机制砂在C80高强混凝土的配制及试验研究

刘军

（新疆西部建设股份有限公司，乌鲁木齐 830002）

1 引言

人类进入21世纪，面临着“人口膨胀、资源和能源短缺以及环境恶化”等三大问题。混凝土材料是资源和能源消耗的大户，也是环境污染源之一。混凝土材料和技术直接影响着人类的可持续发展。改革开放以来，我国已成为世界上最大的建设市场，用砂量逐年攀升，长期的开采导致天然砂资源枯竭，以致出现了天然砂质次价高的局面。天然砂作为一种地方资源，短时期内不能再生，况且现代混凝土的发展对骨料提出了更高的要求，而天然砂的现状已不能满足商品混凝土的要求。随着人类环境保护意识的提高和受自然资源的限制，寻找新的砂资源已刻不容缓，机制砂的推广使用不仅可以节约资源，还可给预拌混凝土企业和建筑单位带来一定的经济效益。利用大量工业尾矿（如石灰石、冶炼矿石、采石场的废弃物）制得的机制砂在高强混凝土中使用，不仅可以减少环境污染、避免滥采滥挖，保护环境，还具有长远的社会效益和经济效益。本文就机制砂在C80高强混凝土中的应用进行了研究。

2 研究思路

2.1 技术难点分析

1） 使用一般的制作工艺，使机制砂混凝土强度达到C80级。新拌混凝土拥有良好的工作性，并在硬化后具有高强的混凝土。

2）机制砂由于自身的特点，如级配较差、颗粒粒形不好使拌制的混凝土和易性较差、需水量和水泥用量多、拌制的混凝土振动后易离析等。

2.2 配制技术方案

2.2.1 原则

所采用的原材料系乌鲁木齐市场可购得产品。基本不改变常规施工工艺，使机制砂C80混凝土技术可行，各项技术指标满足技术要求。

2.2.2 技术思路

根据混凝土高性能化设计理念，该混凝土设计思路为：(1)合理选择砂率；(2)控制用水量在175kg/m3以下，水胶比0.35以下；(3)采用磨细粉煤灰、磨细矿渣和硅灰取代部分水泥；(4)采用新型高效减水剂； (5)平行对比试验（机制砂和天然砂的对比试验）。

3 试验用原材料的选择

根据原材料质量、资源等，优选以下几种原材料进行机制砂C80混凝土的配制。

3.1 水泥（C）

选用新疆天山水泥厂 P·O52.5R水泥，其技术性能指标见表1。

表1 水泥物理性能指标

表2 磨细粉煤灰性能指标

表3 磨细矿渣性能指标

3.2 矿物掺合料

3.2.2 磨细粉煤灰（KM）

新疆西部建设股份有限公司产磨细粉煤灰（Ⅱ级），其技术性能指标见表2。

3.2.3 磨细矿渣粉（K）

新疆西部建设股份有限公司产磨细矿渣（Ⅲ级），其技术性能指标见表3。

3.2.4 硅灰（SF）

新疆哈密产干排硅灰，其技术性能指标见表4。

3.2.5 水泥和矿物掺合料的的化学成分

见表5。

3.3 骨料

3.3.1 砂（S）

新疆西部建设股份有限公司生产的机制砂和乌拉泊产的天然砂,其技术性能指标见表6。

3.3.2 碎石（G）

新疆西部建设股份有限公司生产的碎石，其技术性能指标见表7。

3.4 外加剂（PCA）

通过市场调研和试验后，选用江苏产复合早强聚羧酸系高效减水剂PCA,含固量25%，减水率28%。

4 混凝土配合比试验

CECS207：2006《高性能混凝土应用技术规程》配合比设计的一般规定要求：在满足混凝土结构的要求，确保其施工的工作性性能以及混凝土的强度和耐久性要求，高性能混凝土的胶凝材料总量宜不超过600kg/m3，砂率宜采用37%～44%，高效减水剂根据其减水率和混凝土的工作性能确定掺量。根据上述要求我们试验配合比采用胶凝材料600kg/m3，砂率40%，PCA聚羧酸减水剂掺量为2.0%和2.3%，用机制砂配制C80高强高性能混凝土进行强度和工作性能的测试，确定机制砂C80混凝土最优配合比。试验配合比如表8。

由表9可以看出，编号为1、2、3和4、5、6的配合比，聚羧酸系高效减水剂掺量为2.0%和2.5%时，混凝土强度都可满足要求，且混凝土拌合物和易性良好，此外加剂与水泥适应性良好，混凝土坍落度经时损失小，2h经时损失≤10%，早期强度高，后期强度也能持续增长，此高效减水剂在混凝土中使用时，即使掺量较大也不会出现泌水及缓凝现象，但从技术经济角度考虑也是一种浪费。因此，此外加剂配制机制砂C80混凝土的最佳掺量为2.0%；硅粉+磨细矿渣+磨细粉煤灰复掺混凝土28d抗压强度的强度最高，纯水泥的28d的强度最低。磨细矿渣+磨细粉煤灰双掺强度28d的强度和硅粉+磨细矿渣+磨细粉煤灰复掺的强度相当，并能满足C80级混凝土强度要求；但磨细矿渣+磨细粉煤灰双掺的60d抗压强度超过了纯水泥的强度，这是因为各种掺合料的活性不同，对混凝土不同龄期强度的贡献率有所差别而造成的。这三种矿物掺合料对混凝土拌合物的流动性影响不大，但硅粉+磨细矿渣+磨细粉煤灰复掺时混凝土坍落度经时损失最大，这是由于硅粉颗粒细小，比表面积大，需水量高。综合性价比，我们选用磨细矿渣+磨细粉煤灰复掺配制机制砂C80混凝土，得到了满意的结果。

表4 硅灰性能指标

表5 化学性能指标

表6 细集料技术性能指标

表7 粗集料技术性能指标

表8 机制砂C80混凝土配合比 kg/m3

4.4 确定最佳配合比

根据混凝土拌合物工作性及其强度数据结果分析得出最佳配合为2号，对其进行力学性能和耐久性方面试验，以确定机制砂配制C80高强混凝土的可行性。

5 实验结果及分析

用机制砂和天然砂拌制混凝土进行对比试验，配合比采用2号配合比，分析其对混凝土拌合物性能、力学性能和耐久性能的影响。

5.1 混凝土拌合物工作性能

从表10数据分析混凝土拌合物工作性能来看，机制砂和人工砂在混凝土拌合物性能上没有明显的差别，观察新拌混凝土，未发现离析、泌水现象。试验结果数据比较满意。

5.2 力学性能

从表11试验数据来看，机制砂混凝土抗压强度比天然砂混凝土的各龄期高出18%～25%，说明由于机制砂自身的特点，具有新鲜的颗粒表面，含泥量低，因此用它来拌制的混凝土，骨料和界面粘结好，配制的混凝土强度高。劈裂抗拉强度与立方体抗压强度的比值随强度等级提高而降低；机制砂在拉压比上天然砂高0.006，C80级高强混凝土的拉压比平均值为0.05，据有关研究资料，普通混凝土在C20～C60之间，拉压比一般为0.05～0.1，随着混凝土强度提高，脆性增大，拉压比值下降到0.04～0.05，从中分析得出机制砂和天然砂在拉压比上没有明显的区别。对建筑物不会产生大的影响。从数据中，其抗折强度优于天然砂混凝土。压折比也低于天然砂混凝土，对建筑结构是有利的。

5.3 耐久性能试验

从表13中数据可以得出：（1）机制砂C80混凝土抗碳化性能、抗渗性能、抗氯离子渗透性能及抗冻性能都优于天然砂C80混凝土， （2）机制砂C80混凝土干燥收缩性能和天然砂C80混凝土相当。这些都是由于：（1）机制砂自身的特点，具有新鲜的颗粒表面，含泥量低，因此用它来拌制的混凝土，骨料和界面粘结好，配制的混凝土强度高。（2）由于机制砂中含有一定的石粉含量，石粉微粒填实了混凝土中的孔隙，减少有害大孔数目，明显改善混凝土的孔径大小分布，强化了水泥浆体-集料的界面结构，从而增强了水泥与骨料间的密实度，提高了混凝土的抗碳化性能、抗渗性能、抗氯离子渗透性能及抗冻性能。

表9 混凝土拌合物工作性及其强度

表10 机制砂和天然砂混凝土拌合物性能试验结果

表11 机制砂和天然砂混凝土力学性能试验结果

表12 机制砂和天然砂混凝土耐久性能试验结果

6 结论

（1）通过试验得出机制砂C80混凝土最优配合比，且各项性能满足技术要求。

（2）该高强混凝土工作性、体积稳定性良好，力学性能和耐久性能都优于天然砂混凝土。

（3）机制砂是在固定场所生产，质量稳定可靠，可操作性强，不必担心砂中含泥量和泥块含量超标。

（4）机制砂中含有一定量的石粉正好作为混凝土中的掺合料，不但增加了混凝土中胶凝材料的总量，还可以起到微集料效应。

（5）社会效益明显，利用大量尾矿资源，保护环境；经济效益可观，可以为混凝土节约大量成本。

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