機制砂泵送纖維混凝土在地下超長結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

宿曉亮 馬 靜 于 超 周華新

1青島北苑混凝土有限公司（266000） 2江蘇博特新材料有限公司（210000）

0 前言

現(xiàn)代地下工程用水泥混凝土向高強、高性能方向發(fā)展，但同時收縮開裂也已經(jīng)成為地下工程超長結(jié)構(gòu)、超大面積混凝土劣化的主要因素，一般認為限制收縮是混凝土開裂的主要原因[1-2]。邊界條件的約束變形會產(chǎn)生拉應(yīng)力，一旦拉應(yīng)力超過相應(yīng)齡期的抗拉強度，混凝土就會發(fā)生開裂。水泥基材料早期收縮開裂的機理比較復(fù)雜,從能量角度來看，原始裂縫的擴展比生成新的裂縫更容易，早期可見與不可見裂縫是裂縫擴展導(dǎo)致開裂的源頭[3-4]。控制水泥基材料在約束條件下產(chǎn)生早期開裂是一個最本質(zhì)、最敏感的問題。混凝土作為傳統(tǒng)建筑材料已有上百年的歷史,但在工程應(yīng)用過程中由于配合比設(shè)計、配筋設(shè)計、施工及養(yǎng)護不當常常會引起混凝土開裂,嚴重影響地下工程超長結(jié)構(gòu)、超大面積混凝土的抗?jié)B防腐等耐久性能。

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益發(fā)展，我國不少地區(qū)天然砂資源逐步短缺，甚至出現(xiàn)無砂可用的狀況，混凝土用砂供需矛盾尤為突出，使用機制砂已成為必然趨勢[5]。在采礦和加工過程中會伴隨產(chǎn)生約20%的尾礦，相當多的尾礦沒有得到合理利用，占用土地，造成環(huán)境污染[6]。如果把這些資源變成機制沙，會得到很好的經(jīng)濟和社會效益，大力發(fā)展機制沙可以保護環(huán)境，有利于生態(tài)平衡。結(jié)合尾礦機制砂的特性及地下工程超長、超大面積混凝土抗裂要求，開展了利用機尾礦機制砂配制合成纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)研究，旨在更好地指導(dǎo)尾礦機制砂在纖維泵送混凝土中的應(yīng)用。

1 工程概況

裕龍潤邦小區(qū)位于平度市城區(qū)東南部香店街道辦事處，三城路以北，規(guī)劃長春路以南，杭州路以東，泰州路以西，所處區(qū)位交通優(yōu)勢突出。小區(qū)建成后，將改善市民居住條件，提高城市整體形象，引領(lǐng)平度市高層住宅建設(shè)潮流，促進當?shù)胤康禺a(chǎn)向高層住宅方向發(fā)展,對促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展、加快城市化建設(shè)具有積極的推動作用。項目總占地面積為15.38萬m2,總建筑面積為49.17萬m2，車庫總面積達13.89萬m2，地下長墻車庫和大面積車庫頂板采用一次性澆筑，防止混凝土開裂是難點與重點。因此地下車庫和地下2層全部采用防滲抗裂纖維混凝土。

2 試驗原材料及試驗方法

2.1 試驗原材料

水泥為青島平度山水水泥有限公司生產(chǎn)，普通42.5級,其性能見表1；礦粉∶濰坊鋼鐵廠生產(chǎn)的S95級礦粉；粉煤灰∶濰坊電廠粉煤灰Ⅱ級灰；尾礦機制砂∶平度市灰埠信誠砂石加工廠生產(chǎn)的尾礦機制砂，其主要性能見表2；天然河砂∶平度崮山天然河砂，其主要性能見表3；粗骨料∶5～25 mm連續(xù)級配石灰石碎石。減水劑∶聚羧酸高性能減水劑；抗裂纖維∶江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的潤強絲聚丙烯纖維（PP），長度分別為15 mm，其性能指標見表4。

表1 水泥主要物理性能

表2 尾礦機制砂的主要性能

表3 天然河砂的主要性能

表4 試驗用聚丙烯抗裂纖維性能

2.2 試驗方法

1）拌合物新拌及力學(xué)性能∶混凝土拌合物性能按《普通混凝土拌合物性能試驗方法》GB/T 50080-2002進行。力學(xué)性能按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》GBJ81-85進行，用于立方體抗壓強度試驗的試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。所有力學(xué)性能測試值均按相關(guān)規(guī)范換算成標準值。

2）收縮試驗∶試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082-2009)進行測試。收縮試驗試件采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，一端端埋設(shè)金屬測頭，測長采用千分表測量。試件成型標準養(yǎng)護1 d后移入干燥恒溫室立即測定基準長度，試件的干縮齡期以測基準長度后算起。

3）抗?jié)B試驗∶依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB 50082-2009)中抗水滲透試驗滲水高度法進行混凝土抗?jié)B試驗,測定硬化混凝土在恒定壓力下的平均滲水高度來表征混凝土抗?jié)B性能。

2.3 試驗方案及配合比

研究過程中主要對比天然河砂與尾礦機制砂的不同比例對混凝土性能、力學(xué)性能及抗?jié)B性能產(chǎn)生的影響,混凝土中纖維的摻量為為0.8 kg/m3，纖維長度為15 mm配合比設(shè)計時為避免纖維對混凝土工作性能的影響，采用較高砂率和較高摻合料摻量。 尾礦機制砂與天然河砂比例分別為∶9∶1、8∶2、7∶3、6∶4，混凝土試驗配合比如表 5所示。

表5 基準混凝土配合比

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 工作性能及力學(xué)性能

研究過程中通過測定新拌混凝土拌和物的坍落度、擴展度，輔以直觀經(jīng)驗評定粘聚性和保水性來評價纖維混凝土工作性能，研究了天然河砂與尾礦機制砂的不同比例對低強度等級C30泵送纖維混凝土工作性能的影響，試驗結(jié)果見表6。

表6 纖維混凝土新拌性能及力學(xué)性能試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明尾礦機制砂對纖維混凝土新拌性能有一定的負面影響，尾礦機制砂摻量越高時新拌纖維混凝土坍落度和擴展度值越小,尾礦機制砂會是混凝土坍落度經(jīng)時損失加大,流動性變差，可泵送性變差，施工時所需要的泵送壓力增大。這主要是因為尾礦機制砂石的表面比河砂粗糙，有尖銳棱角，和同等級天然砂混凝土相比在水灰比相同的條件下，其流動性比普通混凝土要差。此外尾礦機制砂中含有5%的石粉,會導(dǎo)致混凝土的用水要適量增大和坍落度經(jīng)時損失增大。

3.2 收縮性能

混凝土收縮是導(dǎo)致混凝土開裂的重要原因，這主要是因為硬化成型后的混凝土在水泥繼續(xù)水化、水分的遷移等作用下要產(chǎn)生收縮。在實際工程應(yīng)用中，混凝土構(gòu)件要受到各種約束，因此限制了混凝土的收縮，在混凝土內(nèi)部就會產(chǎn)生應(yīng)力，當應(yīng)力超過混凝土材料本身的極限應(yīng)力時，混凝土就會產(chǎn)生裂縫。為了解決混凝土的收縮開裂問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者均采用在混凝土中摻入纖維來改善其收縮性能[7],同樣研究過程中以聚丙烯纖維混凝土為研究對象，對比分析了天然河砂與尾礦機制砂不同比例對混凝土收縮的影響,試驗結(jié)果如圖1和圖2所示。

試驗結(jié)果顯示在纖維混凝土中，隨著尾礦機制砂用量的增加，纖維混凝土干燥收縮和自收縮都有增大的趨勢；從試驗結(jié)果可得出，在聚丙烯纖維摻量為0.8 kg/m3的條件下,采用尾礦機制砂配制的纖維混凝土收縮值基本在可接受的范圍。

3.3 抗?jié)B性能試驗

抗?jié)B性試驗是衡量普通混凝土水壓滲透的一項試驗方法，有滲透高度法和逐級加壓法兩種方法。滲透高度法是采用恒定水壓力在規(guī)定時間內(nèi)測試混凝土的平均滲水高度來評價混凝土的抗?jié)B性，試驗結(jié)果如圖3所示。

從圖中可以看出,隨著機制砂比例的逐漸升高，通過以上試驗方法測得的混凝土滲水高度有下降的趨勢，也就是說，混凝土的抗?jié)B性能有所提高。這主要是由于機制砂摻量的增大，混凝土用砂中石粉含量有所提高,一定程度上提高了混凝土的密實度，使混凝土抗壓強度有所增長，同時也提高了混凝土的抗?jié)B性能。但隨著機制砂比例的提高，混凝土抗?jié)B性能提高的幅度越來越小。當機制砂∶天然砂=8∶2時，混凝土抗?jié)B性能表現(xiàn)最優(yōu)。

4 工程應(yīng)用情況

尾礦機制砂石的表面比河砂粗糙,有尖銳棱角，和同等級天然砂混凝土相比在水灰比相同的條件下，其流動性比普通混凝土要差，但只要添加適當比例的天然細河砂就會有效改善這一問題。由于石粉砂中含有5%的石粉,導(dǎo)致混凝土的用水要適量增大,但比普通混凝土的保水性好、粘聚性強、泌水少，即和易性好。綜合考慮尾礦機制砂和河砂的性能，通過試配得出在減水劑摻量相同的條件下，河砂與機制砂的比例為2∶8,聚丙烯抗裂纖維的摻量為0.8 kg/m3，混凝土狀態(tài)和坍落度保持性能較好。最終確定的用機制砂配制的纖維混凝土配合比如表7所示。

青島平度市裕龍潤邦小區(qū)車庫總面積達13.89萬平方米，地下長墻車庫和大面積車庫頂板采用一次性澆筑，該工程用尾礦機制砂配制的纖維混凝土外墻澆筑拆模后，混凝土色澤均勻、無明顯氣泡，外觀質(zhì)量較好，而且沒有發(fā)現(xiàn)任何有害裂縫。

5 結(jié)語

1）與河砂相比，尾礦機制砂對纖維混凝土新拌性能有一定的負面影響，會增大混凝土坍落度經(jīng)時損失，河砂與機制砂復(fù)合使用時可明顯改善尾礦機制砂對混凝土新拌性能的影響。

2）河砂與尾礦機制砂復(fù)合時,機制砂用量最高，這是由于機制砂含有石粉對抗收縮性能有一定負面影響,纖維混凝土干燥收縮和自收縮都有增大的趨勢，但混凝土強度和抗?jié)B性能能得到改善。

3）綜合考慮混凝土性能的經(jīng)濟性，則發(fā)現(xiàn)河砂與尾礦機制砂的比例為2∶8時比較合適。應(yīng)用實踐表明，用尾礦機制砂配制的泵送纖維混凝土具有良好的防滲抗裂效果，適合用于地下車庫及地下建筑群等超長混凝土結(jié)構(gòu)。

表7 尾礦機制砂泵送纖維混凝土試驗配合比

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