貴州地區(qū)高速公路機(jī)制砂高性能混凝土研究

王國(guó)青++任毅

摘要：結(jié)合貴甕高速公路特點(diǎn)，通過(guò)石粉含量、摻合料摻量?jī)蓚€(gè)因素，對(duì)貴陽(yáng)地區(qū)機(jī)制砂混凝土配合比采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，定量分析粉煤灰摻量和石粉含量對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響，配制出適用于工程實(shí)際使用的優(yōu)良配合比。

Abstract： According to the characteristics of Highway Guiyang-Weng'an， based on the two factors of stone powder content and admixture content， orthogonal design was used to test the mix proportion of the manufactured sand concrete in Guiyang. The effects of fly ash content and stone powder content on the properties of concrete were quantitatively analyzed and the excellent mix proportion suitable for engineering application was worked out.

關(guān)鍵詞：機(jī)制砂混凝土；配合比設(shè)計(jì)；正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

Key words： manufactured sand concrete；mix proportion design；orthogonal design

中圖分類號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）36-0120-03

1 機(jī)制砂混凝土現(xiàn)狀

1.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

首先，目前機(jī)制砂混凝土的設(shè)計(jì)理念相較于河砂混凝土來(lái)說(shuō)相對(duì)匱乏，對(duì)影響機(jī)制砂混凝土各項(xiàng)性能的關(guān)鍵因素的研究還有待進(jìn)一步深入。其次，機(jī)制砂本身的特點(diǎn)也決定了其工作性能較河砂有所欠缺。如何改善機(jī)制砂混凝土工作性，是配制良好的機(jī)制砂混凝土的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 高性能機(jī)制砂混凝土中石粉含量問(wèn)題

目前我國(guó)機(jī)制砂生產(chǎn)規(guī)模小、技術(shù)裝備比較落后。生產(chǎn)的機(jī)制砂片狀較多、粒型較差、含粉量較大，且波動(dòng)大。而某些比較大型機(jī)制砂生產(chǎn)線，采用比較先進(jìn)的設(shè)備，但生產(chǎn)的砂，經(jīng)過(guò)專門設(shè)備除粉后，石粉含量仍可達(dá)7%～8%。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)機(jī)制砂亞甲藍(lán)及石粉含量的限制較為嚴(yán)格，這對(duì)機(jī)制砂的生產(chǎn)工藝提出很高的要求，目前國(guó)內(nèi)對(duì)低標(biāo)號(hào)混凝土中機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土性能的影響有較多的研究，并認(rèn)為較高的石粉含量（一般為15%）對(duì)改善混凝土各項(xiàng)性能是有益的。但就石粉含量對(duì)高強(qiáng)高性能混凝土各項(xiàng)性能影響的研究則較少。隨著混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展，如何最大程度的利用機(jī)制砂，在控制好混凝土質(zhì)量的同時(shí)達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)性，逐漸成為工程技術(shù)人員的一種訴求，因此，對(duì)機(jī)制砂混凝土中石粉含量的研究將顯得尤為重要。

2 機(jī)制砂混凝土研究目的及意義

貴甕高速公路是由中國(guó)交建集團(tuán)在貴州省投資的BOT項(xiàng)目，為典型的山區(qū)高速公路。當(dāng)?shù)靥烊缓由百Y源匱乏，采用長(zhǎng)距離運(yùn)輸將急劇增加成本，因此采用資源豐富、成本相對(duì)較低的機(jī)制砂作為混凝土的細(xì)集料成為首選。因此，利用機(jī)制砂配制混凝土的試驗(yàn)研究就十分必要，它將為在實(shí)際工程中為公司在云貴地區(qū)機(jī)制砂配制高效混凝土提供經(jīng)驗(yàn)參考和依據(jù)。

關(guān)于機(jī)制混凝土的性能，國(guó)內(nèi)外已有廣泛研究。本文利用正交方法設(shè)計(jì)C50預(yù)制T梁混凝土配合比，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，找出合理的目標(biāo)配合比并優(yōu)化，通過(guò)工程應(yīng)用驗(yàn)證其適用性。

3 機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

3.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

①固定基準(zhǔn)配合比，只改變粉煤灰的比列及機(jī)制砂石粉含量，利用正交設(shè)計(jì)分析不同粉煤灰摻量和機(jī)制砂石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土工作性能、強(qiáng)度及耐久性能的影響，同時(shí)結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益，最終確定粉煤灰的最佳摻量及機(jī)制砂石粉含量。

②在確定粉煤灰摻量和最適宜石粉含量后，對(duì)不同水膠比的混凝土各項(xiàng)性能進(jìn)行分析，從而確定滿足工程建設(shè)需要的質(zhì)量過(guò)關(guān)、經(jīng)濟(jì)合理的C50機(jī)制砂混凝土。

3.2 原材料選擇

機(jī)制砂混凝土要達(dá)到良好的耐久性和工作性，相對(duì)于河砂混凝土而言較困難，因此原材料的質(zhì)量控制由顯重要。

3.2.1 水泥

通過(guò)對(duì)貴陽(yáng)海螺和開(kāi)陽(yáng)紫江兩家P·O42.5水泥的比對(duì)試驗(yàn)，再綜合考慮其生產(chǎn)能力和運(yùn)距、價(jià)格，最終確定為貴陽(yáng)海螺P·O42.5水泥。

3.2.2 粗集料

優(yōu)先選擇強(qiáng)度高、密度大、粒型好、有害物質(zhì)少、級(jí)配良好的粗集料，本次配合比設(shè)計(jì)采用龍崗鎮(zhèn)興龍砂石二分廠生產(chǎn)的碎石，由5-10mm碎石與10-20mm碎石復(fù)摻成5-20mm連續(xù)級(jí)配碎石。

3.2.3 細(xì)集料

機(jī)制砂的質(zhì)量的好壞對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響較大，本次配合比設(shè)計(jì)選用粗細(xì)適中、含泥量較小的龍崗鎮(zhèn)興龍砂石二分廠生產(chǎn)的機(jī)制砂，并制備不同的石粉含量（7%、10%、13%）。

3.2.4 粉煤灰

貴陽(yáng)地區(qū)可選用的優(yōu)質(zhì)粉煤灰基本沒(méi)有，本次選用貴州大方火力發(fā)電廠的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰。

3.2.5 減水劑

通過(guò)對(duì)天津飛龍與貴州星恒兩個(gè)廠家的產(chǎn)品的對(duì)比試驗(yàn)以及對(duì)膠凝材料、機(jī)制砂的適應(yīng)性試驗(yàn)，再綜合考慮其經(jīng)濟(jì)性、服務(wù)方便性，最終確定采用貴州星恒的聚羧酸系減水劑。

3.2.6 水

采用當(dāng)?shù)仫嬘盟?/p>

3.3 配合比設(shè)計(jì)

3.3.1 砂率選擇

砂率是否合適對(duì)混凝土各項(xiàng)性能有較大的影響，砂率太低將導(dǎo)致混凝土工作性能下降，甚至出現(xiàn)泌水現(xiàn)象；砂率太高，將不同程度的降低混凝土強(qiáng)度及彈性模量。根據(jù)試驗(yàn)，本次正交設(shè)計(jì)基準(zhǔn)混凝土配合比砂率確定為43%。endprint

3.3.2 因素水平

影響機(jī)制砂混凝土各項(xiàng)性能的原因較多，試配中只考慮原材料方面的原因，即在固定水膠比、膠凝材料總用量、骨料總用量及砂率的情況下，不同粉煤灰摻量和機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土工作性能、強(qiáng)度及耐久性能的影響，詳見(jiàn)表1。

3.3.3 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

按照因素水平表，考慮各因素及其狀態(tài)對(duì)混凝土強(qiáng)度、工作性能和耐久性的影響，依據(jù)具體內(nèi)容，計(jì)算各試驗(yàn)的配合比，并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)，其配合比及試驗(yàn)結(jié)果如表2。

3.3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

配合比設(shè)計(jì)的目的是既要使混凝土具有良好的工作性能，又要保證強(qiáng)度及耐久性滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，本次試驗(yàn)通過(guò)不同因素在不同水平下對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的極差分析，極差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

①影響新拌混凝土坍落度因素的順序?yàn)椋築>A；粉煤灰摻量固定不變，石粉含量超過(guò)7%后，石粉含量越大、坍落度越??；石粉含量固定時(shí)，隨著粉煤灰用量的增加，坍落度隨之增大；若要取得最佳試配坍落度，則取各因素水平組合的最接近值，如選用A3B1組合可得到最大的坍落度。

②機(jī)制砂混凝土擴(kuò)展度的影響因素順序?yàn)椋築>A，當(dāng)粉煤灰摻量不變，石粉含量超過(guò)7%后，擴(kuò)展度出現(xiàn)較為明顯的降低；石粉含量固定不變時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，擴(kuò)展度出現(xiàn)增大現(xiàn)象。如要取得較好的擴(kuò)展度，則應(yīng)組合A3B1。

③機(jī)制砂混凝土早期7d強(qiáng)度的影響因素順序?yàn)椋篈>B，當(dāng)粉煤灰摻量不變，石粉含量超過(guò)7%的時(shí)候，7d抗壓強(qiáng)度隨著石粉含量的增加而降低，特別是當(dāng)石粉含量到13%后；降低較為明顯。當(dāng)機(jī)制砂石粉含量不變，粉煤灰摻量的增加導(dǎo)致7d抗壓強(qiáng)度相應(yīng)降低，若要若要取得較高的早期強(qiáng)度，則應(yīng)選擇粉煤灰摻量較少、機(jī)制砂石粉含量適宜的組合，如A1B1可得到較好的預(yù)期效果。

④機(jī)制砂混凝土28d強(qiáng)度的影響因素順序?yàn)椋築>A，當(dāng)粉煤灰摻量不變，石粉含量超過(guò)7%時(shí)，隨著石粉含量的增加28d抗壓強(qiáng)度隨之降低；機(jī)制砂石粉含量固定不變時(shí)，粉煤灰摻量的增加使28d抗壓強(qiáng)度有所降低，組合A1B2可得到較高的28d抗壓強(qiáng)度。

⑤綜合考慮粉煤灰摻量、機(jī)制砂石粉含量：在固定用水量的情況下，粉煤灰的摻加對(duì)改善混凝土的和易性有良好的效果，同時(shí)石粉的加入產(chǎn)生了互補(bǔ)和疊加效應(yīng)，對(duì)混凝土起到了一定的增強(qiáng)作用。由上述分析可得10%粉煤灰摻量與7%石粉含量的組合下，機(jī)制砂混凝土的和易性和強(qiáng)度均達(dá)到了最佳效果。

3.3.5 混凝土耐久性

不同粉煤灰摻量和石粉含量情況下機(jī)制砂混凝土耐久性數(shù)據(jù)如表4所示。

①?gòu)谋?可以看出，經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后，所有配合比的混凝土質(zhì)量損失率和動(dòng)彈性模量損失率均較??；抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)制砂混凝土抗?jié)B性能較好，滿足不同等級(jí)的抗?jié)B需要。混凝土中粉煤灰的摻入以及石粉含量的變化對(duì)抗凍性和抗?jié)B性均無(wú)太大的影響。

②從圖1可以看出，不同齡期混凝土的干縮率以7%石粉含量為分界點(diǎn)，小于7%時(shí)，干縮率隨石粉含量增加而增大，超過(guò)7%后，各齡期混凝土干縮率隨著石粉含量增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

③從圖2可以看出，粉煤灰的摻入有效降低了混凝土的干縮，尤其在摻量為10%的時(shí)候效果尤為明顯。

3.3.6 驗(yàn)證優(yōu)化配合比

在確定粉煤灰摻量及最佳機(jī)制砂石粉含量后，考慮不同水膠比下混凝土強(qiáng)度、抗壓彈性模量、抗?jié)B性，選出適合本工程T梁預(yù)制的最佳C50混凝土配比。配合比設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表5，優(yōu)化配合比方案及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6的試驗(yàn)結(jié)果可以得出：①3個(gè)方案的坍落度均滿足設(shè)計(jì)要求，但方案1的擴(kuò)展度不滿足要求；②方案1、2的抗壓強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，但方案2更經(jīng)濟(jì)合理；③3個(gè)方案的抗壓彈性模量、抗?jié)B性相差不大，均滿足設(shè)計(jì)要求；④綜合考慮混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能，最終確定方案2作為本工程T梁預(yù)制的混凝土配合比。

3.3.7 工程實(shí)體應(yīng)用

①上述方案2混凝土配合比在工程實(shí)際應(yīng)用中，拌制的混凝土各項(xiàng)工作性能良好，早期5d強(qiáng)度就能滿足張拉要求，28d強(qiáng)度較高，混凝土構(gòu)件實(shí)體外觀質(zhì)量良好，未出現(xiàn)明顯蜂窩、麻面，氣泡較少。在有效利用粉煤灰和機(jī)制砂的情況下，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效應(yīng)，為公司進(jìn)取云貴地區(qū)建筑市場(chǎng)提供扎實(shí)的技術(shù)支持。

②由于貴陽(yáng)本地區(qū)無(wú)河砂資源，只能由外地區(qū)運(yùn)輸過(guò)來(lái)，成本較高，價(jià)格一般在100～110元/噸左右，而當(dāng)?shù)貦C(jī)制砂價(jià)格約60元/噸，價(jià)格相差近45元/噸。根據(jù)試驗(yàn)研究機(jī)制砂混凝土同樣可以達(dá)到很好的效果，如上文的C50混凝土配合比計(jì)算，使用機(jī)制砂后單方混凝土成本可節(jié)約35元左右。

3.4 結(jié)論

①機(jī)制砂混凝土中適宜的粉煤灰摻量可以與一定量的石粉產(chǎn)生一定互補(bǔ)、疊加效應(yīng)，不但可以很好的改善混凝土工作性能，同時(shí)強(qiáng)度及耐久性能仍能得到保證。

②機(jī)制砂混凝土中適宜的石粉含量對(duì)工作性能和力學(xué)性能是有益的。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，仍應(yīng)嚴(yán)格控制其含量，當(dāng)超過(guò)10%后，對(duì)混凝土的各項(xiàng)性能均有不同程度的損害。

③在適宜的石粉含量和粉煤灰摻量的情況下，機(jī)制砂混凝土仍具有較高抗壓彈性模量和較好的抗?jié)B性能。

④在缺少天然河砂的情況下，通過(guò)機(jī)制砂混凝土的研究應(yīng)用，仍能得到良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

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