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        機制砂混凝土配合比優化設計

        時間:2020-03-16 14:19 編輯:中華沙子網 點擊量:

        隨著建筑工程的日益增多,建筑用砂量呈現逐年遞增趨勢。天然砂,作為建筑用砂中比例最大的砂材,卻具有短時間內不可再生資源的屬性,很多地區如今已經面臨天然砂匱乏的問題,砂荒現象時有發生。在建筑行業的飛速發展,天然砂急劇匱乏的情況下,機制砂在許多地域開始大量推廣。然而,當機制砂代替天然砂成為常用細骨料材料后,混凝土出現了有許多天然砂混凝土不曾有過的性能特性,按照天然砂的使用方法應用機制砂,會使混凝土出現諸多不良現象,從而使得混凝土在生產施工過程中飽受批評,由此引發的各種工程事故,也讓大多數混凝土供應商對機制砂產生了抵觸心理。根據調查,在一些天然砂資源目前尚可的地方,混凝土商們完全拒絕使用機制砂。而對于天然砂匱乏的地方,混凝土商們也努力向周邊還有天然砂的地區采購,即使運輸價格昂貴,也在所不惜。

        由此可見,機制砂的推廣仍然受到嚴重阻礙。究其根源,還是機制砂混凝土性能受影響的問題沒有得到解決。因此,如何設計出合理的配合比,從而獲得性能理想的機制砂混凝土,是解決問題的關鍵。

        1 機制砂對混凝土性能影響

        機制砂主要來源于碎石生產,是石塊經數次破碎、分篩、沖洗,分離出各粒徑的成品碎石后的下腳料。機制砂由機械加工而來,相比而言,天然河砂由于常年的摩擦腐蝕使得它的表面十分光滑棱角少,而機制砂則由于機械外力作用使得它的表面粗糙棱角較多,其粗糙的表面有利于機制砂相互之間的咬合,但是由于機制砂棱角較多也會大大的增加機制砂之間空隙,降低了機制砂的密實程度,這些性能會直接影響到機制砂混凝土的和易性和強度。

        機制砂在生產過程中會產生一定量的石粉,這便是機制砂與天然砂的不同點之一,石粉含量的高低,可以影響機制砂的物理性能,例如機制砂的細度模數、堆積密度、比表面積。適量的石粉對機制砂混凝土是有益的,可以改善混凝土的和易性,通過提高混凝土密實度從而提高混凝土強度及耐久性。但石粉含量并不是越高越好,石粉過量會使得混凝土需水量增加,整體工作性能變差,進而會使得機制砂混凝土整體強度的降低,耐久性能變差。

        根據筆者調查,在商品混凝土攪拌站的實際生產中,純機制砂混凝土往往因為性能不理想而很少使用。又因為機制砂生產廠家生產工藝、設備、技術水平等的參差不齊,使得機制砂在材料進場檢測中,常出現石粉含量、細度模數等指標的較大波動,在這些情況下,如果僅僅把機制砂作為全部的細骨料去使用,很容易導致混凝土狀態偏差嚴重,影響混凝土質量。

        因此,在機制砂實際應用中,基本都以機制砂搭配天然細砂,形成混合細骨料后再進行生產。這種混合細骨料的生產模式,能得到級配合理的砂材,操作也比較靈活簡單,對混凝土質量的穩定性也容易控制,從而保證機制砂混凝土的有序生產。

        2 機制砂混凝土配合比優化理論研究

        由JGJ55-2011普通混凝土配合比設計規程中可以看出,普通混凝土設計中,最主要的三個參數為:水膠比,用水量,砂率。這三個參數與混凝土的性能密切相關。例如:水膠比與混凝土強度、耐久性有關,用水量與混凝土的流動性相關,砂率則與混凝土粘聚性保水性密切相關。

        機制砂作為一種比較特殊的砂材,具備類似膠材顆粒級別的石粉,又同時具有遠高于普通天然砂的細度模數,正是因為這種兩頭粒徑極端的現象,使得機制砂的性能能同時影響到配合比中水灰比、用水量、砂率這三個主要參數的設定,同時,由于機制砂及機制砂混凝土的特殊性,僅僅通過三個普通配合比中的參數來控制,明顯有些不夠,還應該設立更多的參數來合理優化機制砂混凝土配合比。因此,機制砂混凝土配合比優化理論的研究中,主要從以下幾點探索:

        (1)由于石粉的存在,使得混凝土中粉狀級別的材料總量,從常規的水泥+礦粉+粉煤灰,演變成了水泥+礦粉+粉煤灰+石粉,在這種情況下,由于粉料群的比表面積的擴大,使得粉料相應的需水量大大提高,進而影響混凝土整體用水量,影響水灰比。

        (2)由于機制砂的強度效果高于天然砂,同等水灰比下,機制砂混凝土強度具有明顯富余,因此,在不影響設計強度的情況下,適當提高水灰比,可以通過提高用水量,或者減少膠凝材料用量,來達到目的。

        (3)由于機制砂細度模數較高,且粒徑較大的部分占比多,作為細集料的級配上,缺陷比較明顯,但是,機制砂的大粒徑顆粒,可以近似看作,給碎石骨料增加了一級較小碎石的級配,使得碎石的級配層次更加完美。因此,砂率的優化調整也是整個混凝土和易性好的關鍵。

        (4)鑒于機制砂的特性可知,機制砂的自身物理性能指標,能對混凝土產生較大的影響,與水灰比、膠凝材料用量、砂率三者息息相關,因此,機制砂物理特性也是優化混凝土配合比的重要參數之一。

        (5)外加劑作為混凝土中的重要組成部分,對混凝土的和易性、強度等方面有直接的影響,因為,機制砂混凝土的外加劑性能參數,也是優化配合比的一個重要方面。

        2.1 用水量參數的優化研究

        相比天然砂混凝土,機制砂混凝土最大的優勢是強度,絕大多數情況下,機制砂混凝土的強度都能超出天然砂混凝土強度,且高出混凝土設計強度許多,因此,筆者認為可以適當“犧牲”掉機制砂混凝土的這部分富余強度。

        提升混凝土用水量,提高混凝土水灰比,雖然使得強度下降,但可以增強拌合物的和易性,使其工作性能提高。

        在此思路下,設計配合比調整方案見表1。機制砂混凝土配合比中用水量調整后,混凝土性能結果對比見表1與圖1,圖2。

        表1 C20~C40 機制砂混凝土調整用水量試驗

        圖1 用水量調整后的坍落度對比

         

        圖2 用水量調整后的28d強度對比
         

        從表1、圖1與圖2中可以看出,對于C20~C40機制砂混凝土,增加5~8kg的用水量后,混凝土坍落度均有明顯增加,從試驗現場看,混凝土的流動性得到明顯提高,具有較好的泵送性能。加水后,抗壓強度確實均有下降,但只是造成了約1.5MPa左右的強度下降幅度,筆者認為在滿足設計強度要求的前提下,這點強度的犧牲是可以接受的。由上述效果可知,機制砂混凝土配合比設計時,與普通混凝土相比,在保持膠凝材料不變的情況下,每方機制砂混凝土可以提高5~8kg的用水量,相對應的水灰比約增加0.01~0.03,強度約下降1.2~1.6MPa。

        2.2 膠凝材料用量參數的優化研究

        石粉因其粒徑細度近似膠凝材料,且部分石粉(石灰石石粉)具有一定活性,再加上石粉對混凝土結構起到填充密實效果,所以可以考慮用石粉來替代一部分膠凝材料。在試驗中,因為考慮到礦粉和煤灰的早期強度不高,以及活性可能略低于水泥,故而在石粉替代膠材的時候,盡量替代礦粉和粉煤灰數量,保持水泥用量不變。具體方法為:在石粉添加之后,逐步減少粉煤灰和礦粉的用量,最后達到石粉等量取代粉煤灰和礦粉的用量。調整后配比見表2。

        表2 C30混凝土石粉替代膠凝材料的試驗


         

        上述試驗中,水粉比=水/(水泥+FA+SL+石粉),通過試驗可以看出,水粉比對混凝土強度的影響,明顯不同于水灰比的線性影響規律,水灰比對強度的影響顯得雜亂無章,其主要原因是,由石粉增加而導致的粉料總量增加,其對強度的增加效果,不如膠凝材料總量那么明顯。因此,從上述試驗可以看出,盡管石粉具有諸多有利于強度的優點,但實際中并不能起到大量替代膠凝材料的效果,根據試驗效果,機制砂中石粉,能取代5~15kg的膠凝材料用量,其取代的極限數據是15kg。

        從試驗中坍落度可看出,由于石粉的需水量低于膠凝材料,且在混凝土中具有一定滾珠效應,使得石粉在替代部分膠凝材料后,混凝土坍落度得略微到提升。

        2.3 砂率參數的優化研究

        配合比設計中的砂率,是影響混凝土工作性能的重要參數,由于砂率的變化,直接導致混凝土需水量的變化,對混凝土強度也有很大程度的影響。

        本節對比了機制砂混凝土和天然中砂混凝土,在達到相同和易性的前提下,混凝土砂率的變化,如表3和表4。

        表3 C25 機制砂混凝土砂率對和易性的影響


         

        表4 C40 機制砂混凝土砂率對和易性的影響


         

        通過表3和表4可以得出結論,為達到相同和易性,機制砂混凝土相比天然砂混凝土要高出2%~3%的砂率。分析其主要原因,應該是由于機制砂在顆粒形貌上包含大量不規則棱角,影響了水泥漿體對粗細骨料的包裹效果。又因為機制砂細度模數偏大且級配較差,混凝土層次感比較差,使得漿骨分離等現象容易發生。

        2.4 機制砂物理性能參數的優化研究

        在實驗室情況下,尤其是在一段時間范圍內,機制砂作為試驗材料,必然是相對恒定且穩定的,把機制砂性能作為混凝土配合比設計中的一個參數,似乎顯得不重要。然而,面對實際生產來說,機制砂性能很容易出現不穩定的情況。在筆者調查研究的許多商品混凝土攪拌站,機制砂進場時的性能指標,尤其是石粉含量和細度模數這兩個指標,經常出現較大波動,這給機制砂混凝土性能帶來很大差異。因此,筆者認為,機制砂物理性能參數的實際情況,是配合比在設計時,需要優化調整的一個重要的參數。

        2.4.1 石粉含量變化時配合比優化方法研究

        由于生產廠家工藝、設備、控制等方面的差異不同,機制砂在生產過程中石粉含量難免不穩定,致使商品混凝土攪拌站很難用上長期穩定石粉含量的機制砂,而石粉含量對混凝土的性能有至關重要的作用,所以,需要商品混凝土攪拌站在使用機制砂時,時刻監控石粉含量,當機制砂中石粉含量發生變化時,靈活對配合比相關參數進行優化。經本試驗研究,配合比參數優化方法和試驗效果見表5。

        表5 C30 混凝土石粉含量變化時配合比優化試驗


         

        從表5可看出,對于C30機制砂混凝土,當石粉的含量發生變化時,通過調整細骨料中機制砂與天然細砂的比例,可以達到優化混凝土的效果,具體為:當石粉含量在3%~9%范圍內變化時,石粉含量每增加1%,細骨料中機制砂的比例提高約7%~8%。

        2.4.2 機制砂細度模數變化時配合比優化方法研究

        砂的細度模數是影響混凝土和易性的重要指標,相比于天然砂,機制砂的細度模數偏高,且級配較差,當機制砂和天然砂混合后,更增加了細骨料細度模數的復雜變化,故而當機制砂材料進場的時候,細度模數也成為嚴格檢驗的指標之一,由于機制砂細度模數發生變化,引起細骨料整體細度模數變化,則混凝土配合比需要進行調整優化才可應對。經本試驗研究,配合比參數優化方法和試驗效果見表6。

        表6 C30混凝土細度模數變化時配合比優化試驗


         

        由試驗結果看出,對于C30機制砂混凝土,機制砂細度模數在3.0~3.8范圍內時,細度模數每增加0.2,配合比中的砂率應提高1%~2%,從而使機制砂混凝土滿足設計要求。

        2.5 機制砂混凝土專用外加劑參數的優化

        外加劑作為混凝土中重要的添加材料,對混凝土的性能往往起著關鍵性的作用,外加劑能有效影響混凝土的和易性、強度等方面的性能,對改善優化機制砂混凝土的性能可以起到一定的效果。

        在混凝土所有材料中,砂石、膠凝材料相對而言基本難以變化,而外加劑是具有可靈活調整的特性,因此,在單方混凝土中,外加劑用量不變的情況下,如果能通過改善外加劑的性能,使得外加劑更加適應機制砂混凝土,雖然看起來整體配合比在數據上沒有發生變化,但混凝土實際上性能得到了優化。

        設立機制砂混凝土專用外加劑,通過合理的復配,使該外加劑專門針對機制砂混凝土的性能做出相應的優化,滿足機制砂混凝土在實際生產中的應用。

        機制砂混凝土專用外加劑研發思路:

        思路一:超臨界值引氣型混凝土外加劑

        該外加劑通過復配引氣成分,使得混凝土的含氣量提升,由于氣泡的存在,混凝土在和易性方面有較好的改善,流動性、坍落度有明顯提升。但是,超量的引氣,又會導致混凝土強度下降,因此,該引氣型外加劑,必須結合機制砂給混凝土強度帶來一定富余值的基礎上,適當添加引氣而降低這部分強度的富余,換取混凝土和易性的改善。

        思路二:增強型減水劑

        該外加劑通過常規減水劑和減膠劑復配而成。由于減膠劑具備一定增強混凝土強度的效果,減膠劑引入混凝土中的原本目的是為了節省膠凝材料用量,作為機制砂混凝土專用外加劑,在減水劑中引入減膠劑成分,同配比下,可以增加混凝土的強度。然后,用為改善機制砂混凝土和易性而不得提高的用水量,來“犧牲”掉這部分強度,進而使得機制砂混凝土在保證強度的同時,提高了工作性能。

        思路三:聚羧酸外加劑與調節劑小料的復配型外加劑

        總所周知的,聚羧酸外加劑作為新型第三代外加劑,有著萘系等第二代外加劑不可比擬的減水、保坍等效果優勢,但聚羧酸外加劑在復配上,往往沒有很好的可與之匹配的復配材料。通過對一些復配小料的研究,能夠使得聚羧酸在機制砂中發揮出1加1大于2的更好效果,這種外加劑,必將使得聚羧酸在機制砂混凝土中的應用范圍更廣。

        2.6 機制砂混凝土配合比優化設計理論小結

        通過上述研究,可以看出,機制砂混凝土配合比的優化,需要在普通配合比設計的基礎上,提出以下5個參數:用水量、膠凝材料用量、砂率、機制砂物理性能、機制砂專用外加劑性能。通過對這5個參數的優化,綜合搭配,才能完成對機制砂混凝土配合比的合理優化。

        3 機制砂混凝土配合比優化設計方法驗證

        根據上節優化理論的研究,對中低強度(C20-C40)機制砂混凝土進行配合比優化,設計出實用配合比后進行試驗驗證。

        3.1 試驗材料

        水泥:江西萬年青42.5普通硅酸鹽水泥;粉煤灰:F類Ⅱ級粉煤灰;礦粉:S95級礦渣粉;機制砂:細度模數3.4,石粉含量6%;天然細砂:贛昌河砂,細度模數1.6;碎石:江西高安某礦山所產碎石;外加劑:ZX-101J型高效減水劑,南昌卓鑫實業有限公司生產。

        3.2 C20-C40機制砂混凝土配合比

        試驗中混合細骨料中機制砂摻量設定為70%~80%,其中C20~C30為70%,C35~C40為80%,混凝土設計坍落值為(160±30)mm。設計后配合比如表7。

        表7 C20~C40機制砂(機制砂石粉含量6%)混凝土配合比


         

        3.3 試驗結果

        C20-C40混凝土和易性及抗壓強度試驗結果如8。

        表8 C20~C40機制砂(機制砂石粉含量6%)混凝土強度及和易性


         

        通過表8可以看出,按照優化后的配合比進行試驗,各組混凝土和易性良好,試驗中目測基本沒有泌水、離析、骨料分離等不良現象出現,混凝土在坍落度和擴展度方面均達到理想設計,流動性能良好,適宜泵送,混凝土工作性能驗證合格。各標號的混凝土抗壓強度均滿足設計要求,強度驗證合格。試驗結果基本可以驗證上述配合比優化設計理論的成功。

        4 小結

        通過對機制砂和機制砂砼的性能研究,結合普通混凝土設計規程,提出機制砂混凝土配合比優化理論中的5項參數:用水量、膠凝材料用量、砂率、機制砂物理性能、機制砂專用外加劑,重點研究了各參數的優化方式,得出了詳細調整的數據,設計出了C20~C40標號的機制砂混凝土,經過試驗驗證,證明了機制砂混凝土配合比優化設計理論的可行性。



         

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