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        尾礦特細(xì)砂與河砂復(fù)配在混凝土中的應(yīng)用研究

        2020-08-05 12:19:06熊大路辛崇升田慶斌邢又家姜瑞雙
        山東交通科技 2020年3期
        關(guān)鍵詞:河砂細(xì)砂模數(shù)

        熊大路,辛崇升,田慶斌,邢又家,姜瑞雙

        (1. 濟(jì)南金曰公路工程有限公司,山東 濟(jì)南 250101;2. 山東省交通科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250031;3. 山東省混凝土材料與橋梁結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心,山東 濟(jì)南 250102)

        引言

        目前,國家加快了高速公路、高速鐵路、城市軌道交通等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)步伐,而對(duì)建設(shè)用砂的消耗也越來越大[1-3]。作為傳統(tǒng)的混凝土用細(xì)集料,河砂的儲(chǔ)備資源越來越少,同時(shí),各地天然河砂的開采已受到限制,市場(chǎng)上的河砂品質(zhì)也越來越難以保證[4]。橋隧混凝土用細(xì)集料一般選用中砂,然而現(xiàn)在各工地的粗砂卻隨處可見,細(xì)度模數(shù)均在3.1以上,且顆粒級(jí)配不合理,細(xì)顆粒含量較少。采用粒形和級(jí)配不合理的粗砂配制混凝土,不僅難以保證混凝土拌合物的工作性,易引起拌合物的泌水、離析,同時(shí)也難以保證混凝土結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量及長期耐久性。

        近年來,尾礦砂的研究和應(yīng)用越來越多[5-6]。尾礦砂來源于選礦廠排放的固體廢棄物,而其粒徑有大有小,其中,尾礦特細(xì)砂與天然特細(xì)砂一樣,具有平均粒徑小、顆粒級(jí)配是中間大兩頭小、細(xì)度模數(shù)小、比表面積大、需水量大的特點(diǎn),若單獨(dú)使用特細(xì)砂配制混凝土,會(huì)導(dǎo)致混凝土拌合物黏度大、泵送困難、收縮大、易開裂等問題[7]。若要將特細(xì)砂應(yīng)用到混凝土中,首先要解決好其級(jí)配單一、需水量大的問題。而特細(xì)砂與粗砂的復(fù)配,兩種材料可以取長補(bǔ)短,為發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢(shì)提供了一條有效途徑[8-10]。

        1 原材料及試驗(yàn)方法

        1.1 原材料

        (1)水泥:P·O42.5普通硅酸鹽水泥,物理性能指標(biāo)見表1。(2)粉煤灰:F類I級(jí)粉煤灰,45μm方孔篩篩余量4.5%,需水量比96%,燒失量3.52%。(3)粗集料:5~20 mm連續(xù)級(jí)配的天然碎石,表觀密度2 725 kg/m3,含泥量0.2%,壓碎值21.0%。(4)細(xì)集料:天然河砂,表觀密度2 630 kg/m3,松散堆積密度1 525 kg/m3,含泥量1.4%,細(xì)度模數(shù)為2.67。(5)尾礦特細(xì)砂:表觀密度2 800 kg/m3,75μm以下顆粒含量4.5%,吸水率2.0%,細(xì)度模數(shù)0.82。(6)減水劑:聚羧酸高性能減水劑,減水率26.3%。

        表1 P·O 42.5水泥基本性質(zhì)

        1.2 配合比

        試驗(yàn)配制C40混凝土,以全河砂為基準(zhǔn)配合比,研究特細(xì)砂替代15%河砂的混凝土各項(xiàng)性能發(fā)展,配合比見表2。

        表2 混凝土配合比

        1.3 試驗(yàn)方法

        1.3.1 細(xì)集料的顆粒級(jí)配

        砂的顆粒級(jí)配試驗(yàn)按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)進(jìn)行測(cè)試。用特細(xì)砂等量取代河砂,特細(xì)砂的取代率分別為0%、10%、15%、20%、30%,對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)編號(hào)為S1、S2、S3、S4、S5。并根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50-2011)有關(guān)細(xì)集料的技術(shù)要求,優(yōu)選最佳的取代率,研究復(fù)配前后混凝土的性能。

        1.3.2 混凝土的性能測(cè)試

        (1)工作性能:根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080-2016)的試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行新拌混凝土的和易性測(cè)試;(2)抗壓強(qiáng)度:根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2019)進(jìn)行。成型100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件,養(yǎng)護(hù)24 h后拆模,放于混凝土養(yǎng)護(hù)室(溫度20±2℃,相對(duì)濕度大于95%)中養(yǎng)護(hù)至3 d、7 d、28 d、56 d后測(cè)試。(3)抗氯離子滲透性能:根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》(CCES01-2004)中的NEL法評(píng)價(jià)硬化混凝土的抗氯離子滲透性能,并根據(jù)表3進(jìn)行滲透性評(píng)價(jià)。

        表3 混凝土抗氯離子滲透性評(píng)價(jià)

        2 結(jié)果與分析

        2.1 特細(xì)砂與河砂復(fù)配后的顆粒級(jí)配

        特細(xì)砂摻量對(duì)細(xì)集料的顆粒級(jí)配的影響見圖1。特細(xì)砂摻加可明顯改善粗砂的顆粒級(jí)配。隨著摻量增加,2.36 mm和1.18 mm的粗顆粒含量明顯降低,且0.3 mm和0.15 mm的細(xì)顆粒含量明顯增加。當(dāng)摻加15%特細(xì)砂時(shí),2.36 mm和1.18 mm的顆粒含量從25.2%和18.0%分別降低至18.2%和15.5%;而0.3 mm的顆粒含量則從16.8%增加至19.0%。

        圖1 特細(xì)砂摻量對(duì)細(xì)集料顆粒級(jí)配的影響

        由圖1(b)累計(jì)篩余曲線可知,未復(fù)配特細(xì)砂前,河砂(S1)不在II區(qū)的級(jí)配曲線范圍內(nèi),隨著特細(xì)砂的摻量增加,各粒徑累計(jì)篩余逐漸降低;當(dāng)摻量達(dá)到15%后,細(xì)集料的級(jí)配曲線基本滿足II區(qū)砂的級(jí)配要求;但在摻量達(dá)到30%時(shí),0.15 mm的累計(jì)篩余偏低,這說明0.15 mm以下的顆粒含量有了明顯增加。當(dāng)0.15 mm以下細(xì)顆粒含量過多時(shí),會(huì)明顯增加細(xì)顆粒的需水性,從而對(duì)混凝土拌合物的流動(dòng)性產(chǎn)生不利影響。

        圖2 為特細(xì)砂摻量對(duì)細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)影響。隨著摻量增加,細(xì)集料細(xì)度模數(shù)從初始的3.34降低至2.38,摻加特細(xì)砂后,細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)均在中砂(2.3~3.0)范圍內(nèi)。當(dāng)特細(xì)砂摻量為15%、20%時(shí),細(xì)度模數(shù)為2.77、2.60,有利于改善混凝土的工作性能。綜合分計(jì)篩余、累計(jì)篩余及細(xì)度模數(shù)的研究結(jié)果,當(dāng)特細(xì)砂摻量為15%時(shí),細(xì)集料的顆粒級(jí)配達(dá)到了最優(yōu)。

        試驗(yàn)表明,特細(xì)砂與粗砂的復(fù)配,可以實(shí)現(xiàn)兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),降低河砂的粗顆粒含量,增加細(xì)顆粒含量,優(yōu)化細(xì)集料的顆粒級(jí)配,有利于細(xì)集料實(shí)現(xiàn)緊密堆積,減少松散堆積空隙率,提高混凝土的工作性能。

        圖2 特細(xì)砂摻量對(duì)細(xì)集料細(xì)度模數(shù)的影響

        2.2 混凝土的工作性能

        細(xì)集料顆粒級(jí)配實(shí)驗(yàn)表明,15%摻量的特細(xì)砂即可明顯改善細(xì)集料的顆粒級(jí)配。特細(xì)砂復(fù)配前后,混凝土的工作性能對(duì)比見表4。WS0組混凝土拌合物流動(dòng)性差,保水性差,底部有泌水留出,且碎石的漿體包裹量不足,發(fā)生明顯的離析現(xiàn)象,見圖3(a)。采用15%特細(xì)砂與85%河砂復(fù)配的細(xì)集料配制的混凝土(WS1)拌合物的工作性能得到明顯改善,拌合物流動(dòng)性非常好,且黏聚性保水性良好,坍落度達(dá)到240 mm,擴(kuò)展度達(dá)到550 mm,但未發(fā)現(xiàn)泌水、泌漿等問題,見圖3(b)。

        表4 摻15%特細(xì)砂的混凝土工作性能

        圖3 混凝土工作性能對(duì)比

        2.3 混凝土的力學(xué)性能

        特細(xì)砂對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響見圖4。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,有無特細(xì)砂的混凝土抗壓強(qiáng)度均逐漸增大。WS1試件的抗壓強(qiáng)度均高于WS0的抗壓強(qiáng)度,在28 d齡期時(shí),WS1的抗壓強(qiáng)度達(dá)到57.7 MPa,比WS0試件抗壓強(qiáng)度高13.3%。特細(xì)砂的摻加改善了細(xì)集料的顆粒級(jí)配,填充了粗顆粒之間的空隙,提高了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性和密實(shí)性,使得混凝土強(qiáng)度有所增加。

        圖4 摻15%特細(xì)砂的混凝土抗壓強(qiáng)度

        2.4 混凝土的抗氯離子滲透性能

        特細(xì)砂對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能影響見表5。NEL法測(cè)試結(jié)果顯示,WS0試件的56 d抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)為1.09×10-12m2/s,WS1試件的 56 d抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)為0.86×10-12m2/s。兩組試件的滲透性等級(jí)分別為III級(jí)和Ⅳ級(jí),滲透性評(píng)價(jià)分別為中和低。摻加15%的特細(xì)砂,提高了混凝土的抗氯離子滲透性能,這是因?yàn)榧?xì)集料中的細(xì)顆粒適量增加,可降低細(xì)集料的松散堆積空隙率,從而提高了基體的密實(shí)度,改善了混凝土的抗氯離子滲透性能。此外,拌合物良好的工作性,也有助于硬化混凝土耐久性能的提高。

        表5 摻15%特細(xì)砂的混凝土56 d抗氯離子滲透性能

        3 結(jié)語

        (1)采用尾礦特細(xì)砂與天然河砂的復(fù)配,可改善細(xì)集料的顆粒級(jí)配。隨著特細(xì)砂摻量的增加,2.36 mm和1.18 mm的粗顆粒含量明顯降低,且0.3 mm和0.15 mm的細(xì)顆粒含量明顯增加。當(dāng)特細(xì)砂摻量為15%時(shí),細(xì)集料的級(jí)配曲線從I區(qū)改善到II區(qū),細(xì)度模數(shù)從3.34降至2.77,此時(shí),細(xì)集料的顆粒級(jí)配最合理。(2)尾礦特細(xì)砂與天然砂復(fù)配后,混凝土拌合物工作性得到明顯改善,坍落度達(dá)到240 mm,擴(kuò)展度達(dá)到550 mm,且無泌水、離析發(fā)生,拌合物的流動(dòng)性、黏聚性以及保水性均較好。(3)尾礦特細(xì)砂的摻加,提高了混凝土抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能。與粗砂混凝土相比,特細(xì)砂與粗砂復(fù)配的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度提高了13.3%,56 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低了21.1%。細(xì)集料中的細(xì)顆粒適量增加,填充了粗顆粒之間的空隙,可降低細(xì)集料的松散堆積空隙率,從而提高了基體的密實(shí)度。

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