从外地倒运混凝土所 需基本原材料，且大大降低了工程附加成本，每立方米混凝土节约1 0 8 1 3 7 元。 近年来，利用碎石砂已生产出2 8 d 抗压强度达1 0 0 m p a 的h p c 管桩。江丰等p i j 通过 对机制砂与特细砂复合替代中砂并利用高效减水剂及矿粉的双掺技术配制了高 性能c 5 0 混凝土并在重庆嘉陵江复线桥工程中的应用，复合砂配制的混凝土的工 作性能和主要力学性能与中砂配制的混凝土基本相同，且大大地降低了成本， 经济效益显著。肖保怀等【3 2 针对重庆的机制砂与特细砂资源现状，用磨细矿渣 微粉作掺合料，成功配制了初始坍落度2 0 0 m m 以上，强度等级为c 5 0 , - - c 8 0 的高性 能混凝土，并研究了矿渣微粉对机制砂与特细砂复合作细骨科配制的高性能混 凝土工作性、强度等性能的影响。目前，我国最大的三峡工程、黄河小浪底工 程均使用人工砂配制混凝土。在已有的工程实践中，人工砂配制出了从c 1 0 c 7 0 的普通混凝土和泵送混凝土，泵送最大高度达4 0 0 米，在试验室设计强度c 1 0 0 的 混凝土9 0 天实际强度达到1 5 5 m p a 。 综合上述结果，可以看出石粉是机制砂应用中最大的一个争议性问题。在 机制砂混凝土尤其是低强机制砂混凝土中，机制砂中的石粉具有改善混凝土和 易性与微集料填充的作用，使得其强度、抗渗性较天然砂混凝土好。但上述规 律普遍反映在中低强度混凝土领域，石粉含量对高强度大流态的机制砂混凝土 上述性能的影响规律如何，以及关于机制砂混凝土在干缩、弹性模量、抗冻、 徐变、早期塑性收缩等性能的变化规律均未见有详细系统的研究。 1 2 2 存在的问题 ( 1 1 配合比设计 首先缺乏高强机制砂混凝土的设计理念，对一些配制高强机制砂混凝土的 6 武汉理工大学硕士论文 敏感因素( 如砂率、石粉含量、是否掺用矿物细掺料及掺量的多少等) 以及相互之 间的关联缺少实质性的研究。 其次是石粉在高强混凝土中的极限含量问题。新国标中对机制砂石粉含量的 限制较为严格，并且十分古板。同时，国内对机制砂中石粉的极限含量有了大 量的研究，但研究多是局限在低标号混凝土中，并认为高石粉含量( 一般为1 5 ) 对混凝土的各项性能均有较大改善 2 2 , 2 4 1 。但对于高强和高性能混凝土研究则较 少，并且以前的研究者均采用水洗机制砂，石粉含量很低( 一般在5 以下) ，石 粉在含量较低的情况下，对混凝土性能的影响并不明显【3 3 1 。随着混凝土技术的 发展，以及人们对高质量的追求，高强和高性能混凝土的应用将越来越广泛。 因此，对高强和高性能混凝土中石粉的极限含量进行研究将十分必要。 f 2 ) 机制砂混凝土应用水平比较低下 表1 - 2 恒建搅拌站机制砂混凝土典型配合比及性能 在很多山区或岩溶地区，由于投资、施工双方对机制砂缺乏足够的认识和了 7 武汉理工大学硕士论文 解，造成机制砂混凝土在配合比设计及应用方面的水平均比较低下，表l 一2 与 1 3 分别列举了贵州省两个地区的机制砂混凝土应用情况。 从以上两表可以看出：( 1 ) 机制砂混凝土应用范围普遍在c 6 0 以下：( 2 ) 配合 比设计缺乏高性能理念，达到相同和易性所用的胶凝材料用量和用水量均偏高， 且部分配合比强度不足或富余不明显；( 3 ) 很多配比甚至没有选用活性掺和料， 这将对混凝土的微观性能及抗裂性能造成不良影响。 ( 3 ) 泥粉含量的影响 在表1 1 中对不同m b 值范围的机制砂石粉限值作了不同的规定，作为评价 机制砂粘土含量的标准，m b 值的重要性到底如何，或者泥粉含量对混凝土性能 的影响如何以及具体对哪些性能的影响较大均是值得关心的问题，但未见有较 系统的研究。 1 3 本文的研究内容及研究方案 1 3 1 本文的主要研究内容 ( 一1 原材料基本性能的研究 ( 1 ) 机制砂性能评述( 来自贵州岩溶地区的6 种机制砂和湖北荆门和华生两 种机制砂) ( 2 1 石粉的颗粒分布分析： ( 二) c 6 0 高性能机制砂混凝土的设计与性能研究 f 1 ) c 6 0 机制砂混凝土的配制： i 通过原材料优选和配合比的优化确定基准的研究配合比； i i 石粉含量对合理砂率选择的影响； 石粉含量对混凝土工作性和强度的影响； 石粉含量对掺和料掺量的影响； v 不同机制砂配制c 6 0 的工作性与强度对比。 f 2 ) 体积稳定性研究 i 石粉含量对混凝土收缩性能的影响分析： i i 混凝土弹性模量随石粉含量的变化规律； i l lc 6 0 机制砂混凝土的徐变测试结果及与河砂混凝土的对比： f 3 ) 耐久性研究 i 不同石粉含量c 6 0 机制砂混凝土及同条件下的河砂混凝土长期强度 8 武汉理工大学硕士论文 发展的对比分析； i i 氯离子扩散系数法检测石粉对c 6 0 机制砂混凝土抗渗性的影响； i i i 抗冻结果分析； ( 4 ) 泥粉的研究 1 泥粉含量对c 6 0 机制砂混凝土工作性和强度的影响； i i 泥粉含量对c 6 0 机制砂混凝土干缩性能的影响； i 泥粉含量对c 6 0 机制砂混凝土抗冻性能的影响。 11 3 2 本文采取的研究方案和研究路线 本文主要采用高性能混凝土试验研究的方法，同时辅以理论分析。首先根 据当前机制砂混凝土发展情况选定研究的对象，然后在掌握国内外研究现状的 基础上确定要研究的具体内容和所需要的研究设备和工具。为确保实验数据更 加具有代表性以及与实际工程的可比性，该篇研究基本没有采用砂浆试验，全 部采用混凝土拌和来完成。整个的研究基本可咀分为两大类：材料基本性能测 试和混凝土试验。针对机制砂岩石种类主要为碳酸盐岩且其中石粉含量较高的 特征，配制高工作性、高强度、高体积稳定性和长耐久寿命的高性能机制砂混 凝土，主要制定以下技术路线和研究方案： ( 1 ) 深入研究机制砂的物理性能和石粉的物理化学特性；对水泥、掺合料( 粉 煤灰、矿粉) 、高效减水剂等原材料进行性能评价，按照高性能混凝土原材料技 术要求对水泥、掺合料、高效减水剂、岩碎石进行优选。 ( 2 ) 采用天然砂高性能混凝土的设计理念和配制技术，来配制机制砂高性能 混凝土。在保证良好施工性能条件下尽可能降低水胶比，来最大限度地减少水 泥石中毛细孔隙，并改善混凝土中骨料与水泥间的界面层结构。采用高效减水 剂，增加混凝土坍落度改善和易性，并控制坍落度损失，满足高性能混凝土要 求。掺加矿物掺合料的主要作用是提高耐久性、体积稳定性，提高后期强度， 降低水化热，有时还有改善混凝土拌和物和易性、减少泌水、离析现象，提高 混凝土抗酸碱腐蚀和防止碱骨料反应的能力。 ( 3 ) 在优化配合比的基础上，总结配青f l c 6 0 机制砂混凝土的配制特点，并通 过充分的对比分析，研究石粉含量及泥粉含量对混凝土工作性、强度、体积稳 定性、耐久性的影响。 1 3 3 本文研究达到的目标 在现阶段研究的高强机制砂混凝土中，很多实例均将机制砂级配进行了特 9 武汉理工大学硕士论文 别的调整或是依赖于特殊的掺和料，基本没有一套比较适合广泛推广应用的设 计准则，且对用于高强混凝土的机制砂石粉含量限值没有一个较好的定论。本 文通过在成功配制c 6 0 机制砂混凝土的基础上，充分研究石粉及泥粉对高强混 凝土工作性、强度、体积稳定性以及耐久性的影响，最终提出配制机制砂高强 混凝土的技术特点，阐明了泥粉对混凝土的有害作用及m b 值的重要性，并针 对用于c 6 0 混凝土的机制砂推荐一个合理的石粉含量限值。 1 0 武汉理工大学硕士论文 第2 章试验材料及试验方法 2 1 试验材料及性能 2 1 1 机制砂 n ) 来源 本文一共使用了8 种机制砂，其中以湖北的两种砂( 荆门砂和华生砂) 为主， 以来自贵阳的一标、索风营、八标、砂一、众垒、黔贵a 等6 种机制砂以及对 比用的庙山黄砂为辅。 ( 2 ) 筛分结果与级配曲线 机制砂筛分结果及细度模数计算见表2 1 ，级配衄线如图2 - 1 所示。从筛分 结果和级配曲线可以看出： ( a ) 八标、砂一的细度模数均已超出粗砂的范围，且从级配曲线来看，它 们已严重超出国标建筑用砂的级配要求。 ( b ) 除湖北荆门砂，八标砂以外，其余砂中石粉含量均不同程度超出国标 建筑用砂中配制c 6 0 高强混凝土石粉含量不能高于5 的要求，其中尤其是 索风营、一标、黔贵a 的砂石粉含量均超过1 0 。 ( c ) 从级配来看，荆门砂、华生砂以及一标、索风营四种机制砂均在级配 范围之类，细度模数也比较适中，其他砂均不同程度超出级配范围之外。 表2 - 18 种机制砂的筛分结果 武汉理工大学硕士论文 1 2 0 1 0 0 s 0 ； 爵r i o 捌 嘲 4 0 2 0 必 j 髟j i ，j ， r _， 一| 缔孔尺寸( m m ) ( a ) 索风营 ，r | 一 j 。 。l ，。l 卜 ，。1 矿 筛孔尺寸( ) ( c ) 砂一 l ，- f 护 澎 f ，。 ， y 筛孔尺寸( m m ) ( e ) 众垒 1 2 2 0 10 0 b 0 盆 爵6 0 帮 嘲 4 0 z o ，j 工 j。 - j ， 沙 v 瓠 筛孔尺寸( ) ( b ) 一标 七 k 托 |。 1 j 。 |。 正 筛孔尺寸( m m ) ( d ) 八标 少年 r ，j， _ ， f ， r 筛孔尺寸( m ) ( o 黔贵a 一水一辟接嘲 2 o 日 e 2 一筘一哥褶景 一毋)瓣擅舅一手一井艘鼎 武汉理工大学硕士论文 l 绛 ， j 夕，l ，l 立。j 筛孔尺寸r n m ( g ) 华生机制砂 ( 3 ) 机制砂的压碎值指标 7 5 1 0 0 8 0 褂 召6 0 4 0 2 0 0 0 f ：许：= ：j f ，彤 。t ，帆 ，f，1 么 ，_ 1 50 30 61 1 82 3 64 7 5 筛孔尺寸m m 图2 - 1 机制砂级配曲线 ( h ) 荆门机制砂 由于机制砂是经碎石破碎而成，因为石料品种或破碎工艺的关系，原料本 身强度不高或破碎时在其内部产生微小裂纹从而导致机制砂强度不够，影响配 制的混凝土的强度。机制砂的坚固性通过7 压碎指标来衡量，八种机制砂的压 碎指标见表2 - 2 。 表2 - 2 机制砂压碎值 上表的数据显示这8 种机制砂坚固性指标均满足建筑用砂中规定的i i 类砂不大于2 5 的要求，适宜用来配制c 6 0 等级的混凝土。 ( 4 ) 机制砂的表观密度、堆积密度、孔隙率和粗糙度 由表2 3 表观密度结果可以看出，这些均采用石灰岩石料生产的机制砂，相 互之间表观密度差异不大，并且均大于2 7 9 c m ，高于一般河砂的表观密度( 约 2 6 5 出m 3 也7 咖m 3 左右) 。机制砂表观密度较大这一点，在混凝土配合比设计计 算各种材料用量时，应注意机制砂混凝土的容重比河砂混凝土的容重要大些。 1 3 武汉理t 大学硕士论文 砂子的颗粒级配和颗粒形状对混凝土性能有较大的影响。带有棱角的机制 砂，特掰是含扁平形颗粒较多或级配不良的砂子，其空隙率较大。一般混凝士 用砂的空隙率为4 0 0 o - 4 5 ，级配良好的砂子空隙率可减小到4 0 以下，空隙率 大的砂配制的混凝土需用较多的胶凝材料。从表2 3 堆积密度和空隙率结果可以 看出，上述试样的松散堆积密度较大，在1 6 1 8 范围( 国家标准要求大于1 3 5 咖m 3 ) ，松散空隙率较小，在3 4 3 4 2 7 范围( 国家标准要求小于4 7 ) ，对 混凝土的配制是非常有利的，有利于胶凝材料用量的减少。这与其中有一定的 石粉含量填充了砂子之间的空隙不无关系。 ( 5 ) 亚甲基蓝实验结果 表2 4 亚甲基蓝实验结果 1 4 武汉理工大学硕士论文 从表2 - 4 亚甲基蓝实验数据可以很容易看出，黔贵a 与众垒砂的m b 值远大 于标准要求的1 4 ，说明其中含泥量严重超标，在进行混凝土试验是时应予以排 除，荆门砂m b 值接近国标规定的限值。 2 】2 石粉 根据实验需要，本文主要对几种筛分的原状石粉粒度分布进行了测试，测试 结果见表2 5 。， 表2 5 石粉的粒度分布 从上表的结果可以大致看出，石粉中2 0 u r n 以下颗粒含量一般超过2 0 ， 4 5 u m 以下含量均在6 0 8 0 之间，因此可以想像在水泥石结构体系中，石粉 能很好地填充水泥和掺和料的孔隙。上述石粉均为石灰石质石粉，矿物成分基 i 舶 1 0 0 ；8 0 一 * 6 0 捌 蜒蚵 z o 0 【| j j 彳。 ? ? 。 ，y z 23 64 7 51 6z 6 6 粥识目( u ) 本相同，本文选择石粉2 在机制砂中进行掺 配来调配不同的石粉含量。 2 1 3 河砂 本实验的河砂用于与机制砂混凝土作对 比试验。论文选用了武汉庙山的黄砂，该砂 属区中砂，表观密度2 6 9 9 e r a 3 ，紧装密度 1 7 9 c m 3 ，紧装空隙率3 7 7 ，细度模数2 7 。 图2 - - 25 2 5 m m 碎石2 1 4 碎石 实验对几种碎石进行了筛选，最终确定的碎石为武汉产石灰岩碎石，有3 种 粒级，即武汉青山的1 6 2 5 m m 粗石，武汉段岭庙的1 0 2 0 m m 中石和武汉青 山的5 1 0 m m 瓜米石，并通过级配合成确定5 2 5 m m 的连续级配碎石的比例 1 5 武汉理j = 大学硕士论文 为粗石：中石：细石- - - - 3 ：5 ：2 ，级配曲线见图2 2 。 2 1 5水泥 实验用水泥为湖北华新水泥厂生产的“堡垒”牌5 2 5 普通硅酸盐水泥，其物理 力学性能指标见表2 - 6 所示。 表2 6 水泥物理力学性能 2 1 6 矿物掺和料 ( 1 ) 粉煤灰：武汉阳逻电厂i 级粉煤灰，技术指标见表2 7 a 表2 7 粉煤灰性能检测结果 ( 2 ) 磨细高炉矿渣粉：荆门葛州坝水泥厂磨制的矿渣粉( 武钢矿渣) ，比表面 积为6 0 0 m 2 k g 。 2 1 7 外加剂 实验试用的外加剂共有以下六种： ( 1 ) j g 2 ：萘系高效减水剂，粉状，减水率2 1 ，北京冶建新技术有限公司 生产； ( 2 ) j g 3 ：萘系缓凝高效型减水剂，粉状，减水率1 9 ，北京冶建新技术有 限公司生产； f 3 ) s x ：丙烯酸改性聚合物类高效减水剂，液体，i 司含量2 9 0 扯1 3 。 实验采用微型坍落度筒净浆实验，选取了j g - 2 、j g - 3 以及s x 三种外加剂 与华新5 2 5 水泥进行了外加剂与水泥适应性实验，具体结果见第3 章配合比设 1 6 武汉理工大学硕士论文 计。 2 2 试验方法 2 2 1 混凝土拌和物性能试验 按普通混凝土拌和物性能试验方法标准( g b t 5 0 0 8 0 - - 2 0 0 2 ) 进行测试。 2 2 2 混凝土抗压强度实验 按普通混凝土力学性能试验方法标准( g b t 5 0 0 8 1 - - 2 0 0 2 ) 进行测试。 混凝土抗压试件尺寸为1 5 0 m m x l 5 0 m m x l 5 0 m m 立方体。试验机采用意大利 c o n t r o l s 公司生产的5 d - - c 8 8 2 2 型多功能动态液压伺服万能试验机( 3 0 0 0 k n ) 。 2 2 3 混凝土变形试验 ( 1 ) 静力受压弹性模量 静力受压弹性模量按普通混凝土力学性能试验方法标准( g b t 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ) 进行测试，试件尺寸为1 5 0 m m x l 5 0 m r n 3 0 0 m m 棱柱体，选用对面贴应变 片的方法测其变型。 ( 2 ) 受压徐变 徐变试验按普通混凝土长期性能和耐久性能试验方 法( g b j 8 2 8 5 ) 进行测试。混凝土受压徐变采用规格为 1 0 0 n u n 1 0 0 m m x 4 0 0 m m 的试件，成型后标准养护至规定龄 期。进行徐变加压前，应提前1 d 粘贴测力点( 测力点为对 面粘贴，间距为2 0 0 r a m ) ，放入恒温恒湿( 恒温2 02 c ，恒 湿6 05 1 徐变试验室。按试验规范规定，徐变加荷应力 取试件轴心抗压强度的4 0 。徐变加荷是在3 0 弹簧抗压徐 图2 4 徐变仪 变机上进行。在施加徐变恒定荷载以前，需用同样荷载预压两次，以消除混凝 土中的塑性变形，第三次加荷后拧紧螺栓固定徐变荷载，依靠弹簧反力来维持 徐变荷载的恒定。本次试验的徐变加荷龄期为2 8 d ，每组3 个试件，另设3 个补 偿试件( 与徐变试件同条件下成型、养护、粘贴测力点) 。试件加荷后，由于产 生压缩变性会造成应力松弛，即当荷载变化大于2 肘，进行压力调整。弹簧式 压缩徐变仪的模型如图4 2 所示。 ( 3 ) 干燥收缩 混凝土的干缩试验按水工混凝土试验规程( d l t5 1 5 0 - - 2 0 0 1 ) 进行测试， 1 7 武汉理工大学硕士论文 采用l o o m m l o o m m x 5 1 5 m m 的棱柱体试件，两端埋设金属测头，测长采用弓形 螺旋测微器测量。试件成型标准养护1 d 后移入恒温干缩室立即测定基准长度， 试件的干缩龄期以测基准长度后算起，分别为1 d 、3 d 、7 d 、1 4 d 、2 8 d 、6 0 d 、9 0 d 、 1 8 0 d 。恒温干缩室内的温度为2 0 士2 ，相对湿度为6 0 士5 。 2 2 4 混凝的耐久性试验 4 ( 1 ) 混凝土的抗氯离子渗透试验 混凝土渗透性高低是衡量混凝土耐久性好坏的重要指标之一。现有国标中 采用渗水压法来测定渗水高度或抗渗等级，仅适用于强度等级在c 3 0 以下的普 通混凝土，不适宜现代混凝土( 特别是高强高性能混凝土) 渗透性的评价，因 此各国从上世纪8 0 年代起研究开发了各种新技术以快速评价混凝土的渗透性， 如电通量法、电导率法、氯离子扩散系数法。 用氯离子扩散系数来评价混凝土渗透性的好坏是目前国内外广泛推崇的方 法，也是最有可能成为广泛接受的标准方法，目前发展最为成功的有二种：一 是根据唐路平等人提出的氯离子电迁移快速试验方法及其原理建立的混凝土氯 离子扩散系数快速测定的r c m 法，该法对c 5 0 c 7 0 的混凝较为适合，特别 是掺硅灰的混凝土。二是清华大学建立的混凝土氯离子扩散系数快速检测的 n e l 法，该法是饱盐电导率法，是将混凝土进行饱盐，使之成为线性元件，然 后用n c m s t - - e i n s t e i n 方程确定混凝土的氯离子扩数系数。n e l 法对c 2 0 c 1 0 0 混凝土均较为适合，测量周期为饱盐后5 8 m i n 。 本试验即是采用清华大学基于n e m s t - - e i n s t e i n 方程研究开发的c l _ 扩散性 试验方法( n e l 法) 3 4 , 3 5 1 ，测试c l - 在高性能混凝土中的扩散系数( 装置见图 2 5 ) 。n e l 法的测试步骤如下： 将混凝土试件切割成1 0 0 m m x l 0 0 m m x s 0 m m 的试件( 被电极接触的两个 面不应为混凝土砂浆富集的表面) ，并应将被测试面打磨光滑。 将待测混凝土试件进行真空饱盐：在低电压或低电流下测试饱盐混凝土试 件的扩散系数。 混凝土中的氯离子扩散系数计算式为：d c i - = f ( r t f 2 c c ) 6 ， 式中：d c i 一混凝土中氯离子扩散系数，单位c m 2 s , c c i 一饱盐混凝土中孔溶液中氯离子浓度，遥常可以取饱盐溶液浓度， 单位 m 0 1 c m 3 ( 4 0m 0 1 c m 3 ) ： 1 8 武汉理工大学硕士论文 f 一修正系数，通常可以取1 0 ： 6 一饱盐混凝土的电导率，单位s c m r 一气体常数，为8 3 1 4 j m o l k ； t 一绝对温度，k ； f - - f a r a d a y 常数，为9 6 5 0 0 c m o l 。 图2 - 5 混凝土c r 扩散系数测试装置 ( 2 ) 混凝土抗冻融耐久性 按水工混凝土试验规程( d l t5 1 5 0 - - 2 0 0 1 ) 进行测试。试件尺寸 1 0 0 m m x l 0 0 m m 4 0 0 m m ，测试龄期为5 6 d ，到达龄期前4 d ，将试件在2 0 士3 的 水中浸泡4 d 。受冻和融化终了时，试件中心温度保持在一1 7 士2 和8 士2 。混 凝土的动弹性模量降至初始值的6 0 或质量损失率达5 时，停止冻融循环试验。 冻融循环试验机为北京燕科公司生产的t r d i 型混凝土冻融试验设备，动弹性 模量测试采用天津建筑仪器厂生产的d t 一8 w 动弹仪，仪器见图2 - 6 。 a ) 拾振器( 左) 和激振器( 中)”动弹仪 图2 - 6 混凝土抗冻试件横向自振频率的测试 武汉理工大学硕士论文 第3 章c 6 0 高性能机制砂混凝土的配制 及其性能影响因素研究 3 1 c 6 0 机制砂混凝土配合比设计 根据配制河砂c 6 0 高性能混凝土的经验，初步确定胶凝材料用量5 0 0 5