人工砂高性能混凝土配制技術(shù)研究

1、人工砂高性能混凝土配制技術(shù)研究宋少民 （北京建筑工程學(xué)院土木工程系）【摘要】 本文通過試驗分析不同粒徑，不同材質(zhì)的人工砂的基本材性，采用現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計理念，研究了人工砂高性能混凝土配合比的設(shè)計原則。通過分析粉煤灰、石粉含量對人工砂高性能混凝土在工作性和力學(xué)性能上的影響，確定粉煤灰的最佳摻量和石粉含量的范圍；通過對人工砂和天然砂高性能混凝土性能的對比試驗，結(jié)果表明人工砂完全可以替代天然砂配制高性能混凝土?！娟P(guān)鍵詞】 人工砂 高性能混凝土 配合比 石粉 The compound technology study of high performanceconcrete used artific

2、ial sand SONG Shaomin(Beijing Institute of Civil Engineering and Architecture)Abstract：Through testing research, the elementary properties of different particles and different quality of sand are analysed,with the new concept ,The concrete mix proportion design is studied. By analysing the effect of

3、 fly-ash and stone powder content on workability and mechanical performance in HPC, we find it existing optimum fly-ash and stone powder content. Through comparing artificial sand and natural sand HPC on workability, mechanical performance, The results shows that it is practicable to prepare HPC wit

4、h manufactured sand, and artificial sand can replace natural sand absolutely.Key words：artificial sand；high performance concrete；mix proportion；stone powder1 引 言隨著經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，帶來了土木建筑業(yè)的空前活躍, 道路、橋梁、鐵路、機場、水工建筑、近岸結(jié)構(gòu)、城市建設(shè)、通訊等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，使得建筑材料在質(zhì)和量上都達(dá)到了歷史上的最高水平，消耗了大量的資源。其中占混凝土體積70%以上的砂石骨料要開山采礦，挖掘河床，每年建筑用砂石約為30多

5、億噸，以北京市為例，每年建設(shè)用砂石就要6400萬噸，其中，僅用于商品混凝土的中、粗砂2001年使用了1066萬噸，2002年為1400萬噸，2004年為近3000萬噸，給資源和生態(tài)環(huán)境造成很大壓力。目前北京商品混凝土行業(yè)的天然砂供應(yīng)中中粗砂（細(xì)度模數(shù)2.63.1）緊張，大部分砂細(xì)度模數(shù)在2.32.4。隨著混凝土技術(shù)的迅速發(fā)展,特別是高強度等級和高性能混凝土對骨料的要求很嚴(yán),能滿足其要求的天然砂數(shù)量越來越少。由于砂資源短缺,價格上漲,在經(jīng)濟利益的驅(qū)使下,在我國很多地區(qū)都出現(xiàn)了濫采亂挖天然砂的情況,特別在前幾年,毀田挖砂、破壞河道挖砂的情況比比皆是。其次是環(huán)境保護的需要，由于天然砂的無序生產(chǎn),在生

6、產(chǎn)、儲存和運輸過程中還造成對空氣和環(huán)境的污染,國務(wù)院和各地人民政府不得不相繼出臺了禁采或限采天然砂的規(guī)定。鑒于實際情況，于2002年2月1日起實施的新國標(biāo)建筑用砂（GB/T14684-2001）增加了人工砂為建筑用砂之一，并規(guī)定了人工砂的定義、技術(shù)要求、檢驗方法。國內(nèi)以人工砂等替代天然河砂生產(chǎn)混凝土的規(guī)模越來越大。今后人工砂將作為建筑用砂的重要來源而擠身于建材市場1。2 試驗原材料2.1 水泥。北京興發(fā)水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5水泥,主要物理性能指標(biāo)見表1 表1 水泥主要性能 凝結(jié)時間(min)抗壓強度(Mpa)抗折強(Mpa)細(xì)度(%)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量(%)初凝167終凝3003d23.528

7、d49.73d4.828d8.90.827.02.2 粉煤灰。石景山電廠二級灰 表2 粉煤灰的主要性能 需水量比(%)細(xì)度(%)燒失量（%）SO3含量94192.1合 格2.3 人工砂。試驗所用人工砂和天然砂的主要物理性能見下表。表3 人工砂的主要物理性能 堆積密度(kg/m3)表觀密度(kg/m3)細(xì)度模數(shù)石粉含量吸水率評定154027302.911.12.04%II區(qū)中砂 表4 天然砂主要物理性能 堆積密度(kg/m3)表觀密度(kg/m3)細(xì)度模數(shù)含泥量吸水率評定153026502.711.58%II區(qū)中砂2.4 石子。碎石，最大粒徑為20mm。 表5 碎石的基本物理性能 針片狀顆粒含量

8、()壓碎指標(biāo)()堆積密度(kg/m3)表觀密度(kg/m3)空隙率(%)7.59.115602750 43.32.5 外加劑。泵送劑：由北京瑞博商品混凝土攪拌站復(fù)配，減水率213 試驗結(jié)果與分析3.1高密實人工砂混凝土試驗結(jié)果與分析根據(jù)工砂主要的物理性能，利用黃兆龍教授密實堆積理念配制配制人工砂高性能混凝土2，得出在不同漿體用量（n=1.2，1.3，1.4），不同水膠比（=0.45，0.40，0.35，0.30）下人工砂高密實配合比，見表6。設(shè)計原則：（1）要求拌和物坍落度達(dá)到180mm220mm,不改變設(shè)計用水量，通過摻加高效減水劑來調(diào)整拌和物的坍落度。（2）要求控制水泥用量，不超過400

9、kg/m3，以減少混凝土的收縮和裂縫。（3）要求摻加占膠凝材料總量30%以上的粉煤灰，以改善混凝土的和易性和耐久性3。（4）要求用水量一般控制在170kg/m3以下。表6 人工砂的高密實配合比（kg/m3） n編號W/BCFASGW1.2R21R22R23R240.450.400.350.301892142432761661661661669819819819819389389389381631551461351.3R31R32R33R340.450.400.350.302132402713061621621621629579579579579159159159151741661561441.

10、4R41R42R43R440.450.400.350.302372662983811581581581589339339339338938938938931851761651391.3T31T32T33T340.450.400.350.30213240271306162162162162957957957957915915915915174166156144注： R代表人工砂，T代表天然砂，n代表漿體富余量，代表水膠比，W代表水，B代表膠凝材料（水泥+粉煤灰），C代表水泥，F(xiàn)A代表粉煤灰，S代表砂子，G代表石子。3.1.1 高密實混凝土試驗結(jié)果 按表6的各組配合比,分別觀察和易性(坍落度、擴展

11、渡度)和各齡期強度，結(jié)果見表7表7 人工砂高密實混凝土和易性及抗壓強度 編號坍落度mm坍落擴展度mm泵送劑（kg/m3）和易性抗壓強度（MPa）7d14d28d56dR2123049510.65輕微泌水，粘聚性良19.023.933.537.6R2221049011.40輕微泌水，粘聚性好19.227.839.443.4R2319039512.27不泌水，粘聚性優(yōu)20.139.347.348.8R2413027513.26不泌水，粘聚性優(yōu)29.448.753.260.8R3124050511.25不泌水，粘聚性好21.727.334.638.8T3124555011.25不泌水，粘聚性好20.

12、325.531.439.3R3223045512.99不泌水，粘聚性優(yōu)23.531.136.542.6T3224055010.94輕微泌水，粘聚性好23.926.128.340.4R3320044511.85不泌水，粘聚性優(yōu)33.938.948.557.1T3321047012.72輕微泌水，粘聚性好25.128.233.841.7R3420043513.68不泌水，粘聚性優(yōu)39.752.150.154.4T3420544514.17不泌水，粘聚性優(yōu)38.041.547.855.7R4123051511.25不泌水，粘聚性優(yōu)20.425.834.341.1R4223549012.06不泌水，粘

13、聚性優(yōu)25.634.641.649.5R4322047512.99不泌水，粘聚性好36.144.150.556.5R4421547014.04不泌水，粘聚性好44.346.756.561.23.1.2 人工砂高密實混凝土試驗結(jié)果分析 漿體用量對和易性的影響由表八可以看出，在保持砂率不變的情況下，n值等于1.3的高密實混凝土的坍落度、擴展度表現(xiàn)最好，n值等于1.2時則減小，這是由于骨料含量相對較多，潤滑漿量相對較少，整體內(nèi)聚力較高的原故；n值大于等于1.4時，雖和易性好，但因為水泥用量較多，既不經(jīng)濟，又不利于耐久性；n值小于1.2時，由于骨料含量多，表面積大，漿量不足，以至造成混凝土拌和物干澀，

14、缺少流動性，幾乎近似于干硬性混凝土（數(shù)據(jù)未列入表中）。 水膠比對和易性的影響保持砂率不變，隨著水膠比的增大，在減水劑摻量相同的情況下，新拌混凝土的坍落度，擴展度逐漸增大，說明采用一定的骨料的情況下，流動性混合料的坍落度，坍落擴展度隨著用水量的增加而增加，但單位用水量過大，易發(fā)生離析和泌水。尤其是在漿量較少時（n=1.2或以下時）由此說明單位用水量對混凝土拌和物和易性的影響是顯著的。 混凝土抗壓強度分析 在抗壓強度方面與天然砂相同,對于同一水膠比的混凝土，齡期與抗壓強度的關(guān)系為：強度隨齡期的增加而增加，在一定范圍內(nèi)，水泥漿量越多，混凝土的強度越高。w/c控制混凝土的早期強度，而水膠比主要控制混凝

15、土的后期強度，這也是高漿量混凝土具有較高強度的原因。n等于1.21.3時的混凝土抗壓強度可很好地滿足施工的要求。n值相同時，混凝土的強度隨水膠比的增大而降低，結(jié)果見圖1、圖2。圖3 不同漿體用量時混凝土的強度發(fā)展規(guī)律 圖4不同水膠比時混凝土的強度發(fā)展規(guī)律3.1.3 人工砂與天然砂混凝土和易性和強度的比較天然砂高密實混凝土和同配合比的人工砂高密實混凝土相比，由于顆粒比較光滑，摩擦阻力小，因此，在用水量相同時，坍落度和坍落擴展度均大一點，能夠獲得較好的流動性。但總體來說，差別不是很大，能夠滿足泵送要求。如圖3、4所示。人工砂由于表面粗糙，棱角多，在相同配合比，和易性相差不大的情況下，所配制的混凝土

16、28d抗壓強度明顯高于天然砂混凝土如圖1。圖3 人工砂和天然砂混凝土不同水膠比時 圖4 人工砂和天然砂混凝土不同水膠比時坍落度的變化 坍落擴展度的變化3.2 不同粉煤灰摻量人工砂混凝土試驗結(jié)果與分析3.2.1 粉煤灰摻量試驗結(jié)果 通過粉煤灰摻量研究不同粉煤灰摻量對人工砂高性能混凝土和易性和抗壓強度的影響。我們針對不同粉煤灰摻量對進(jìn)行表8配合比的試驗，結(jié)果見表9。表8 不同粉煤灰摻量的人工砂高性能混凝土的配合比（kg/m3） 編號CFASGW砂率%FA取代C%f4031612188710081774728f4128415388710081774735f4226217588710081774740

17、f4321821988710081774750表9 不同粉煤灰摻量的人工砂高性能混凝土試驗結(jié)果（kg/m3 ） 編號坍落度mm坍落擴展度mm泵送劑（kg/m3 ）和易性抗壓強度（MPa）3d7 d28df4026055×555.37不泌水26.135.352.6f4124550×555.37不泌水22.026.646.2f4224042×475.37不泌水17.831.445.3f4324045×485.37不泌水18.125.740.13.2.2不同粉煤灰摻量試驗分析由表十可以看出，在保持水膠比為0.40時，混凝土拌合物都具有很大的坍落度和較大的擴展度

18、，隨著粉煤灰摻量的增加，坍落度和擴展度逐漸減少。這主要是因為即便是一級灰，需水量比較低，但當(dāng)摻加比例過大時，由于細(xì)度比水泥細(xì)，比表面積大，使?jié){體有些粘稠的原因。同樣由表十可知，在粉煤灰的摻量逐漸增加時，混凝土的3天、7天、28天強度隨粉煤灰摻量的增加而減少；但3天強度均可滿足工程要求；粉煤灰摻量在35-40%時28天強度相差不大。如前所述，在低水膠比的粉煤灰混凝土中早期強度更多的由水灰比決定，而28天以后的強度更多的開始由水膠比決定?？傮w來看，當(dāng)粉煤灰摻量在膠凝材料35%時和易性和抗壓強度較好。3.3 不同石粉含量人工砂混凝土試驗結(jié)果與分析通過改變?nèi)斯ど爸惺酆垦芯繉θ斯ど案咝阅芑炷梁鸵仔?/p>

19、和抗壓強度的影響。人工砂中的石粉通常是指小于0.075 mm 的顆粒，石粉主要是磨細(xì)的巖石粉末，與人工砂成分相同，在混凝土中主要起微集料作用4。3.3.1 不同石粉含量試驗結(jié)果表10 人工砂中石粉含量不同時的配合比（kg/m3） 編號水泥用量膠材粉煤灰用水量砂石石粉含量(%)砂率(%)W/BSF1027339312017581511250420.45SF1127339312017581511255420.45SF1227339312017581511259420.45SF13273393120175815112512420.45SF14273393120175815112515420.45表1

20、1 石粉含量同時對人工砂高性能混凝土的影響（kg/m3） 編號坍落度mm擴展度mm泵送劑（kg/m3）和易性單位重（Kg/m3）抗壓強度（MPa）3d28dSF1023050×427.86輕微泌水230813.229.4SF1120547× 447.86輕微泌水230813.629.6SF1222043× 437.86不泌水233221.440.5SF1322541× 417.86不泌水230417.438.8SF1417534× 367.86較粘232818.137.63.3.2 不同石粉含量試驗分析 人工砂中的石粉對混凝土拌和物的影響由表1

21、1可以看出，在不摻石粉或石粉含量很低時，混凝土出現(xiàn)泌水，隨著石粉摻量的不斷增大，和易性得到很大的改善，當(dāng)增到15%時，混凝土拌和物已表現(xiàn)出較粘的特性,坍落度和擴展度明顯減少。這說明石粉的摻量對和易性有一個最佳的范圍，這是因為石粉是一種惰性摻合料,細(xì)度小,它不但補充混凝土中缺少的細(xì)顆粒,增大粉體總量,在混凝土單位體積用水量不變的情況下，增加混凝土的漿量和漿體粘稠性。從而減少了泌水和離析。 人工砂中的石粉對混凝土力學(xué)性能的影響同樣由表11可知，對于摻加的石粉含量不同時，混凝土的3d和7d強度遵循著同樣的發(fā)展規(guī)律，即先增大后減小，存在著一個最佳的范圍，這是因為石粉是惰性材料,它沒有活性,不參與水泥的水化,石粉中的微細(xì)