機(jī)制砂在C80高強(qiáng)混凝土的配制及試驗研究

劉軍

（新疆西部建設(shè)股份有限公司，烏魯木齊 830002）

1 引言

人類進(jìn)入21世紀(jì)，面臨著“人口膨脹、資源和能源短缺以及環(huán)境惡化”等三大問題。混凝土材料是資源和能源消耗的大戶，也是環(huán)境污染源之一。混凝土材料和技術(shù)直接影響著人類的可持續(xù)發(fā)展。改革開放以來，我國已成為世界上最大的建設(shè)市場，用砂量逐年攀升，長期的開采導(dǎo)致天然砂資源枯竭，以致出現(xiàn)了天然砂質(zhì)次價高的局面。天然砂作為一種地方資源，短時期內(nèi)不能再生，況且現(xiàn)代混凝土的發(fā)展對骨料提出了更高的要求，而天然砂的現(xiàn)狀已不能滿足商品混凝土的要求。隨著人類環(huán)境保護(hù)意識的提高和受自然資源的限制，尋找新的砂資源已刻不容緩，機(jī)制砂的推廣使用不僅可以節(jié)約資源，還可給預(yù)拌混凝土企業(yè)和建筑單位帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。利用大量工業(yè)尾礦（如石灰石、冶煉礦石、采石場的廢棄物）制得的機(jī)制砂在高強(qiáng)混凝土中使用，不僅可以減少環(huán)境污染、避免濫采濫挖，保護(hù)環(huán)境，還具有長遠(yuǎn)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文就機(jī)制砂在C80高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

2 研究思路

2.1 技術(shù)難點(diǎn)分析

1） 使用一般的制作工藝，使機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度達(dá)到C80級。新拌混凝土擁有良好的工作性，并在硬化后具有高強(qiáng)的混凝土。

2）機(jī)制砂由于自身的特點(diǎn)，如級配較差、顆粒粒形不好使拌制的混凝土和易性較差、需水量和水泥用量多、拌制的混凝土振動后易離析等。

2.2 配制技術(shù)方案

2.2.1 原則

所采用的原材料系烏魯木齊市場可購得產(chǎn)品。基本不改變常規(guī)施工工藝，使機(jī)制砂C80混凝土技術(shù)可行，各項技術(shù)指標(biāo)滿足技術(shù)要求。

2.2.2 技術(shù)思路

根據(jù)混凝土高性能化設(shè)計理念，該混凝土設(shè)計思路為：(1)合理選擇砂率；(2)控制用水量在175kg/m3以下，水膠比0.35以下；(3)采用磨細(xì)粉煤灰、磨細(xì)礦渣和硅灰取代部分水泥；(4)采用新型高效減水劑； (5)平行對比試驗（機(jī)制砂和天然砂的對比試驗）。

3 試驗用原材料的選擇

根據(jù)原材料質(zhì)量、資源等，優(yōu)選以下幾種原材料進(jìn)行機(jī)制砂C80混凝土的配制。

3.1 水泥（C）

選用新疆天山水泥廠 P·O52.5R水泥，其技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥物理性能指標(biāo)

表2 磨細(xì)粉煤灰性能指標(biāo)

表3 磨細(xì)礦渣性能指標(biāo)

3.2 礦物摻合料

3.2.2 磨細(xì)粉煤灰（KM）

新疆西部建設(shè)股份有限公司產(chǎn)磨細(xì)粉煤灰（Ⅱ級），其技術(shù)性能指標(biāo)見表2。

3.2.3 磨細(xì)礦渣粉（K）

新疆西部建設(shè)股份有限公司產(chǎn)磨細(xì)礦渣（Ⅲ級），其技術(shù)性能指標(biāo)見表3。

3.2.4 硅灰（SF）

新疆哈密產(chǎn)干排硅灰，其技術(shù)性能指標(biāo)見表4。

3.2.5 水泥和礦物摻合料的的化學(xué)成分

見表5。

3.3 骨料

3.3.1 砂（S）

新疆西部建設(shè)股份有限公司生產(chǎn)的機(jī)制砂和烏拉泊產(chǎn)的天然砂,其技術(shù)性能指標(biāo)見表6。

3.3.2 碎石（G）

新疆西部建設(shè)股份有限公司生產(chǎn)的碎石，其技術(shù)性能指標(biāo)見表7。

3.4 外加劑（PCA）

通過市場調(diào)研和試驗后，選用江蘇產(chǎn)復(fù)合早強(qiáng)聚羧酸系高效減水劑PCA,含固量25%，減水率28%。

4 混凝土配合比試驗

CECS207：2006《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》配合比設(shè)計的一般規(guī)定要求：在滿足混凝土結(jié)構(gòu)的要求，確保其施工的工作性性能以及混凝土的強(qiáng)度和耐久性要求，高性能混凝土的膠凝材料總量宜不超過600kg/m3，砂率宜采用37%～44%，高效減水劑根據(jù)其減水率和混凝土的工作性能確定摻量。根據(jù)上述要求我們試驗配合比采用膠凝材料600kg/m3，砂率40%，PCA聚羧酸減水劑摻量為2.0%和2.3%，用機(jī)制砂配制C80高強(qiáng)高性能混凝土進(jìn)行強(qiáng)度和工作性能的測試，確定機(jī)制砂C80混凝土最優(yōu)配合比。試驗配合比如表8。

由表9可以看出，編號為1、2、3和4、5、6的配合比，聚羧酸系高效減水劑摻量為2.0%和2.5%時，混凝土強(qiáng)度都可滿足要求，且混凝土拌合物和易性良好，此外加劑與水泥適應(yīng)性良好，混凝土坍落度經(jīng)時損失小，2h經(jīng)時損失≤10%，早期強(qiáng)度高，后期強(qiáng)度也能持續(xù)增長，此高效減水劑在混凝土中使用時，即使摻量較大也不會出現(xiàn)泌水及緩凝現(xiàn)象，但從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮也是一種浪費(fèi)。因此，此外加劑配制機(jī)制砂C80混凝土的最佳摻量為2.0%；硅粉+磨細(xì)礦渣+磨細(xì)粉煤灰復(fù)摻混凝土28d抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)度最高，純水泥的28d的強(qiáng)度最低。磨細(xì)礦渣+磨細(xì)粉煤灰雙摻強(qiáng)度28d的強(qiáng)度和硅粉+磨細(xì)礦渣+磨細(xì)粉煤灰復(fù)摻的強(qiáng)度相當(dāng)，并能滿足C80級混凝土強(qiáng)度要求；但磨細(xì)礦渣+磨細(xì)粉煤灰雙摻的60d抗壓強(qiáng)度超過了純水泥的強(qiáng)度，這是因為各種摻合料的活性不同，對混凝土不同齡期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率有所差別而造成的。這三種礦物摻合料對混凝土拌合物的流動性影響不大，但硅粉+磨細(xì)礦渣+磨細(xì)粉煤灰復(fù)摻時混凝土坍落度經(jīng)時損失最大，這是由于硅粉顆粒細(xì)小，比表面積大，需水量高。綜合性價比，我們選用磨細(xì)礦渣+磨細(xì)粉煤灰復(fù)摻配制機(jī)制砂C80混凝土，得到了滿意的結(jié)果。

表4 硅灰性能指標(biāo)

表5 化學(xué)性能指標(biāo)

表6 細(xì)集料技術(shù)性能指標(biāo)

表7 粗集料技術(shù)性能指標(biāo)

表8 機(jī)制砂C80混凝土配合比 kg/m3

4.4 確定最佳配合比

根據(jù)混凝土拌合物工作性及其強(qiáng)度數(shù)據(jù)結(jié)果分析得出最佳配合為2號，對其進(jìn)行力學(xué)性能和耐久性方面試驗，以確定機(jī)制砂配制C80高強(qiáng)混凝土的可行性。

5 實驗結(jié)果及分析

用機(jī)制砂和天然砂拌制混凝土進(jìn)行對比試驗，配合比采用2號配合比，分析其對混凝土拌合物性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響。

5.1 混凝土拌合物工作性能

從表10數(shù)據(jù)分析混凝土拌合物工作性能來看，機(jī)制砂和人工砂在混凝土拌合物性能上沒有明顯的差別，觀察新拌混凝土，未發(fā)現(xiàn)離析、泌水現(xiàn)象。試驗結(jié)果數(shù)據(jù)比較滿意。

5.2 力學(xué)性能

從表11試驗數(shù)據(jù)來看，機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度比天然砂混凝土的各齡期高出18%～25%，說明由于機(jī)制砂自身的特點(diǎn)，具有新鮮的顆粒表面，含泥量低，因此用它來拌制的混凝土，骨料和界面粘結(jié)好，配制的混凝土強(qiáng)度高。劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值隨強(qiáng)度等級提高而降低；機(jī)制砂在拉壓比上天然砂高0.006，C80級高強(qiáng)混凝土的拉壓比平均值為0.05，據(jù)有關(guān)研究資料，普通混凝土在C20～C60之間，拉壓比一般為0.05～0.1，隨著混凝土強(qiáng)度提高，脆性增大，拉壓比值下降到0.04～0.05，從中分析得出機(jī)制砂和天然砂在拉壓比上沒有明顯的區(qū)別。對建筑物不會產(chǎn)生大的影響。從數(shù)據(jù)中，其抗折強(qiáng)度優(yōu)于天然砂混凝土。壓折比也低于天然砂混凝土，對建筑結(jié)構(gòu)是有利的。

5.3 耐久性能試驗

從表13中數(shù)據(jù)可以得出：（1）機(jī)制砂C80混凝土抗碳化性能、抗?jié)B性能、抗氯離子滲透性能及抗凍性能都優(yōu)于天然砂C80混凝土， （2）機(jī)制砂C80混凝土干燥收縮性能和天然砂C80混凝土相當(dāng)。這些都是由于：（1）機(jī)制砂自身的特點(diǎn)，具有新鮮的顆粒表面，含泥量低，因此用它來拌制的混凝土，骨料和界面粘結(jié)好，配制的混凝土強(qiáng)度高。（2）由于機(jī)制砂中含有一定的石粉含量，石粉微粒填實了混凝土中的孔隙，減少有害大孔數(shù)目，明顯改善混凝土的孔徑大小分布，強(qiáng)化了水泥漿體-集料的界面結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)了水泥與骨料間的密實度，提高了混凝土的抗碳化性能、抗?jié)B性能、抗氯離子滲透性能及抗凍性能。

表9 混凝土拌合物工作性及其強(qiáng)度

表10 機(jī)制砂和天然砂混凝土拌合物性能試驗結(jié)果

表11 機(jī)制砂和天然砂混凝土力學(xué)性能試驗結(jié)果

表12 機(jī)制砂和天然砂混凝土耐久性能試驗結(jié)果

6 結(jié)論

（1）通過試驗得出機(jī)制砂C80混凝土最優(yōu)配合比，且各項性能滿足技術(shù)要求。

（2）該高強(qiáng)混凝土工作性、體積穩(wěn)定性良好，力學(xué)性能和耐久性能都優(yōu)于天然砂混凝土。

（3）機(jī)制砂是在固定場所生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，可操作性強(qiáng)，不必?fù)?dān)心砂中含泥量和泥塊含量超標(biāo)。

（4）機(jī)制砂中含有一定量的石粉正好作為混凝土中的摻合料，不但增加了混凝土中膠凝材料的總量，還可以起到微集料效應(yīng)。

（5）社會效益明顯，利用大量尾礦資源，保護(hù)環(huán)境；經(jīng)濟(jì)效益可觀，可以為混凝土節(jié)約大量成本。

[1]GB/T 8074-1987.水泥比表面積測定方法（勃氏法）[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1988.

[2]徐健，蔡基偉，王稷良，等.人工砂與人工砂混凝土的研究現(xiàn)狀[J].國外建材科技，2004

[3]陳肇元. 高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版杜,1994

[4]蒲心誠，嚴(yán)吳南，王沖.100～150MPa超高強(qiáng)高性能混凝土的配制技術(shù)[J].混凝土與水泥制品，1998.(6)：3-7