高强沙漠砂混凝土论文（通用4篇）
高强沙漠砂混凝土论文 篇1
1、引言
随着国民经济的发展和城市化进程的加速, 高层建筑不断涌现, 房屋密度加大;同时随着建筑业的现代化, 工程结构朝更高、更长、更深方向发展;并且由于混凝土自重大, 脆性大和强度 (尤其是抗拉强度) 低, 影响和限制了它的使用范围。同时, 对于低强度的混凝土, 在满足相同功能时用量较大, 这加剧了对自然资源和能源的消耗, 另外也增加了废气和粉尘的排放, 增大了对能源的需求和环境的污染。这对高强沙漠砂混凝土的力学性能提出了新的要求。
目前, 国内的很多有关学者在不断关注沙漠砂混凝土并一直在做相关的研究。张国学[1]等分析了腾格里沙漠砂化学组成成分及物理性质, 确定了沙漠砂的工程性质。宋建夏[2]等对腾格里沙漠砂混凝土进行了研究, 找出了沙漠砂最优掺量, 并且进行高强沙漠砂混凝土的试配, 得出用沙漠砂配制C60混凝土可行的。张财[3]等针对阿尔及利亚境内的非洲撒哈拉沙漠特细砂进行了混凝土配合比应用研究。李敏[4]等对受火后的混凝土试件进行了抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度试验, 讨论温度、强度等级、试件尺寸、含水量对其高温后力学性能的影响。与此同时, 国外的一些研究者也在不断关注高强混凝土, 从1824年英国泥水匠Joseph Aspdin[5]发明波特兰水泥, 混凝土材料的强度等级经历了低强度、中等强度、高强度乃至超高强度的发展历程。1995年, C. Hua, X. Gruz [6]等人, 就开始研究特细砂混凝土板的制造工艺。通过在特细砂拌合中加入合适的添加剂, 得到了良好的“成本/强度”比。国外Tien-Tung Ngo, EI-Hadj Kadri[7,8,9]等人, 也研究了特细砂体积所占混凝土比例对拌合物边界组成的影响关系, 从而来达到优化特细砂混凝土泵送性能的目的。
为了更好的分析高强沙漠砂混凝土的力学性能, 笔者在前人研究的基础上, 从粉煤灰掺量、沙漠砂替代率和水胶比3个因素总结归纳分析其对高强沙漠砂混凝土的力学性能的影响。下面我们简单描述下近年来, 国内外关于高强沙漠砂混凝土的力学性能的分
2、粉煤灰掺量对高强沙漠砂混凝土性能的影响
粉煤灰是火力发电厂排放的副产品之一, 它是一种工业废料, 若处理不当将对环境造成严重污染。然而, 在普通混凝土拌合物中掺加粉煤灰可以代替相同质量或体积的水泥, 对其进行加工处理而成为一种建筑材料。它不仅可以废物利用, 而且经研究证实, 它可有效地改善混凝土的和易性, 显著提高混凝土的后期强度, 在改善混凝土性能方面起着重要作用, 对于保护环境、节省资源方面有很大的社会、经济效益。
2.1 粉煤灰对混凝土工作性能的影响
混凝土拌合物在施工过程中容易运输、泵送、浇注、振捣, 不产生组分离析, 易抹平, 且获得体积稳定、结构密实的混凝土的性质即是混凝土的工作性。而粉煤灰混凝土的工作性对混凝土施工有着重要的影响, 混凝土工作性的优劣直接影响着混凝土强度和混凝土耐久性、抗冻性和抗渗性[10]。
在粉煤灰对混凝土工作性能的影响方面, 王彦君[11]等通过试验研究分析了掺粉煤灰的量对混凝土和易性、需水量、坍落度、泌水、凝结时间、水化热的影响。研究表明, 掺粉煤灰的混凝土其早期强度比普通混凝土明显降低, 但和不掺加粉煤灰的普通混凝土相比, 在混凝土中掺入适量合格的粉煤灰, 可以改善混凝土和易性, 可降低粉煤灰混凝土的单位用水量。在气温较高条件下混凝土中掺人大量的粉煤灰可以显著减少新拌混凝土的塌落度损失。同时, 在混凝土中掺入大量的粉煤灰可以弥补混凝土中水泥用量和细集料中细粉部分的不足, 堵截泌水的通道和保水性是十分有利的[12]。同时也使混凝土强度的长期性能在一定程度上得到改善, 对延长结构物的使用寿命有重要意义。
2.2 粉煤灰对混凝土力学性能的影响
强度指标、弹性模量等是衡量混凝土的优劣的力学性能, 而其中最重要的力学性能是强度指标。一般用混凝土的7d和28d的劈拉强度以及抗压强度当做衡量混凝土力学性能是否合格的最为关键的指标。
袁承斌[13]等通过试验研究分析了粉煤灰适量掺量对混凝土性能的影响, 其研究结果表明:当粉煤灰的掺量较小时对混凝土的早期强度影响不大, 而当掺量较大时混凝土的早期强度将会显著降低, 后期强度增长较快, 且当粉煤灰取代量w为15%时, 能明显提高混凝土强度。掺加粉煤灰后的混凝土, 与抗压强度相比, 抗拉强度的增长幅度相对较大。与普通混凝土比, 掺加粉煤灰后的混凝土弹性模量更大, 同时其随粉煤灰的掺量增加而减小[10]。
2.3 粉煤灰对高强沙漠砂混凝土力学性能的影响
有研究表明, 在普通砂中掺入沙漠砂作为细骨料配置混凝土, 也可满足其抗压强度和工作性能要求, 同时在其中加入粉煤灰来代替部分的水泥, 这样不仅能改善混凝土的工作性, 还可降低工程成本[14]。
在粉煤灰对高强沙漠砂混凝劈裂拉伸强度和抗压强度的影响研究方面, 付杰[15]等通过试验研究分析粉煤灰掺量对高强沙漠砂混凝土28d抗压强度和劈裂拉伸强度影响规律, 这为混凝土力学性能的研究提供一条新的思路。其研究结果表明, 高强沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度和抗压强度随着粉煤灰掺量的增加而先增大后减小, 当粉煤灰掺量达15%时, 高强沙漠砂混凝土抗压强度和劈裂拉伸强度达到最大值。陈云龙[16]等通过正交试验研究分析粉煤灰掺量对不同龄期高强混凝土抗压强度影响, 研究表明, 粉煤灰掺量在各个阶段对高强混凝土抗压强度均有明显的影响, 当粉煤灰掺量为达10%时对高强混凝土最为有利, 但在早期和后期对混凝土强度提高的作用机理并不相同。
3、沙漠砂替代率对高强沙漠砂混凝土的影响
在沙漠砂替代率对高强混凝土性能的影响方面, 刘海峰[17]等通过单因素实验, 在水胶比、砂率和外加剂掺量不变的情况下, 研究不同沙地砂替代率对高强混凝土抗压强度的影响规律, 同时用其应力-应变曲线研究沙地砂替代率对高强混凝土韧性和抵抗变形能力的影响。其研究结果显示, 1) 考虑沙地砂对高强混凝土抗压强度、抵抗变形能力和韧性影响, 沙地砂的最优替代率为0%-40%;2) 沙地砂替代率对高强混凝土抗压强度影响随着龄期的增加逐渐减弱, 当龄期超过56d其对强度的影响不明显。杨维武[18]等通过试验研究了沙漠砂替代率对高强混凝土抗压强度影响, 他们研究了保持水胶比、粉煤灰掺量和砂率不变, 通过单因素实验, 进一步研究不同沙漠砂替代率对高强混凝土抗压强度的影响规律。研究结果表明:通过考虑正交试验和单因素试验中沙漠砂替代率对高强混凝土抗压强度的影响, 最终得出沙漠砂高强混凝土中沙漠砂的最佳替代率为20%。
在沙漠砂替代率对高强沙漠砂混凝土性能影响方面, 杨登等[19]等通过试验研究分析沙漠砂替代率对高强沙漠砂混凝土28d劈裂拉伸强度和抗压强度的影响规律。试验研究表明: 随着沙漠砂替代率的提高, 高强沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度和抗压强度均呈现先增大后减小趋势, 而当沙漠砂替代率为20%时, 对于提高高强沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度和抗压强度最为有效。
4、水胶比对高强沙漠砂混凝土的影响
水胶比[水/ (水泥+矿物掺合料) ]是近年来发展高强混凝土 (HSC) 和高性能混凝土 (HPC) 提出的[20]。混凝土中用水量与胶凝材料用量的质量比称为水胶比。水胶比的大小与混凝土的强度、耐久性、和易性有着千丝万缕的联系[21]。
在水胶比对混凝土性能的影响方面, 高雪超[22]等通过试验研究分析水胶比的变化对混凝土强度的影响, 研究结果发现水胶比增大, 混凝土强度降低;水胶比减小, 混凝土强度增加。而杨怡[23]通过试验研究不同水胶比条件下钢纤维混凝土物理性能、抗压强度以及抗冻性的变化, 试验结果表明, 水胶比增大可提高钢纤维混凝土的抗压强度, 而对混凝土的抗冻性产生负面影响, 存在一个最佳值使混凝土的密实性最优。由上可知, 在混凝土配合比过程中, 水胶比并不是越大越好, 应该综合考虑, 合理优化。
而在水胶比、粉煤灰掺量、砂率和沙漠砂替代率对高强沙漠砂混凝土性能的影响方面, 刘海峰[24]等通过正交试验, 研究分析水胶比、粉煤灰掺量、砂率和沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土7d、28d、56d抗压强度和28d劈裂拉伸强度的影响, 通过极差分析和方差分析确定了沙漠砂混凝土的最优配合比。他的试验研究表明:综合考虑沙漠砂混凝土7d、28d、56d抗压强度和28d劈裂拉伸强度, 沙漠砂混凝土的最优配合比为水胶比为0.34、粉煤灰掺量10%、砂率30%、沙漠砂取代率30%。田帅等同样通过正交试验, 而保持砂率35%不变, 通过单因素试验研究分析水胶比、粉煤灰掺量和沙漠砂替代率对室温、200℃、400℃、600℃、800℃和900℃高温后沙漠砂高强混凝土抗压强度的影响, 通过极差分析和方差分析确定了沙漠砂高强混凝土的最佳组合。其试验研究表明:高强沙漠砂混凝土的最佳组合为水胶比0.28、粉煤灰掺量10%、沙漠砂取代率30%[25]。
综上所述, 当水胶比为0.28-0.34, 粉煤灰掺量为15%, 沙漠砂替代率为20%-30%时, 对于提高高强沙漠砂混凝土力学性能最为有利。
5、结语
高强沙漠砂混凝土是近年来应用较为广泛的建筑材料。由于其在建筑中表现出的优越的力学性能, 致使其成为了国内外工程界关注的对象。本文通过系统总结介绍粉煤灰掺量、沙漠砂替代率及水胶比对高强沙漠砂混凝土工作性能及力学性能的影响, 并总结分析了粉煤灰掺量、沙漠砂替代率及水胶比的最佳配合比, 在一定程度上为今后高强沙漠混凝土性能研究提供相应的理论及应用依据。
摘要：本文围绕高强沙漠砂混凝土展开了相关研究, 通过描述国外关于高强沙漠砂混凝土的综述, 归纳总结了水胶比, 粉煤灰掺量和沙漠砂替代率对高强沙漠砂混凝土力学性能的影响, 希望为高强沙漠砂混凝土在今后的工程应用中做贡献。
关键词：沙漠砂混凝土,水胶比,粉煤灰掺量,替代率
高强沙漠砂混凝土论文 篇2
关键词：毛乌素沙漠砂,高强混凝土,正交试验,单因素实验
高强混凝土作为一种新型的建筑材料, 以其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低、良好的密实性能和优于普通混凝土的抗渗、抗冻性能, 在高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构中得到广泛的应用。
我国是沙漠比较多的国家之一, 沙漠总面积约1.73×106km2, 约占全国土地面积的18%左右;而且我国沙漠化土地面积在不断加大———20世纪70年代全国沙化面积每年扩展1 560 km2, 90年代末每年以3 436 km2的速度扩展, 造成巨大的经济损失[1]。随着西部地区基本建设规模不断扩大, 工程用砂需求也越来越大, 尤其在沙漠地区和沙地地区, 工程用砂的采购和运费居高不下, 增加了建设成本。如果能够利用沙漠砂替代部分建筑用砂制备出适合于工程应用的混凝土, 对于降低工程造价、保护当地环境和合理开发利用自然资源都具有重要意义。
目前, 国内外研究者对沙漠砂的工程应用进行了许多研究。杨红霞等[2]对陕北毛乌素沙地特细砂混凝土的性能进行了研究, 发现陕北沙漠特细砂混凝土配合比设计宜采用低砂率、低水泥用量、低塌落度。张国学等[3]通过实验研究发现沙漠砂可以作为工程用砂, 配制应用于一般土木工程的抹面砂浆和混凝土。张德媛[4]对毛乌素沙漠风积砂的工程物理特性进行研究。张财等[5]针对阿尔及利亚境内的非洲撒哈拉沙漠特细砂进行了混凝土配合比应用研究。宋建夏等[6]研究了沙漠砂对混凝土力学性能的影响, 但针对沙漠砂替代率对沙漠砂高强混凝土抗压强度的影响研究目前还没有相关的文献报道。
本文通过设计正交试验, 考虑水胶比、粉煤灰掺量、砂率和沙漠砂替代率这4个因素, 每个因素取3个水平, 分析这些因素对高强混凝土抗压强度的影响。在正交试验基础上, 设计单因素实验, 研究不同沙漠砂替代率对高强混凝土抗压强度的影响, 为沙漠砂在工程中的应用提供指导和借鉴。
1 实验材料
1.1 水泥
水泥采用宁夏赛马厂生产的强度等级为P.O42.5R的普通硅酸盐早强水泥。其性能指标经测定水泥细度为4.7%, 标准稠度用水量28%, 其初凝时间135 min;终凝时间174 min, 3 d和28 d抗折强度分别为6.6 MPa、8.7 MPa;3 d和28 d抗压强度分别为33.4 MPa、54.8 MPa, 安定性测定合格。
1.2 细骨料
1.2.1 中砂
中砂是产自宁夏镇北堡的人工水洗砂, 其表观密度2 636 kg/m3, 堆积密度1 570 kg/m3, 孔隙率41.9%, 含泥量0.6%, 细度模数为2.95, 各指标均符合国家标准。
1.2.2 沙漠砂
沙漠砂是来自宁夏盐池毛乌素沙地特细砂, 表观密度为2 624 kg/m3, 堆积密度为1 400 kg/m3, 孔隙率40.95%, 含泥量0.14%, 烧失量2.9%。细度模数为0.194。其化学成分如表1所示。
1.3 粗骨料
粗骨料是宁夏镇北堡生产的机械碎石, 最大粒径25 mm, 针片颗粒含量9.5%, 表观密度和堆积密度分别为2 698 kg/m3和1 430 kg/m3, 孔隙率47%, 含泥量0.78%, 其压碎指标8.6%。各项性能指标符合国家标准规范要求。
1.4 粉煤灰
粉煤灰是宁夏大坝电厂生产的I级粉煤灰, 含水率0.2%, 45μm筛余细度9.2%, 需水比94%, 活性指数达到72.3%, 烧失量2.8%。
1.5 减水剂
减水剂是北京幕湖外加剂有限公司生产的粉末状聚羧酸系高性能减水剂, 减水率高达25%~30%以上, 硫酸钠含量低于3%。
1.6 水
实验拌合水及养护水均采用自来水。
2 正交实验
混凝土的强度设计标准值为C60, 为了研究水胶比、粉煤灰掺量、砂率和沙漠砂替代率对高强混凝土抗压强度的影响, 减少试验次数, 设计4因素3水平L9 (34) 正交实验。正交因素水平表如表2所示。根据《高强混凝土应用技术规程》要求[7], 确定高强混凝土配合比, 减水剂用量为胶凝材料用量的0.4%。
为了将掺粉煤灰、沙漠砂高强混凝土抗压强度与高强度混凝土抗压强度进行对比, 将高强混凝土作为基准组与上述正交试验进行整合, 具体实验方案如表3所示。
实验采用100 mm×100 mm×100 mm立方体试件, 试件制作与加工符合相关规定, 制作完成24 h后脱模将试件养护在温度为 (20±2) ℃的养护池中, 达到实验所需龄期时, 在万能试验机上测试其7d和28 d抗压强度。
为消除实验中偶然因素对实验结果影响, 每个龄期的每组试块均制备5块, 在强度测试时先测试其中3块强度值, 如发现3个测值中的最大值或最小值有一个与中间值的差值超过中间值15%[8], 则测试另外2块的强度, 剔除异常数据后取其平均值作为该组试块的平均抗压强度。实验结果如表4所示。
对正交实验结果进行极差分析, 结果如表5和图1~图2所示。
由表5及图1~图2可知, 对于沙漠砂高强混凝土7 d抗压强度, 各因素的影响顺序为:粉煤灰掺量B>水胶比A>砂率C>沙漠砂替代率D, 其最优配合比为:A1 B1 C1 D2, 即:水胶比0.24、粉煤灰掺量10%、砂率30%、沙漠砂替代率30%;对于28 d抗压强度, 各因素的影响顺序为:水胶比A>砂率C>沙漠砂替代率D>粉煤灰掺量B, 其最优配合比为:A1 B1 C1 D2, 即:水胶比0.24、粉煤灰掺量10%、砂率30%、沙漠砂替代率30%。由此可以确定, 沙漠砂高强混凝土最优配合比为A1 B1 C1 D2, 即水胶比0.24、粉煤灰掺量10%、砂率30%、沙漠砂替代率30%。
3 单因素实验
由上述正交试验可知, 沙漠砂高强混凝土最优配合比为水胶比0.24、粉煤灰掺量10%、砂率30%、沙漠砂替代率30%。为了进一步找出沙漠砂替代率对沙漠砂高强混凝土抗压强度的影响规律, 在水胶比、砂率和粉煤灰掺量保持不变的情况下, 设计以沙漠砂替代率为变量的单因素实验, 沙漠砂替代率分别取为0%、20%、30%、40%、60%、80%、100%。减水剂用量为总胶凝材料用量的0.4%。实验采用100 mm×100 mm×100 mm立方体试件, 试件的制作和养护与正交实验相同。测定其7 d、28d和56 d抗压强度, 实验结果如表6和图3所示。
表6和图3可知, 在单因素实验中, 随着沙漠砂替代率增加, 高强混凝土7 d、28 d和56 d抗压强度变化趋势基本相同, 即抗压强度随沙漠砂替代率增加呈现先增大后减小的趋势, 沙漠砂替代率为20%时抗压强度达到最大值。沙漠砂替代率为20%的沙漠砂高强混凝土其7 d、28 d和56 d抗压强度比高强素混凝土分别高出10.45%、3.98%和6.75%, 可见沙漠砂的最优替代率为20%时, 沙漠砂对沙漠砂高强混凝土抗压强度提高明显。综上所述, 沙漠砂最优替代率为20%。
4 结论
本文设计四因素三水平正交试验研究了水胶比、粉煤灰掺量、砂率和沙漠砂替代率对沙漠砂高强混凝土抗压强度的影响, 通过极差分析得到了沙漠砂高强混凝土的最佳组合。在此基础上, 设计以沙漠砂替代率为变量的单因素实验, 分别测得了不同沙漠砂替代率高强混凝土7 d、28 d和56 d抗压强度, 分析了沙漠砂替代率对沙漠砂高强混凝土抗压强度的影响规律。由实验可知, 用沙漠砂替代中砂配制高强度混凝土是可行的。综合考虑正交试验和单因素实验中沙漠砂替代率对高强混凝土抗压强度的影响规律, 推荐沙漠砂高强混凝土中沙漠砂的最佳替代率为20%。
参考文献
[1] 侯力, 左伟清.新编社会学.广州:华南理工大学出版社, 2002Hou Li, Zuo Weiqing.Newly edited sociology.Guangzhou:South China University of Technology Press, 2002
[3] Zhang Guoxue, Song Jianxia, Yang Jiansen, et al.Performance of mortar and concrete made with a fine aggregate of desert sand.Building and Environment, 2006;41 (11) :1478—1481
[4] 张德媛.毛乌素沙漠风积砂工程物理特性研究.西安:长安大学, 2009Zhang Deyuan.The engineering physical properties of aeolian sand from Mu Us desert.Xi'an:Chang'an University, 2009
[5] 张财, 吴爱芹.非洲撒哈拉沙漠特细砂混凝土配合比应用研究.黑龙江交通科技, 2007;5:15—16Zhang Cai, Wu Aiqin.Application of desert sand concrete mixing ratio from Africa.Communication technology of Heilongjiang, 2007;5:15 —16
[6] 陈美美, 宋建夏, 赵文博, 等.掺粉煤灰、腾格里沙漠砂混凝土力学性能的研究.宁夏工程技术, 2011;1:61—63Chen Meimei, Song Jianxia ZHAO Wenbo, et al.Study on the concrete mechanical properties mixed with fly ash and Tenggeli desert sand.Ningxia Engineering Technology.2011;1:61—63
[7] 中国建筑科学研究院.JGJ/T281—2012高强混凝土应用技术规程.北京:中国建筑工业出版社, 2012China Academy of Building Research.JGJ/T 281—2012, Technical Specification for Application of High Strength Concrete.Beijing:China Architecture and Building Press, 2012
高强沙漠砂混凝土论文 篇3
随着社会的发展,超高层建筑、大跨度工程及海上采油平台等工程建设将越来越多,传统混凝土作为结构材料将无法满足建设需要。超高强高性能混凝土以其优异的力学性能和超高耐久性,将成为混凝土主要发展趋势之一[1,2]。
根据已有文献[2,3,4,5],继欧美及日本等发达国家之后,我国专家学者对超高强高性能混凝土开展了大量的试验研究,制备出了C100～C200的超高强混凝土,并实现了C120超高强混凝土超高层泵送施工。综合这些研究成果,所制备出的超高强混凝土大多采取“高强度等级水泥+高性能减水剂+高效掺合料”或者掺入纤维和石英粉等特殊材料的方式来实现。然而,这些方法对原材料要求较为苛刻,提高了超高强混凝土的成本;同时,采用的水灰比极低,制备出的超高强混凝土粘度较大、流动性相对较差,增加了泵送施工难度,进而限制了其在工程结构中的应用。
紧密填充技术是通过混合组份的选择及颗粒大小分布以提高复合材料的密实性,降低材料宏观缺陷的一种方法[6]。该方法可减少混凝土各组分间的填充水及表面的润滑水,不仅可提高单位体积胶凝材料中的固体相,使之形成高强的水化产物、更加致密的水泥石,同时还能在较低的水灰比下改善混凝土的工作性能。因此,本文采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥、粉煤灰“微珠”及硅灰组成胶凝材料体系,机制砂和卵碎石组成骨料体系,通过紧密填充技术确定各组分的最佳比例,在普通混凝土常规生产工艺的条件下,制备出工作性较好的超高强高性能机制砂混凝土。这不仅使超高强混凝土的性能得到进一步改善,同时也为其大规模工程应用提供了理论依据。
1 原材料及试验
1.1 原材料
P·O 42.5级早强型普通硅酸盐水泥;市售硅灰,SiO2含量约93%,比表面积2.0×105cm2/g;市售粉煤灰“微珠”,比表面积1.2×104cm2/g,烧失量1.5%,需水量比87%;机制砂Ⅰ,细度模数3.0,石粉含量约8.2%;机制砂Ⅱ,细度模数2.7,石粉含量约4.0%;5.0～10.0mm卵碎石,压碎值6%,10.0～16.0mm卵碎石,压碎值6%;自制聚羧酸减水剂,固含量35%。
1.2 试验方法
紧密填充试验:将粉料按一定比例混合均匀后,称取一定量的复合粉体,采用机械压力法制备复合粉体压实体[7],并测试压实体空隙率。其加压速率为0.5kN/s,加压至200kN,保压2min。粉体压实体孔隙率按下列方程计算:
式中:v为粉体压实体的空隙率;m为称量粉体的质量;ρ为粉体表观密度;R和h分别为压实体的半径和高度。
不同质量比混合的骨料紧密填充由松散堆积密度试验确定。
混凝土工作性和抗压强度试验:混凝土坍落度和扩展度试验按照GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行,抗压强度试验试块尺寸为100mm×100mm×100mm,具体按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。
2 试验结果与讨论
2.1 不同组成的超高强高性能混凝土胶凝材料空隙率变化
胶凝材料中不同粒径颗粒的组合会引起体系空隙率变化[8]。图1为水泥、微珠及硅灰按不同质量比混合后压实体的空隙率曲线。从图1(a)中可以明显看出,掺入不同掺量的微珠均不同程度地降低了水泥粉体的空隙率,且空隙率随微珠掺量的增加先降低后增大。当水泥和微珠质量比为75:25左右时,压实体的空隙率最低,此时微珠能充分填充水泥大颗粒之间的空隙,当进一步增加微珠的掺量反而会由于附壁等效应影响大颗粒之间的堆积,使得固体颗粒体系整体的堆积密实度下降,空隙率增加。
硅灰颗粒尺寸明显小于微珠,在水泥-微珠体系紧密填充的基础上引入硅灰,能进一步填充体系中的微小空隙,提高复合胶凝材料体系堆积密实度。从图1(b)中可知,当硅灰取代8%水泥量,即水泥、微珠和硅灰三者间的比例为67:25:8时,复合胶凝材料体系的空隙率最低,这基本符合颗粒组合引起的堆积物最大密实理论。
2.2 超高强混凝土中不同骨料体系的堆积密度变化
图2(a)为机制砂I掺量对复合细集料体系松散堆积密度的影响曲线。从图中可知,复合机制砂的堆积密度随着机制砂I复合比例的提高而呈先增大后降低的趋势。当机制砂Ⅰ与机制砂Ⅱ的复合比例为4:6时,复合机制砂的堆积密度最高,此时复合细集料体系达到最紧密堆积状态。
图2(b)为5～10mm卵碎石对复合粗集料体系松散堆积密度的影响曲线。与图2(a)试验结果类似,复合粗集料体系的堆积密度随5～10mm卵碎石复合比例的提高而呈先增大后降低的趋势。当5～10mm卵碎石与10～16mm卵碎石的复合比例为7:3或6:4时,复合粗集料体系的堆积密实度最高。
2.3 超高强混凝土配合比设计
水泥基复合材料中颗粒材料的堆积方式对于宏观力学行为有很大的影响,颗粒结构堆积越紧密,空隙率越小,理论上应能获得较高的强度。基于紧密填充试验,设计超高强混凝土配合比如表1所示,试验结果如表2所示,胶材总量为750kg/m3。
从表1和表2中可以明显看出,超高强混凝土的抗压强度与复合胶凝材料体系的堆积状态具有较好的一致性。在一定掺量范围内,随着复合矿物掺合料掺量的增加,复合胶凝材料体系越接近于最紧密堆积状态,超高强混凝土的抗压强度也越高。当复合矿物掺合料中微珠掺量为25%,硅灰掺量为8%时,超高强混凝土试件的抗压强度达到最高值,这与图1中的粉体压实体试验结果一致。值得注意的是,随着硅灰掺量的增加,特别是当硅灰掺量提高至10%时,不仅超高强混凝土胶凝材料体系偏离了最紧密堆积状态,而且混凝土拌合物的粘度陡增,拌合物的工作性明显下降。因此,在制备超高强高性能混凝土时应控制硅灰掺量。
综合图2和表2的试验结果可知,粗细集料堆积状态对超高强混凝土的工作性和抗压强度的影响也极为显著。在相同胶凝材料体系下,随着机制砂I掺量的增加,超高强混凝土细集料体系的密实度提高,其拌合物性能得到改善,抗压强度也随之提高。当机制砂Ⅰ与机制砂Ⅱ复合比例为4:6时,混凝土拌合物的工作性能最优,抗压强度值最高,这与图2(a)中细集料紧密填充试验结果一致。与图2(b)试验结果显著不同的是,当5～10mm碎石掺量为20%时,复合粗骨料体系偏离了紧密填充状态,但超高强混凝土试件的56d抗压强度达到最高值142.3MPa。在超高强混凝土中,其砂浆基体的强度都得到增强,此时,混凝土试件承受载荷时,应力往往集中在基体-骨料界面薄弱区,不利于混凝土抗压强度提高[9]。表2中,随着5～10mm碎石掺量提高,基体-骨料界面增加,界面薄弱区增多,混凝土抗压强度下降,因此,在不降低混凝土工作性前提下应尽量降低5～10mm碎石的掺量。
综上,采用紧密填充原理所得超高强混凝土胶凝材料与骨料体系优化配合比,如表3所示,即水泥与微珠、硅灰的质量比为67:25:8,机制砂I和机制砂Ⅱ质量比为4:6,5～10mm碎石与10～15mm碎石质量比为2:8。
2.4 胶凝材料总量对超高强混凝土工作性和抗压强度的影响
不同胶材总量混凝土工作性和抗压强度分别如表4和图3所示。在相同砂率、水胶比条件下,提高胶材总量可改善新拌混凝土工作性能。当胶材总量为750kg/m3时,混凝土的坍落度和扩展度得到明显提高,倒坍落度筒时间大幅缩短;继续增大胶材总量,混凝土工作性能虽有一定提高,但效果并不明显。
与新拌混凝土工作性变化趋势显著不同,混凝土的抗压强度随胶材总量增加呈先增后降趋势。当胶材总量为750kg/m3时,混凝土抗压强度值最高,其28d抗压强度高达132.6MPa,56d抗压强度值为143.2MPa。继续提高胶凝材料总量,混凝土抗压强度呈下降趋势,其原因可能与高胶凝材料混凝土内部湿度下降有关,还需进一步证实。
2.5 水胶比对超高强混凝土工作性和抗压强度的影响
表5为不同水胶比下机制砂混凝土的工作性能。可以看出,在胶材总量和砂率一致时,水胶比从0.16提高至0.18,新拌混凝土的粘度明显降低,流动性显著提高。当水胶比为0.17以上时,新拌混凝土坍落度和扩展度高达260mm/630mm以上,倒筒时间仅为4.8s左右,具有较好的工作性能。
图4为不同水胶比机制砂混凝土抗压强度曲线。由图可知,水胶比在0.16～0.17范围时,混凝土各龄期抗压强度无明显差异,其56d抗压强度均在140.0MPa以上。当水灰比为0.17时,其抗压强度最高为142.4MPa,进一步提高水灰比至0.18,其抗压强度下降明显。这说明在超高强混凝土中,混凝土的抗压强度并不完全受控于水胶比,这与已有的研究结果相似。一般认为,在混凝土原材料体系充分密实的条件下,混凝土强度受控于水胶比,水胶比越低,混凝土的强度越高。然而,在超高强混凝土中,随着水胶比进一步降低,混凝土粘度陡增(表5),内部气泡难以消除,大大增加了混凝土内部缺陷存在的几率,进而导致混凝土强度下降。
3 结论
(1)基于紧密填充原理,采用普通原材料及生产工艺可制备出坍落度和扩展度分别为260mm和640mm以上,56d抗压强度高达143.2MPa的机制砂超高强高性能混凝土。
(2)硅灰掺量对机制砂混凝土拌合物粘度影响极大,在制备超高强高性能机制砂混凝土时应合理控制硅灰掺量,硅灰掺量宜为8%以内。
(3)为保证机制砂超高强高性能混凝土具有极高强度,同时兼具良好工作性,宜控制水灰比为0.17,胶材总量为750kg/m3。
参考文献
[1]高育欣,吴业蛟,王明月.超高强高性能混凝土在我国的研究与应用[J].商品混凝土,2009(1 2):31-33.
[2]蒲心诚.超高强高性能混凝土[M].重庆:重庆大学出版社,2005.
[3]郭向勇,方坤河,郭建平.超高强混凝土的强度和流动性的影响因素研究[J].青海大学学报:自然科学版,2001,21(3):23-27.
[4]Chong Wang,Changhui Yang,Fang Liu,et al.Preparation of ultra-high performance concrete with common technology and materials[J].Cement concrete composites,2012(34):538-544.
[5]洪海禄.C100高性能混凝土在某工程张的应用[J].广州建筑.2005(3):37-40.
[6]黄柏宗,王德顺,李锋尧,等.紧密堆积理论与高性能矿物胶凝体系的发展[J].商品混凝土,2004(4):14-18.
[7]沈业青.水泥压实体结构的评价与其硬化体的孔结构及性能[D].南京:南京工业大学,2010.
[8]吴中伟.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999.
高强沙漠砂混凝土论文 篇4
随着天然砂的日益减少以及不同地域受政策保护的程度, 机制砂的市场显现出了巨大的潜力和活力。尤其是近年来建筑市场的需求巨大, 促进了砂石市场的快速发展。
1.1 机制砂的概念
机制砂是砂 (沙) 的一种, 主要是指通过机器破碎而形成的砂子。机制砂的原料是什么?一般而言, 只要是硬度相当的石料就可以。准确来说当选用抗压强度满足要求的火成岩、变质岩、水成岩。当水利工程施工区多在野外, 采用机制砂应首先考虑就地取材以节约成本, 如果能结合石方开挖的弃渣则更好。用作加工机制砂的母岩, 抗压强度应符合GB/T14685—2001《建筑用卵石、碎石》的规定, 即饱和抗压强度:火成岩不应小于80MPa, 变质岩不应小于60MPa, 水成岩不应小于30MPa。
1.2 机制砂的制备及其生产工艺
随着机制砂的日益普遍广泛应用, 根据不同矿石, 不同用户的要求, 市场上有各种加工生产机制砂的设备和工艺。大致都有“皮带输送---筛分---破碎---洗砂---成品”几个生产环节组成。
在此, 重点介绍一种棒磨制砂的生产工艺。棒磨制砂特别适用于人工造砂过程中调节控制细度模数, 是一种高效、节能的碎石制砂工艺, 比传统制砂节能40%~50%, 是目前国内较领先的一种制砂工艺。
棒磨式制砂机广泛用于金属和非金属矿山及水利建材部门粉磨各种矿石或岩石。棒磨式制砂机由电机通过减速机及周边大齿轮减速传动或由低速同步电机直接通过周边大齿轮减速传动, 驱动筒体回转。筒体内装有适当的磨矿介质--钢棒。
磨矿介质在离心力和摩擦力的作用下, 被提升到一定高度, 呈抛落或泄落状态落下。被磨制的物料由给矿口连续的进入筒体内部, 被运动的磨矿介质所粉碎, 并通过溢流和连续给矿的力量将产品排出机外, 以进行下一段工序作业。
适用于湿法细碎, 粗磨各种硬度的矿石及其他物料, 特别适用于人工制砂过程中调节细度目数。棒磨式制砂机是砂石行业中广泛使用建筑用砂的砂石设备之一, 主要用于长石、石英、河卵石等矿石原料的加工、破碎。筒体以一定的速度旋转, 研磨体在摩擦力和离心力的作用下上升到一定高度被抛下, 使物料受到冲击研磨, 达到制砂目的。
2 机制砂对管桩生产的影响
2.1 高强预应力混凝土管桩的特殊性对细骨料的要求
细骨料宜采用洁净的天然硬质中粗砂或人工砂, 细度模数宜为2.5~3.2, 采用人工砂时, 细度模数可为2.5~3.5, 质量应符合GB/T14684的有关规定, 且砂的含泥量不大于1%, 氯离子含量不大于0.01%, 硫化物及硫酸盐含量不大于0.5%。
2.2 机制砂的性能对管桩质量的影响
2.2.1 机制砂的颗粒特性对管桩生产性能的影响
机制砂的颗粒度更不规则, 多棱度表面粗糙, 空隙率相对较大。在离心式管桩生产当中, 更加有利于矿粉、水泥等胶凝材料的填充, 增加密实度, 并且在跟水泥等结构粘合时, 往往有更好的粘合度, 提高了管桩的抗压强度, 管桩使用寿命也会更长久。
2.2.2 机制砂的石粉含量对管桩性能的影响
(1) 水泥试验。为探明机制砂中的石粉对水泥性能的影响按内掺法将粒径小于75μm的石粉掺入水泥中试验。结果表明:石粉取代部分水泥后对凝结时间和安定性均无影响。当取代量小于5%时水泥强度略有提高 (1%~4%) , 其原因中的碳酸盐在水泥水化过程中与水泥的铝硅酸盐形成碳铝酸盐使水泥强度得以提高。当取代量大于10%时, 随取代量的增加水泥强度呈直线下降原因是水泥的铝成分有限, 过多的石粉只能起惰性料的填充作用反而降低水泥的活性[1]。
(2) 混凝土试验。结果表明:在水灰比相同的条件下, 机制砂中小于75μm的砂粉含量在30%以下时除高等级混凝土的抗压强度略低于中砂 (河砂) 混凝土外, 其他的抗折、抗拉、抗压强度以及钢筋的粘接力都高于河砂的混凝土强度, 与参照有关国内外文献资料的结论相符[1]。
2.2.3 机制砂的特性对管桩耐久性的影响
根据普通混凝土长期性能和耐久性能的试验方法标准, 对高强预应力混凝土管桩的抗压、抗折强度的测定, 机制砂混凝土生产的管桩能满足技术规范要求。同时, 机制砂密度大, 空隙率小, 有利于提高混凝土抗压弹模的受压徐变强度。机制砂的收缩率比河砂混凝土略小, 主要受石粉含量的影响, 根据有关资料介绍, 混凝土的收缩率随集料小于75μm粉尘含量的增加而变大, 所以使用机制砂时 (特别是高强预应力混凝土管桩) 除掺用外加剂, 降低用水量和保证离心工艺, 常压高压养护外, 还应适当限制75μm的粉尘含量。
2.2.4 机制砂的MB值对管桩质量的影响
亚甲蓝MB值检验专门用于检测小于75μm的物质是纯石粉, 还是泥土的一种检验方法。由于机制砂的外貌特征与天然砂不同, 天然砂外观呈黄色, 含泥量高低从外观上可以判定其多少。而机制砂的外观色泽有所选用的母材不同而不同, 一般母材是鹅卵石破碎加工而成的机制砂色泽呈深黄色或红褐色;母材是有玄武岩或石灰岩等加工而成的机制砂色泽一般呈灰白色或黑色。
3 如何合理优化机制砂技术指标生产管桩
3.1 管桩生产用砂技术指标检验要求
3.2 针对管桩生产, 优化减水剂掺量 (表一) 和优化砂率 (表二) 的对比试验
水泥:P·O42.5级水泥, 河北冀中能源咏宁水泥, 比表面积为310㎡/kg, 表观密度为3100kg/m。矿渣微粉:河北金泰成建材有限公司产S95型矿渣微粉, 比表面积为400㎡/kg, 其表观密度为2900kg/m3, 活性指数28天为100%。
减水剂:邯郸恒升外加剂有限公司生产的SBTJM—Ⅱ混凝土高效减水剂。
集料:粗集料为石灰岩碎石, 表观密度为2740kg/m3, 0~25连续粒级;细集料为卵石破碎机制砂, 表观密度为2630kg/m3, 细度模数为2.6, 属于中砂。
3.3 通过相关试验的数据汇总以下几点, 指导应用于生产管桩
3.3.1 从机制砂的生产质量考虑
选用优质的机制砂是保障高强预应力混凝土管桩生产的前提。可是根据各个地域管桩生产基地的选址不同, 考虑到运输成本等问题, 当然首先选用优质的母材:如玄武岩、卵石等。其次, 选用先进的生产工艺设备:如高效反击锤式破碎+水洗、棒磨制砂+水洗。
3.3.2 从配合比设计考虑
用机制砂配制混凝土时, 机制砂混凝土水灰比可比同强度等级的天然砂混凝土适当增加。当机制砂取代率不大于30%, 每立方米混凝土用水量宜与天然砂混凝土基本相同;当机制砂取代率大于30%时, 每立方米混凝土用水量宜比天然砂混凝土增加 (5~15) kg。采用中砂时, 机制砂混凝土砂率宜比天然砂混凝土砂率增大1%~2%, 采用粗砂时, 机制砂混凝土砂率宜比天然砂混凝土砂率增大3%~5%。机制砂混凝土宜掺用矿物掺合料和外加剂。
3.3.3 从混凝土拌合工艺考虑
机制砂混凝土现场搅拌时间应比天然砂混凝土增加20s~30s;机制砂混凝土生产管桩在布料时, 要控制好坍落度, 根据不同的坍落度确定好离心工艺, 避免因坍落度过大而离心成型差, 降低管桩强度。
3.3.4 从机制砂石粉含量考虑
(1) 由于机制砂石粉含量的存在, 吸附减水剂用量增大, 但同时石粉含量偏高, 有助于混凝土强度的发展, 也同时填充了混凝土料的空隙, 增加了密实度。因为管桩生产基本属于自动布料、人工抹浆, 所以要保证混凝土料的和易性和便于操作。目前河北建华通过优化减水剂掺量, 优化砂率等措施的多次试验, 确定了管桩生产的合理配方。
(2) 石粉能填充颗粒间的空隙, 提高混凝土的密实度, 也同时使砂浆容重随石粉的增加而变大, 砂浆层又偏软, 在管桩生产当中容易造成内壁塌落或滑落, 使得管桩内壁成型质量差。
(3) 石粉的存在加大了砂的比表面积, 混凝土料的需水量相应增多, 故砂浆稠度随石粉增加而减少。因此, 在管桩生产当中要注意观察管桩离心成型后余浆的情况。
3.3.5 从管桩生产工艺 (离心工艺) 考虑
由于管桩生产的特殊性, 经过离心工艺成型密实, 在高速离心过程中管桩内壁形成浮浆层粘着在管桩内壁, 浮浆是由少量的水泥、砂浆等组成, 机制砂本身的粘聚力较差, 这样在高速离心完后的管桩不宜发生剧烈震动或碰撞, 更不能离心成型后急剧制动, 避免管桩内壁浆体滑落。
4 应用实例
目前华中、华北多家管桩生产线应用机制砂生产高强预应力混凝土管桩 (PHC) , 根据GB13476-2009的要求, 抗压、抗折强度均满足要求, 产品大量销往全国各地, 反映应用良好。
参考文献