王琴,劉軍,朱炎寧,羅志明
(中建西部建設(shè)股份有限公司,新疆 烏魯木齊 830000)
基于最佳級配曲線下機(jī)制砂與天然砂混合級配的研究
王琴,劉軍,朱炎寧,羅志明
(中建西部建設(shè)股份有限公司,新疆烏魯木齊830000)
本文采用新疆的水泥、天然砂、機(jī)制砂為原材料,使用一般的技術(shù)手段研究在最佳級配曲線下的機(jī)制砂與天然砂混合,混合后的砂滿足 JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。將得到的最佳級配的混合砂與一定數(shù)量的活性礦物摻合料、外加劑共同使用,進(jìn)行大量配合比試驗(yàn),取得試驗(yàn)數(shù)據(jù),在混凝土抗壓強(qiáng)度及耐久性方面得出一定的結(jié)論,制備的混凝土擁有良好的工作性和操作性,且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足 GB 14902-2003《預(yù)拌混凝土》的要求。
機(jī)制砂;天然砂;混合級配
1.1原材料
考慮到現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的原材料選擇、運(yùn)輸?shù)葐栴},本試驗(yàn)采用的天然砂、機(jī)制砂均來自烏魯木齊周邊砂場。
水泥: P?O 42.5R 水泥,其具體性能見表 1。
表1 水泥的主要性能
粉煤灰(FA):Ⅲ 級干排原狀粉煤灰,細(xì)度 31.0%,需水量比 94%,燒失量 5.4%,SO3含量 0.9%。
?;郀t礦渣(K):比表面積 389m2/kg,7d 抗壓強(qiáng)度比為 76%,28d 為 114%。
天然砂(S):烏魯木齊市地產(chǎn)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定。其具體性能見表 2。
表2 天然砂的性能指標(biāo)
卵石(G):顆粒級配 5~20mm,針片顆粒含量 6%,壓碎指標(biāo) 9%。顆粒級配 5~40mm,針片顆粒含量 5%,壓碎指標(biāo) 6%。
外加劑:減水率 18%。
機(jī)制砂:烏魯木齊市周邊,其具體性能見表 3。
表3 機(jī)制砂的性能指標(biāo)
1.2試驗(yàn)方法
將天然砂與機(jī)制砂進(jìn)行混合,按照一定的比例,得到級配良好的符合國家標(biāo)準(zhǔn)的混合砂。利用混合砂進(jìn)行混凝土試驗(yàn),主要以C30泵送混凝土為主。并針對機(jī)制砂中的石粉,研究其對混凝土耐久性的影響。
機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)偏大,不宜單獨(dú)使用配置混凝土,而天然砂細(xì)度模數(shù)為 2.5,與泵送的最佳細(xì)度模數(shù) 2.6~2.9 相差不遠(yuǎn),所以采用機(jī)制砂取代天然砂的方法進(jìn)行混合。GB/T 14684-2011 中細(xì)度模數(shù)計(jì)算公式如下:
混合砂的細(xì)度模數(shù)計(jì)算公式可以按下式確定:
其中:
MX——細(xì)度模數(shù);
A1、、A2、A、3、A4A5A6——分別為天然砂在 4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.600mm、0.300mm、0.15mm 篩上的累積篩余百分比;
A'、、A'、A、'、A'A'A'——分別為機(jī)制砂在4.75mm、
123456 2.36mm、1.18mm、0.600mm、0.300mm、0.15mm 篩上的累積篩余百分比;
a——天然砂所占混合砂百分比。
根據(jù)多年的施工經(jīng)驗(yàn),高強(qiáng)高性能混凝土細(xì)度模數(shù)為2.6~2.9 時最適合,即:
代入數(shù)據(jù)可以得到:0.37≤a≤0.75
即機(jī)制砂的取代率在 0.25 到 0.63 之間時混合砂的系度模數(shù)在 2.6 到 2.9 之間。
將機(jī)制砂與天然砂的比例關(guān)系進(jìn)行合理調(diào)配,使混合砂的顆粒級配在 Ⅱ 區(qū)范圍內(nèi)。
通過分級篩余的結(jié)果可以分別得出天然砂、機(jī)制砂最為集中的粒徑,設(shè)為 i、u。設(shè)混合砂中天然砂含量為 x,則機(jī)制砂含量為 1-x。設(shè)混合砂中粒徑i要求的分級篩余量為 am(i),天然砂、機(jī)制砂在該粒徑的分級篩余量分別為 aA(i)、 aB(i),則:
對結(jié)果取平均值,得到的即為大致滿足混合砂級配要求的機(jī)制砂含量。
采用按分級篩余級配中值。am(i) 可根據(jù) JGJ/T 10-95《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》中提供的最佳級配曲線(圖 1)來選取,使混合砂顆粒級配在泵送區(qū)內(nèi),接近最佳級配線。
圖1 細(xì)骨料最佳級配曲線
表4 骨料的分級篩余和混合砂要求的級配范圍
由表 4 可以看出,機(jī)制砂占優(yōu)勢粒徑為 y=1.18mm,天然砂占優(yōu)勢粒徑為 i=0.3mm。將相應(yīng)的 aA(i),aB(i),aA(y),aB(y) 按分級篩余級配范圍中值即 am(i),am(y) 帶入式(1)、(2),得到:
aA(0.3)X+ aB(0.3)(1-X)= am(0.3)
aA(1.18)X’+ aB(1.18)(1-X’)= am(1.18)
0.315X+0.114(1-X)=0.255求得 X= 0.70
0.12X’+0.304(1- X’)=0.175求得 X’=0.73
求 X 和 X’的平均值,(0.70+0.73)/2=0.72 即當(dāng)天然砂占混合砂比例為 72% 時,混合砂的級配良好,理論上級配曲線可處于 Ⅱ 區(qū)范圍內(nèi),且曲線最接近于中線。而0.37≤0.72≤0.75 在計(jì)算的取代范圍之內(nèi)。
4.1混合砂級配曲線
將天然砂與機(jī)制砂按 72:28 的比例混合,可以得到所需要的機(jī)制砂,對混合砂進(jìn)行篩分試驗(yàn)得到 Mx=2.6?;旌仙昂Y分試驗(yàn)結(jié)果見表 5。
表5 混合砂篩分試驗(yàn)結(jié)果
將混合砂的級配與最佳級配曲線進(jìn)行對比,如下表 6。
表6 混合砂級配與最佳級配曲線對比
通過數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)混合砂的級配曲線與泵送混凝土細(xì)骨料最佳級配曲線基本吻合,因此可以斷定試驗(yàn)得到了具有最佳級配曲線的混合砂。
4.2工作性能試驗(yàn)及分析
分別用機(jī)制砂、天然砂、混合砂進(jìn)行配合比試驗(yàn),以泵送 C30 混凝土為例。配合比見表 7,不同細(xì)骨料對混凝土性能的影響見表 8。
表7 C30 混凝土配合比
表8 不同細(xì)骨料對混凝土性能的影響
分析表 8 數(shù)據(jù)可知,在同樣的條件下進(jìn)行混凝土拌制,混合砂坍落度介于天然砂與機(jī)制砂之間,這是由于機(jī)制砂級配不理想,顆粒相對集中,用其拌制的混凝土流動性不好;機(jī)制砂表面粗糙、棱角分明,不像天然砂表面那樣圓滑,因此流動性不及天然砂;機(jī)制砂與天然砂混合,有效的改善了細(xì)骨料的顆粒級配,補(bǔ)充了 0.315mm 以下的顆粒,較大的改善了混凝土的流動性。
在同一條件下拌制的三類混凝土,28d 強(qiáng)度均達(dá)到要求,混合砂混凝土強(qiáng)度及強(qiáng)度增長速度介于天然砂與機(jī)制砂之間。這是由于機(jī)制砂表面粗糙且多棱角,與水泥之間的粘結(jié)性能好,界面作用力大,故水灰比相同的情況下,由機(jī)制砂配制的混凝土強(qiáng)度略高;機(jī)制砂中含有一部分石粉,可以填充空隙,提高混凝土致密性,對外加劑吸附作用小,可以在一定程度上提高混凝土工作性能及強(qiáng)度。
4.3耐久性能試驗(yàn)及分析
(1)抗碳化性能
按照同一配合比,使用三種不同砂配置混凝土,28d 自然養(yǎng)護(hù)后,比較碳化深度。碳化深度見表 9。
表9 天然砂、混合砂、機(jī)制砂的碳化深度
由此結(jié)果可見,混凝土抗碳化能力依次為:混合砂>天然砂>機(jī)制砂。
影響混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土碳化的因素有材料因素、施工因素、環(huán)境因素三大類。材料因素包括:水泥種類、水灰比、外加劑、骨料品種與級配等。機(jī)制砂混凝土抗碳化能力較弱,是由于級配不好,孔隙率大,雖然機(jī)制砂中的石粉能夠在一定程度填充混凝土的空隙,但在相同配合比的試驗(yàn)中,相對于其他砂配制的混凝土孔隙率仍然較大,密實(shí)度不佳,從而其抗碳化能力較弱。
(2)三類砂對混凝土抗?jié)B性能的影響
按照同一配合比,使用三種不同砂配置混凝土,研究養(yǎng)護(hù) 28d 后,測量三者在 1.0MPa 水壓時的滲水高度。結(jié)果表明,三者滲水高度相差不大,均在 70~80mm,表明機(jī)制砂混凝土和混合砂混凝土雖然在孔隙率、級配以及密實(shí)度等方面不及天然砂,但均沒對混凝土的抗?jié)B性造成較大影響。
眾所周知機(jī)制砂是通過機(jī)械破碎后的產(chǎn)品,因此石粉含量較高,為了研究石粉含量對混凝土性能的影響,采用C30配合比對混合砂進(jìn)行混凝土試驗(yàn)。
5.1石粉含量對拌合物泌水率的影響
按照同一配合比,摻入不同含量的石粉,得到石粉含量對混凝土拌合物泌水率的影響見表 10。
表10 石粉含量對混凝土拌合物泌水率的影響
從表 10 可以看出,當(dāng)其他條件相同時,當(dāng)石粉含量較低時,很難配制出工作性很好的混凝土,混合砂雖然級配良好,但是由于顆粒形貌不良,導(dǎo)致其配制出來的混凝土工作性能較差,泌水率較高。但當(dāng)機(jī)制砂中摻入一定量的石粉時,混凝土工作性得到明顯提高,同時降低了泌水率。
5.2石粉含量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響
混凝土抗壓強(qiáng)度是混凝土性能中最重要的參數(shù)之一?;炷恋拇蠖鄶?shù)重要性能都直接影響著混凝土抗壓強(qiáng)度。表 11為石粉含量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。
從表 11 可以看出:C30 混凝土中,混合砂中石粉含量在20% 以下時,以及 C60 混凝土中,石粉含量在 15% 以下時,石粉對混凝土強(qiáng)度有一定的提高作用。就強(qiáng)度而言,C30 與C60 混凝土的最佳石粉含量分別為 15%、10%。
(1)機(jī)制砂的取代率在 0.25 到 0.63 之間時混合砂的細(xì)度模數(shù)在 2.6 到 2.9 之間;當(dāng)機(jī)制砂占混合砂比例為 28%時,混合砂的級配良好,理論上級配曲線可處于 Ⅱ 區(qū)范圍內(nèi),且曲線最接近于中線,中線即為細(xì)骨料的最佳級配曲線;
(2)在同樣的條件下進(jìn)行混凝土拌制,混合砂的坍落度介于天然砂與機(jī)制砂之間,同樣養(yǎng)護(hù)條件下,28d 強(qiáng)度均達(dá)到要求,混合砂混凝土強(qiáng)度及強(qiáng)度增長速度介于天然砂與機(jī)制砂之間;
(3)混凝土抗碳化能力依次為混合砂較好,天然砂次之,機(jī)制砂最弱,混凝土抗?jié)B性無明顯差別;
(4)混合砂中石粉的含量對混凝土工作性能有一定影響,當(dāng)石粉含量為 5% 時,混凝土工作性能達(dá)到最佳;當(dāng)石粉含量增加時,混凝土保水性能越好,泌水率減??;對于C30、C60 混凝土,當(dāng)混合砂中石粉含量分別在 20%、15%以下時,石粉對混凝土強(qiáng)度有提高作用,最佳石粉含量分別為 15%、10%。
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[通訊地址]新疆烏魯木齊雅山中路 418 號(830000)
王琴(1988—),女,碩士研究生,主要從事混凝土減水劑及混凝土新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用。