人工砂高性能混凝土的配合比设计

1、第32卷第8期人工砂高性能混凝土的配合比设计赵年全(中铁十二局集团有限公司,太原030024)摘要:以京沪高速铁路为工程背景,结合混凝土施工中河砂资源紧张的实际情况,进行了人工砂制备高性能混凝土的研究,研究了泥粉含量、用水量、砂率对混凝土性能的影响,采用矿物掺合料技术等高性能混凝土配合比技术,采用人工砂设计制备出了C30、C35高速铁路桩体、承台、墩身用高性能混凝土。对于人工砂在高速铁路工程混凝土中的应用具有指导意义。关键词:人工砂;高性能混凝土;配合比;控制措施中图分类号:TU528.56文献标识码:A文章编号:16714431(2010)0820048204MixHighPerforman

2、ceConcreteZHAONian2quan(ChinaRailway12thBureauGroupCoLtd,Taiyuan030024,China)Abstract:BasedontheengineeringbackgroundofJing2Huhighspeedrailwayandtheactualsituationofnaturalsandshortage,arti2ficialsandhighperformanceconcretewasprepared.Theeffectsofmudcontent,waterconsumptionandsandratioonthepropertie

3、sofconcretewereinvestigated.ThemixproportionofC30andC35artificialsandhighperformanceconcretewereobtained,whichprovideareferencefortheapplicationofartificialsandinrailwayprojectconcrete.Keywords:manpowersand;highperformanceconcrete;mixproportion;controlmeasure砂是混凝土的主要组成材料之一,近年来随着我国基本建设的迅速发展和对工程质量的高度重

4、视,建筑市场上对砂的需求越来越大,质量要求也越来越高,而合格的天然砂资源却在急剧扩大的开采需求中日益紧缺,由此而引发砂的价格飞涨、产品以次充优以及相关的工程成本和质量问题等。国内外应用人工砂(机制砂)作为混凝土细骨料已有30多年历史,在各种建筑工程中应用比较普遍,关于机制砂的材料与试验、使用标准已相当完善。我国在建筑方面采用机制砂从20世纪60年代起步,目前已扩大到公路、铁路、水电、冶金等系统,由挡护工程扩大到桥梁、隧道及水工工程,从砌筑砂浆发展到普通混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土、泵送混凝土、气密性混凝土及喷锚支护等工程。但是由于试验标准与技术规范不完善以及试验材料滞后,对天然砂还存在较强

5、的依赖性,在许多重要结构中对机制砂的使用还存在限制条件,多数是在天然砂供应不足或经济比选相差悬殊时才采用机制砂123。京沪高速铁路是我国第一条具有自主知识产权的高速铁路,也是世界上一次建成线路最长的高速铁路,设收稿日期:2010201208.第32卷第8期赵年全:人工砂高性能混凝土的配合比设计49计使用年限100年,设计时速350km。中铁十二局集团公司承建的土建工程四标段位于江苏省及安徽省境内,正线长度285.740km,全段含特大桥23座计221578m,大桥24座计7446.2m,中桥7座计646m,公跨铁桥10座,框架小桥17座,框架桥245道,另有站场4座(徐州东站、宿州东站、蚌埠南

6、站、定远站)等,共计需高性能混凝土约560万m3,大量的混凝土施工导致了沿线的砂源供应紧张。根据地材调查情况,管段内天然砂主要取自于女山湖、骆马湖和池河,资源有限而且质量很不稳定,如果从山东沂河、河南信阳或者赣江取砂,运距太远而且价格很高,经济性不强。考虑到沿线附近采石场多、机制砂资源较丰富的情况,研究人员对用人工砂配制高性能混凝土进行了大量的试验研究,为人工砂在工程中应用提供有价值的指导意义。1人工砂的基本特性凡经除土处理的机制砂、混合砂都统称为人工砂。人工砂的质量主要取决于加工的机械设备,还与原材料和制造工艺等因素密不可分。机制砂的主要特点是:基本为中粗砂,细度模数在2.63.6之间,颗粒

7、级配稳定、可调,含有一定量的石粉,除160m的筛余有所增加外,其余筛余均多呈三角体或方矩体,表面粗糙,棱角尖锐,在使用中通常采用与较细的河砂掺配的方式来调整级配和细度模数,改善混凝土的拌合物性能。与天然砂相比,在配合比设计、其它材料成型养护条件都相同的情况下,用人工砂配置出混凝土坍落度较小,混凝土28d标养强度高,但是拌合物需水量大,和易性稍差,易产生泌水,因此在配合比设计时必须采取多种方式来改善混凝土的工作性能。2桥梁桩基、墩台用高性能混凝土试验研究2.1桥梁桩基、墩台用高性能混凝土技术指标要求配合比试验研究主要在所在标段14工区和22,该工区混:,墩身为T2碳化环境等级。依157号)和据关

8、于发布铁路混凝土结构耐久性设计暂(铁建设2007140号)规定,桩体、行规定承台、墩身混凝土的技术指标要求见表1。表1桩体、承台、墩身混凝土的技术指标要求使用部位桩体承台墩身环境条件等级T1T1T2强度等级C30C30C35最大水胶比最大胶凝材料用量/(kgm-3)400400400最小胶凝材料用量/(kgm-3)28028030056d电含气量/%2.02.02.0氯离子总含量/(kgm-3)0.001B0.001B0.001B56d强通量/C150015001500度/MPa注:B为胶体总用量。当采用非活性骨料时,对混凝土中的总碱含量不限制;当骨料砂浆棒膨胀率在0.10%0.30%时,控制

9、混凝土中的总碱含量3.0kg/m3,当砂浆棒膨胀率在0.20%0.30%时,不但要控制混凝土中的总碱含量3.0kg/m3,还应在混凝土中掺加具有明显抑制效能的矿物掺合料和外加剂,并经试验证明抑制有效。2.2人工砂高性能混凝土配合比设计与控制措施1)级配控制机制砂基本为中粗砂,细度模数在2.63.6之间。各地由于机制砂的生产矿源不同、生产加工设备和工艺不同,生产出的砂粒型和级配可能会有很大的区别,如有些机制砂片状颗粒较多,有些机制砂的颗粒级配为两头大中间小等,但是粒型和级配都可以通过调整生产工艺的方式进行改进。在配合比试验前一定要通过试验掌握其详细级配情况,以便采取相应的调整措施,既可以调整生产

10、工艺,又可以掺入一定比例细度模数较小的河砂,最终使其级配满足区中砂的要求。表2是某机制砂的颗粒分析试验结果。表2某机制砂的颗粒分析试验结果筛孔尺寸/mm累计筛余/%5.0002.50161.25440.63710.315880.1693级配区属细度模数Mx3.2粗细程度粗砂由表2试验数据可见,该机制砂级配不良,成中间多两头少的状况,为区粗砂。0.315mm筛孔以下颗粒含量偏少,若要用于混凝土配制,必须掺入一定比例的细粒成分调整机制砂的颗粒级配,以达到区中砂的级配要武汉理工大学学报2010年4月50求。倘若0.315mm以下的细颗粒偏少,影响颗粒堆积的密实度,以及混凝土中浆体的粘度,造成混凝土拌

11、合物容易出现强度较低、泌水等问题。2)石粉和泥粉含量控制石粉是一种惰性掺合料,细度小,它能够补充混凝土中较少的细颗粒,增大固体的比表面积,减少泌水和离析,而且还能和水泥、水形成柔软的浆体,增加混凝土的浆体体积,从而改善混凝土的和易性。但是石粉的存在也并不是越多越好,必须进行控制使用。国内外很多文献都对人工砂中石粉的作用进行了研究,在低强人工砂混凝土中,一定比例的石粉含量(小于15%)可以明显改善混凝土的工作性,提高其抗压强度和抗渗性能,但是混凝土的抗冻性能随着机制砂中石粉含量的增加而降低,尤其是当石粉含量超过10%时,机制砂混凝土的抗冻性下降显著。对于高强人工砂混凝土而言,由于混凝土中胶凝材料

12、用量较高,水胶比较低,混凝土中本身连通毛细孔较少,所以石粉的存在对于强度、抗渗性、抗冻性能等都无明显不利的影响4,5。泥粉也是机制砂生产中的一种附属产物,其作用与石粉相反。试验研究过程中发现泥粉对混凝土的需水量、拌合物性能等都有明显不利的影响,表3是不同的泥粉含量对混凝土性能的影响情况。由表3数据可以看出,随着泥粉含量的增加,混表3不同泥粉含量对混凝土拌合物性能的影响序号泥粉含量/%含气量/%坍落度/mm28d强度/MPa123357210200175凝土的坍落度明显减小,需水量增大,含气量和强度注:1.试验时按同一个配合比,控制各种材料比例不变,材料品质仅都呈明显的下降趋势,拌合物的工作性能

13、也明显降人工砂中的泥粉含量发生变化;2.混凝土材料用量为(kg/m3):CFSLAG低,粘聚性差。因此使用人工砂时应严格控制砂中的SGWSP010=767681718。泥粉含量。,在生产过程中一方,MB值检验,对其,因此普通混凝土用砂、石质量及检验(JG方法标准J52在C55强度等级范围内,当MB值<1.4时,人工砂中的石粉含量限值为7.0%,当MB1.4时,石粉含量限值为3.0%。3)砂率控制由于人工砂粒形不如天然砂圆滑,在同配比的情况下,拌制的混凝土流动性较差,因此试配时可适当增大砂率,以调节混凝土的工作性能。调整砂率时应结合施工条件、施工工艺以及运输等因素综合考虑,在保证混凝土的强

14、度、工作性和耐久性都满足要求的情况下,砂率也不宜过高,以保证配合比的经济性,一般确定在40%左右。4)掺合料用量控制近年来,随着客运专线的大量开工建设及其对混凝土耐久性设计较高要求(100年),许多高校、研究院(所)、施工单位都进行了大量的试验研究,并总结出了很多经验。在进行配合比优选时掺入减水率高、坍落度损失小、能提高混凝土耐久性的聚羧酸高效减水剂和具有潜在活性的矿物掺合料(粉煤灰、矿渣粉等),能够明显地改善混凝土的力学和工作性能,提高耐久性。试验研究过程中发现,适当增大矿物掺合料中矿粉的掺量,有助于改善人工砂混凝土工作性能,这主要是由于矿粉的微集料效应所致。混凝土可视为连续级配的颗粒堆积体

15、系,粗集料的间隙由细集料填充,细集料的间隙由水泥颗粒填充,而水泥颗粒之间的间隙则需要更细的颗粒来填充。由于矿粉的细度比水泥颗粒细,在取代了部分水泥以后,这些小颗粒填充在水泥颗粒间的空隙中,使胶凝材料具有更好的级配,形成了密实充填结构和细观层次的自紧密堆积体系,同时还能降低标准稠度用水量,在相同用水量的情况下可增加流动度,很好地改善混凝土的和易性,增加粘聚性,防止离析和泌水。在进行人工砂配合比优选时,要结合砂的颗粒级配情况,适当地调整矿粉和粉煤灰的掺配比例,有利于改善拌合物的工作性能。2.3天然砂和人工砂高性能混凝土配合比试验及结果结合以上研究结果,开展了利用天然砂和人工砂分别进行了混凝土配合比

16、试验研究,试验结果见表4。由表4可以看出,用人工砂拌制的混凝土各项性能指标都能满足耐久性要求。与天然砂混凝土相比,在相同坍落度和工作性能的前提下,人工砂的用水量提高了5%10%,砂率也略有提高,由于桩基混凝土的砂率较大,改用人工砂后砂率未发生变化,而承台和墩身混凝土的砂率都增加了1%。这主要是因为人工砂的粒形不第32卷第8期赵年全:人工砂高性能混凝土的配合比设计51规则、表面粗糙,不如天然砂圆润,导致拌合物的流动性和工作性能变差的缘故。结果表明,通过砂率、用水量配比优化与添加矿物掺合料调整人工砂颗粒级配,制备的混凝土各项性能和耐久性指标都能满足铁路混凝土(铁建设2005157号)和结构耐久性设

17、计暂行规定关于发布铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定等两项(铁建设2007140号)规定要求。铁路工程建设标准局部修订条文的通知表4桩基、墩台混凝土配合比及主要性能试验结果细骨料类别使用环境强度部位条件等级桩基河砂承台墩身桩基人工砂承台墩身T1T1T2T1T1T2C30C30C35C30C30C35配合比(CSGW)/(kgm-3)18580310211522107611096140222752108214422881710391602167921093151228781外加剂型号掺量/%SP010SP010SP010SP010SP010SP010掺合料()胶材用量/砂率水胶/%44414144

18、4242坍落含气度/粉煤灰矿渣粉(kgm-3)403030202020370350370380360380比量/总碱量/总氯离子含量/56d抗56d电压强度/通量/注:上述配合比均选用PO42.5水泥,粉煤灰为级灰,矿渣粉为S95级,525mm,机制砂细度模数为2.5,外加剂为聚羧酸系高效减水剂,所选原材料技术指标均符合要求。3结语,其质量优劣对整个工程的质量及耐久性具有举足轻重的影响。,使用人工砂进行混凝土施工生产不仅是可行的,而且具有显著的综合效益,用人工砂配制的高性能混凝土与天然砂并无大的区别。进行配合比设计时,必须针对人工砂的特点,在满足用砂性能指标的前提下,通过用水量、砂率配比调整与矿物掺合料技术进行配合比设计与性能优化,这样才能