机制砂混凝土配合比优化设计及其外加剂研究分析材料学专业.doc

机制砂混凝土配合比优化设计及其外加剂研究 摘 要 当今社会日益繁荣，经济飞速发展，带来基础设施的建设也相应发展迅猛。配置混凝土传统所用的天然砂资源已经越来越匮乏，已经不能满足工程需求了，因此机制砂在社会建设过程中扮演着一个越来越重要的角色，它将填补天然砂资源的紧缺所带来空缺。 所谓机制砂，就是通过制砂机和其它附属设备加工而成的砂子。由于机制砂是通过机械设备人为生产出来。过程可以得到控制，因此其成品更加规则，可以根据不同工艺要求加工成不同规则和大小的砂子，更能满足日常需求，凭借这些优点与天然砂相比其占有一定的优势。但是与天然砂相比，机制砂有级配较差，颗粒尖锐而且棱角，表面较粗糙，细度模数偏大等特点，因此在工程界，人们对使用机制砂来配置高强高性能的混凝土还是存有一定疑虑，由于对其性能的不了解，使得机制砂在高强高性能混凝土结构和一些重要部位混凝土的应用受阻。所以如何来了解并改善机制砂的性能使其能得到更为普遍的应用已经变得非常重要。 机制砂与天然砂的最主要区别，就是在机制砂的生产过程中不可避免的要产生一定数量的颗粒直径小于75μm的石粉，而石粉的含量对机制砂混凝土的性能有着很大的影响，本文中也就会就其含量对其机制砂混凝土性能的影响进行讨论，而在天然砂中就不存在这个问题，同时，在坚固性方面，机制砂也要比天然砂稍差一点，但是仍然可以达到GB/T 141684293标准所规定的的优等品指标，因此在建筑用混凝土中使用不存在问题。但是如果是用在经常遭受摩擦冲击的混凝土构件中，则必须掺用外加剂，外加剂的使用对机制砂混凝土的影响也将在本文中讨论。除了上述的石粉含量和外加剂的使用对机制砂混凝土的性能有很大影响外，母岩的性质和生产工艺对机制砂的性能也有很大的影响，从而影响机制砂混凝土的性能。本文就将从这几个方面来研究他们对机制砂混凝土各项性能的影响，从而对它们进行优化设计来提高机制砂混凝土的性能。 关键词：机制砂，混凝土，母岩，石粉，生产工艺，外加剂，性能 目 第一章 绪论………………………………………………………………….….……2 1.1研究背景和意义……………………………………………………….….……2 1.1.1天然砂资源匮乏…………………………………………………….………2 1.1.2国内相关标准的制约……………………………………………….………3 1.1.3机制砂性能的研究尚不成熟……………………………………………….4 1.1.4现代建筑对高性能混凝土的需求…………………………………..….…..5 1.1.5研究的意义……………………………………………………………….…6 1.2机制砂混凝土的研究和使用现状………………………………………….….6 1.3存在的各种问题………………………………………………….……....….…9 1.4研究目标和途径………………………………………………….………….…10 1.4.1研究目标……………………………………………………..………..….…10 1.4.2研究途径………………………………………………………………….…10 第二章 机制砂性能对混凝土的影响…………………………………………….….10 2.1机制砂母岩及其影响………………………………………………...……...…10 2.1.1母岩种类及特性………………………………………………….……....…10 2.1.2母岩质量要求……………………………………………………..….…..…13 2.1.3母岩检测……………………………………………………………….……13 2.1.4不同母岩对混凝土效果区别………………………………………….....…14 2.2机制砂的生产工艺及其影响………………………………………………..…16 2.2.1机制砂生产工艺及设备选型………………………………………….……16 2.2.2机制砂生产工艺流程……………………………………………….....……17 2.2.3不同工艺生产出来的机制砂，对混凝土是否有影响…………..……...…17 2.3石粉对混凝土特性的影响及机理………………………………………..……18 2.3.1石粉含量的影响……………………………………………………….……18 2.3.2机制砂石粉含量实验分析及含量要求……………………………..…...…18 2.3.3石粉对混凝土性能的影响……………………………………………….…19 第三章 外加剂对机制砂混凝土性能的影响………………………………….….…21 3.1外加剂作用机理和效果………………………………………………….….…21 3.2外加剂机制砂混凝土与天然砂混凝土效果上的明显区别………………..…23 3.3外加剂在面对机制砂的时候所需改进………………………………….….…23 第四章 机制砂混凝土配合比……………………………………………………..…23 4.1机制砂混凝土配合比对混凝土性能的影响……………………………….….23 4.2机制砂混凝土配合比优化设计……………………………………………..…24 第5章 结语………………………………………………………………………..…25 参考文献………………………………………………………………………...….…26 致 谢………………………………………………………………………………26 第一章 绪论 1.1研究背景和意义 1.1.1天然砂资源匮乏 随着我国经济的飞速发展，基础设施的建设相应加快。而在建筑中混凝土是必不可少的，砂又是混凝土的核心。目前我国大多数地区使用的都是天然砂，即由自然条件作用（主要是岩石风化）而形成的，粒径在5mm以下的岩石颗粒。由于天然砂不适宜长途运输，因此属于一种地方资源。而且在短期内不可再生，由于建筑需求日益增加，导致很多地区天然砂资源短缺，一些本来天然砂资源就不丰富的地方甚至出现砂荒。例如重庆、贵州、云南、恩施这些地方，河砂资源很少，甚至根本就没有，给当地的基础建设带来了极大的不便。物以稀为贵，在天然砂短缺的地区，其价格必然会上涨。在这种经济利益的驱使下，我国很多地区出现了乱挖、乱采天然砂的现象，破坏河道挖沙、毁田挖沙等现象在很多地区都有发生，特别是在一些落后的地区，缺少环保意识，不注重生态环境的保护，只为追求利益，导致生态系统被破坏。这其中特别是对河道的破坏，挖沙船在将河道里的砂挖出来后，就会在河床上留下很多很深的水潭，儿童在这中水潭里溺亡的新闻实在不少。由于这种过度且无序地开采对环境和社会都带来了很多严重的危害，国家和各地方政府陆续采取的相关措施来限制这中过度开采。比如从2002年开始，国家就限制长江的采砂量为每年5000t。在这种天然砂资源匮乏的情况下，推广机制砂的使用就变得势在必行，而攻克机制砂混凝土的相关技术难题使其性能达到相关使用标准就成了这个推广过程的第一关。 1.1.2国内相关标准的制约 针对国内机制砂和天然砂的使用情况，为了规范和推进机制砂混凝土的应用，使其市场更加有序，国家于2002年发布了新标准《建筑用砂》（GB/T14684-2001）,该标准首次明确规定了使用机制砂的相关技术要求。毫无疑问，该新标准的推行对机制砂的推广应用具有很重要的意义。但是在这项标准中，一些相关规定还是限制了机制砂混凝土的应用。其对不同硬度的混凝土用机制砂中石粉含量进行了限制。该标准规定强度等级小于C30的机制砂混凝土所用机制砂中的石粉含量应该小于或等于7%，强度等级在C30到C60之间的机制砂混凝土所用机制砂中的石粉含量应该小于或等于5%，强度等级大于C60的机制砂混凝土所用机制砂中的石粉含量应该小于或等于3%。这项规定在很大程度上阻碍了机制砂混凝土的发展与推广应用，主要表现在两个方面。第一就是增加了机制砂的生产工艺的难度性，从而提高了机制砂的生产成本；第二就是浪费了大量矿产资源，污染环境。说其增加了生产难度，提高了生产成本是因为目前国内外生产机制砂都是通过破碎法生产，而通过这种生产方法生产出来的机制砂一般石粉含量在10%~20%。而为了使机制砂成品的石粉含量控制在3%、5%、7%，那么在生产过程中就得控制的更低，即相应为1%、3%、5%，如此低的石粉含量，几乎就是要把机制砂中石粉全部洗净，很显然这的确增加了生产难度，并且提高了生产成本。说其浪费了大量矿产资源，污染环境是因为目前机制砂中常用的除粉工艺是用水洗，每一立方机制砂大约需水2~4m³。而随水一起流走的粉体材料一般要占到10%~20%，这样既浪费了矿产资源又浪费了水资源。而且在排除的污水中，石粉在水中逐渐积累形成泥浆，量大并且难以处理，这样带来的结果就是严重污染了环境，同时流失了大量的矿产资源。 1.1.3机制砂性能的研究尚不成熟 我国发布的《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）中已经规定：“在河砂不易得到时，也可用山砂或用硬质岩加工的机制砂”，但是在实际工程中，往往不是如此。例如在建造一些重大的桥梁时，仍然采用的是天然砂而不敢采用机制砂，其原因就在于我们对机制砂性能的研究尚不成熟，对其在某些特殊环境下会产生哪些变化还不是很清楚，某些研究成果还研究领域还存在一定的争议，因此在桥梁这种关系社会安全的重大工程中，不敢轻易采用机制砂。具体的有以下几个方面： 1.1.3.1大部分研究仅限于石灰岩，缺少其他岩性机制砂的研究 目前国内对机制砂性能的研究局限于石灰岩的研究，很少有其他岩性机制砂的研究。但是我国地域面积广阔，各地的各种矿石储量都不相同，但是在建筑的时候需要因地制宜，即取用储量最为丰富的矿石。在那些石灰岩储量丰富的地区，因为有关于石灰岩机制砂的相关研究，用石灰岩生产机制砂还能得到推广。但是在一些石灰岩储量稀少的地区，而其他岩石储量丰富，由于缺少相应岩性机制砂的研究，人们对其各方面的性能还是心存疑虑，于是该种岩性机制砂的应用就会受阻，导致其他岩性的机制砂的应用和质量控制方面还依然存在缺陷。 1.1.3.2机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响存在争议 目前，各国对机制砂中石粉含量的最高限值不尽相同，某些国家甚至高达20%，而我国的标准本文前面所述，高达3%、5%、7%，这种规格已经是相当严格了。但是尽管有如此严格的限值要求，规定的制定者并没有给出相应的理论依据，这在一定程度上也不利于机制砂的推广使用。而且各方面对目前石粉含量对机制砂混凝土性能的影响也存在争议，使得他在应用中缺乏强有力的理论依据。例如，有研究认为，大幅增加石粉的含量，会导致混凝土在固化的过程中收缩迅速增大。但是另一方面，也有研究认为当石粉的含量达到某一临界值，继续增加石粉的含量将会降低混凝土的收缩。这些研究上的争议也阻碍着机制砂的推广应用。 1.1.3.3缺少对高石粉含量机制砂混凝土耐久性的研究 现阶段我们对于石粉含量在机制砂混凝土中起的影响作用主要集中在两个方面，一是石粉含量对机制砂混凝土工作性能的影响，二是石粉含量对机制砂混凝土强度的影响。这两者都是影响混凝土工作安全可靠性的重要影响因素，但是混凝土作为一种建筑材料，做好放在那里不是一天两天的事，短则几十年，长则上半年，而在这其中要经受风吹日晒，雨打雪淋，这就必须考虑到一个耐久性的问题。机制砂混凝土的耐久性如何，特别是高石粉含量的机制砂的耐久性，石粉不同于外加剂，尽管有一些微弱的化学性质，但是在混凝土中只能作为一种惰性添加剂，这些都缺少相关的研究，没有更充足的理论依据，当石粉含量高时，对机制砂混凝土的耐久性是否会产生影响，我们无从得知。我们的研究在这些方面的不成熟，也会给机制砂混凝土的推广应用带来困难。 1.1.3.4缺少机制砂的MB值对混凝土各项性能的研究 MB值又称为亚蓝值，表示机制砂中石粉含量的多少。因