基于不同机制砂级配的水工混凝土性能研究_胥德丰.pdf

15 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）基于不同机制砂级配的水工混凝土性能研究胥德丰（北票市哈尔脑乡水利服务站，辽宁 朝阳 122100）摘 要：通过调整各粒径分计筛余的方式，试验探讨不同级配石灰岩机制砂对水工混凝土性能的影响。结果表明：0.30mm、0.60mm 粒径的颗粒含量不宜低于高性能混凝土用骨料标准下限，0.60mm、0.30mm、0.15mm 粒径分级筛余不宜低于 50%。机制砂过细或过粗都会使得 C50 水工混凝土拌合物状态不良，其最合适的分级筛余范围宜取该标准的级筛余。关键词：水工混凝土；机制砂级配；分计筛余；试验分析 中图分类号：TU528 文献标识码：B文章编号:1007-7596（2022）12-0015-04 收稿日期 2022-11-28作者简介 胥德丰（1 9 7 8-），男，辽宁朝阳人，工程师，研究方向为水利水电工程、水土保持、河道治理、农村饮水、农村小型水利工程。近年来，我国水利工程建设规模不断扩大，砂石作为工程用量最多的一种建筑材料，对其需求日趋增大。受限于生态环境和资源压力，天然砂石越来越少，机制砂替代天然砂逐渐成为支撑水利事业可持续发展的主力砂石源1-4。机制砂相较于河砂，经不同生产工艺整形、筛分、破碎生产出的品质也具有明显差异。目前，机制砂主要存在石粉含量超标、超出级配范围、级配不良等质量问题，机制砂混凝土通常存在和易性不良的情况5。拌合物工作性能受机制砂级配的影响显著，一般利用细度模数和累计筛余来反映机制砂的级配问题，在一定程度上常出现石粉含量多、中间颗粒少、粗颗粒多的“哑铃型”级配，机制砂级配符合标准区要求时，也可能对水工混凝土性能带来负面影响6-8。鉴于此，本文结合现行规范要求，试验探讨了不同级配石灰岩机制砂对水工混凝土性能的影响，并提出适宜的机制砂级配控制范围。1 试验方法1.1 原材料水泥：海螺 PO 42.5 级普通硅酸盐水泥，标稠用水量 26.1%，安定性合格，细度(80m)0.5%，初凝、终凝时间 160min 和 245min，3d、28d 抗折强度为 4.6MPa 和 7.1MPa，抗压强度为 22.4MPa 和43.6MPa。粉煤灰：鞍山成达电厂生产的级粉煤灰，需水量比 95%，28d 活性指数，细度 20.4%，密度2.26g/cm3，烧失量 3.0。矿粉：铁岭金泰 S95 级矿渣粉，流动度比102%，28d 活性指数 95%，密度 2.85g/cm3，比表面积 450m2/kg。细骨料：石灰岩人工机制砂，亚甲蓝值 0.5g/kg，表观密度 2720kg/m3，细度模数 2.6，石粉含量 4.5%，单级压碎值 17.0%，饱和面干吸水率 1.6%，片状颗粒含量 8.2%，级配如表 1 所示，经颗粒级配调整试验用机制砂符合试验要求。表 1 机制砂级配标准 比粒度各粒径分计筛余/%4.75mm 2.36mm 1.18mm 0.60mm 0.30mm 0.15mm 0.15mm级4.70102225211210将机制砂砂颗粒视为球形，定义比表面积指数为质量相同情况下每一粒级砂比相邻粒级砂的粒径相差 1/2，比粒度就是各粒级比较面积指数与相应DOI:10.14122/ki.hskj.2022.12.007 16 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）分级筛余的乘积之和，依据表 2 计算砂子比粒度，即（1/2）1+2+23+44+85+166=砂子比粒度。机制砂细度可以用比粒度来表征，因与颗粒表面积高度相关，故比粒度比细度模数能够更加精准地反映机制砂细度。表 2 比例度计算方法粒径/mm 4.75 2.364.75 1.182.36 0.601.18 0.300.60 0.150.30分级筛余/%a1a2a3a4a5a6比表面积指数1/2124816粗 骨 料：天 然 花 岗 岩 碎 石，两 个 粒 级510mm:1025mm=1:2，混合后的碎石堆积密度1580kg/m3，空隙率 40.5%，压碎指标 6%，吸水率0.5%。减水剂：科诺 QW-4 聚羧酸高效减水剂，掺量取胶凝材料用量的 2.0%，掺减水剂水泥净浆流动度 240mm，1h 坍落度损失 10mm，含固量 16.8%，减水率 30%。拌合水：当地自来水。1.2 试验方法根据建设用砂、高性能混凝土用骨料等相关规范，遵循以下原则合理设计石灰岩机制砂级配：首先，结合现行规范要求合理调整粗、中、细砂级配，并标注不同级配的所属来源，确保配制出的机制砂符合级区、级区的级配范围，如表3 所示；其次，对特定粒径进行调整，经分计筛余保证被调整的粒级超出现行规范所要求，即每个粒级设置两种情况，低于和高于标准规定的分计筛余范围，在此基础上调整机制砂细度，如表 4 所示。其中，X、Y 代表标准以内和标准以外分组。表 3 规范规定级配范围公称粒径/mm5.002.501.250.630.320.16 0.16方孔筛尺寸/mm4.752.361.180.600.300.15筛底级区/%0101015102520312030820010级区/%01052553015361535325015表 4 标准以内和以外的级配设计编号细度模数比粒度各粒径分计筛余/%4.75mm2.36mm1.18mm0.6mm0.3mm0.15mm 0.15mmX-12.07.50552931246X-22.36.4510142220236X-32.66.0010103131126X-42.75.1512162522146X-52.95.0122181819166X-63.04.3101520212176X-73.43.282327151566Y-12.74.11722323206Y-23.12.672530161606Y-32.17.3310151818306Y-42.36.206201640126Y-52.45.7210203212186Y-62.17.50620834266Y-73.33.09253081846Y-82.27.00554215276Y-93.03.68205421546Y-102.08.00602834266Y-112.74.40638212096Y-122.83.810240361866注释：X-6、X-7 的比粒度和细度模数不符合现行规范要求。17 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）依据水运工程混凝土施工规范中的相关规定，合理设计 C30、C50 强度水工混凝土配合比，如表 5 所示。表 5 水工混凝土配合比设计强度等级水水泥粉煤灰矿粉机制砂碎石减水剂C3018026090608101000/C50150300160607201010/2 结果与分析2.1 C30 水工混凝土性能2.1.1 对拌合物和易性的影响通过调整减水剂掺量，控制 C30 水工混凝土坍落度 240mm，扩展度不低于 550mm，从而保证大流态试配要求，如表 6 所示。表 6 C30 新拌混凝土和易性分组 扩展度/mm 坍落度/mm减水剂/kg（m3)-1保水性粘聚性X-16302701.6好好X-26202651.2好好X-36352651.3好好X-46002601.4良好良好X-56502501.9略微泌水 轻微离析X-66102502.2良好良好X-75952552.0泌水石子裸露Y-16502500.9良好良好Y-25952452.6泌水离析Y-36302501.2良好良好Y-46052602.5好良好Y-55702401.2轻微泌水 轻微离析Y-66502551.3略微泌水 轻微离析Y-74952050.9严重泌水 严重离析Y-86402451.0良好良好Y-96402451.0严重泌水 严重离析Y-106552500.9略微泌水 石子裸露Y-116352402.1略微泌水良好Y-126352451.8严重泌水 严重离析从表 6 可以看出，机制砂细度越小则新拌混凝土整体性越好，相应的外加剂用量也较少。比粒度 5.0，细度模数 2.7 即可符合现行规范分计筛余要求，外加剂掺量提高并且拌合物性能变差。通过调整水工混凝土单个粒级分计筛余，在使其它粒径符合规范要求级配区的情况下，0.3mm 这一粒径对拌合物保水性、粘聚性作用明显且不宜超过标准范围；0.6mm 这一粒径对拌合物保水性、粘聚性也非常重要，分计筛余不应低于规定下限值；若 0.6mm 粒径的分计筛余超过标准 40%，则0.3mm 粒径宜取下限；0.15mm 粒径的分计筛余超过标准上限，则 0.3、0.6mm 粒径的分计筛余处于15%20%范围，并不会严重影响拌合物和易性；1.18mm粒径也在一定程度上影响着拌合物黏聚性，但作用不明显，这一粒径不宜低于标准的下限或断档。0.15mm、0.3mm、0.6mm 粒径的分计筛余总量 50%，若低于该值应保证 2.36mm 及以上粒径和2.36 以下粒径总量之比 1/3，故机制砂比粒度的最佳取值区间 4.07.5。2.1.2 对混凝土抗压强度的影响不同机制砂级配的 C30 水工混凝土抗压强度测试结果如表 7 所示。结果表明，符合标准时的分计筛余不会对 C30 水工混凝土强度造成较大影响。总体而言，X 组强度略高于 Y 组，表明良好的级配能够有效改善混凝土强度。比粒度能够用于描述机制砂级配，对于超出正常范围的机制砂比粒度，其级配不良，不符合现行规范要求，特别是 0.15mm、0.3mm、0.6mm 分计筛余过低时会严重影响拌合物和易性以及混凝土强度9。表 7 C30 水工混凝土抗压强度分组比粒度抗压强度/MPa3d7d28dX-17.525.140.148.6X-26.422.640.045.8X-36.023.432.949.4X-45.126.139.452.0X-55.024.837.551.7X-64.324.035.550.1X-73.228.239.349.8Y-14.118.535.745.7Y-22.616.728.430.2Y-37.325.442.351.6Y-46.220.631.547.3Y-55.725.041.656.5Y-67.520.233.442.7Y-73.016.931.736.1Y-87.018.432.041.8Y-93.616.328.636.2Y-108.018.535.542.9Y-114.421.432.446.0Y-123.8/18 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）2.1.3 对混凝土抗氯离子渗透性的影响标养 56d 时，试验测定不同比粒度机制砂 C30水工混凝土的电通量如表 8 所示。表 8 C30 水工混凝土电通量分组比粒度电通量/CX-17.51270Y-37.31325X-26.41340X-36.01582Y-55.71457X-45.11280X-55.01275X-64.31561X-73.21426从表 8 可以看出，C30 水工混凝土电通量和抗氯离子渗透性受机制砂级配的影响不明显，电通量总体处于 12001600C 范围，级配不良组的电通量较高，各组试样的氯离子渗透性较低。2.2 C50 水工混凝土性能2.2.1 对拌合物和易性的影响通过调整减水剂掺量，控制 C50 水工混凝土坍落度不低